目前主流发动机的效率能达到什么水平?进一步提高的难点在哪?发动机技术发展现状及未来趋势解析

目前主流发动机的效率能达到什么水平?进一步提高的难点在哪?发动机技术发展现状及未来趋势解析_58汽车

发动机技术发展至今,虽然已经取得了显著的进步,但仍然面临着成本、油耗和法规等多方面的挑战。各大车企在发动机开发上的核心思想是实现高性能、低油耗和优异的排放性能。然而,由于技术路线的选择和新技术的融合难度,发动机技术的革新变得越来越困难。目前主流的发动机技术包括全铝发动机、集成排气歧管、变排量机油泵、DVVT、低惯量涡轮增压、电子废气放气阀、集成中冷器、CVVL、可变长度进气歧管、双喷射系统、EGR系统、电子水泵、停缸等。这些技术的应用使得发动机结构更加复杂,技术含量更高,但同时也为发动机性能的提升提供了更多可能性。以日系、欧系、美系车企的2.0T大排量发动机为例,我们可以看到不同车企在新技术应用上的差异。日系车企更倾向于在原有技术上进行升级,对成本要求较为苛刻,而德系和美系车企则更愿意尝试新技术,如涡轮增压、电子水泵、停缸等。在燃烧开发方面,德系和美系车企普遍采用35MPa高压直喷技术,以提高燃油雾化效果和燃烧效率。而日系车企则更倾向于采用GDI+PFI双喷技术,虽然系统复杂,但具有较大的潜力。此外,可变气门正时系统也是各家车企的特色之一,如奥迪的AVS、本田的i-vtec和宝马的Valvetronic等。增压器技术方面,电动放气阀和新材料的应用成为新的发展趋势。电子水泵+电控模块的应用也在逐渐增多,尤其是在混动和48V发动机项目上。轻量化设计也是发动机技术发展的重要方向,如全铝结构、集成排气歧管、塑料凸轮轴罩盖等。总的来说,虽然发动机技术发展面临诸多挑战,但各大车企仍在不断探索新技术的应用和融合,以实现更高性能、更低油耗和更优异的排放性能。未来,随着技术的不断进步和创新,我们有理由相信发动机技术将取得更大的突破。目前主流发动机的效率已经达到了相当高的水平,但进一步提高的难点主要在于成本、油耗和法规等多方面的挑战。各大车企在发动机开发上的核心思想是实现高性能、低油耗和优异的排放性能。然而,由于技术路线的选择和新技术的融合难度,发动机技术的革新变得越来越困难。目前主流的发动机技术包括全铝发动机、集成排气歧管、变排量机油泵、DVVT、低惯量涡轮增压、电子废气放气阀、集成中冷器、CVVL、可变长度进气歧管、双喷射系统、EGR系统、电子水泵、停缸等。这些技术的应用使得发动机结构更加复杂,技术含量更高,但同时也为发动机性能的提升提供了更多可能性。以日系、欧系、美系车企的2.0T大排量发动机为例,我们可以看到不同车企在新技术应用上的差异。日系车企更倾向于在原有技术上进行升级,对成本要求较为苛刻,而德系和美系车企则更愿意尝试新技术,如涡轮增压、电子水泵、停缸等。在燃烧开发方面,德系和美系车企普遍采用35MPa高压直喷技术,以提高燃油雾化效果和燃烧效率。而日系车企则更倾向于采用GDI+PFI双喷技术,虽然系统复杂,但具有较大的潜力。此外,可变气门正时系统也是各家车企的特色之一,如奥迪的AVS、本田的i-vtec和宝马的Valvetronic等。增压器技术方面,电动放气阀和新材料的应用成为新的发展趋势。电子水泵+电控模块的应用也在逐渐增多,尤其是在混动和48V发动机项目上。轻量化设计也是发动机技术发展的重要方向,如全铝结构、集成排气歧管、塑料凸轮轴罩盖等。总的来说,虽然发动机技术发展面临诸多挑战,但各大车企仍在不断探索新技术的应用和融合,以实现更高性能、更低油耗和更优异的排放性能。未来,随着技术的不断进步和创新,我们有理由相信发动机技术将取得更大的突破。

其实发动机技术发展到了今天,受限于成本、油耗、法规,已经很难出现一款特别革新的产品,各家主机厂的产品都纷纷做了技术加成,高性能、油耗低、排放优异,成了各家发动机开发的核心思想。对车企来说,已经没有必要在非主流的道路上一直坚持,类似日企不加涡轮增压都付出了自己的代价,所以关键在于你对技术路线的选择,甚至新技术要产生化学反应。

就像9块钱选球员一样,主机厂的工程师们对新技术也在做着各种加减。那么有哪些新发动机技术需要工程师们精挑细选,使最终总价不超过“9块钱”呢?

我们先来看看当下主流的发动机技术:

全铝发动机、集成排气歧管、变排量机油泵、DVVT、低惯量涡轮增压及电子废气放气阀、集成中冷器、CVVL、可变长度进气歧管、双喷射系统,EGR系统、电子水泵、停缸等等。

发动机的结构复杂,技术含量高,越来越多的新技术又逐渐成熟,各个主机厂选择的也更加宽泛。

今天我们先以日系、欧系、美系车企的发动机为例,聊聊发动机新技术应用。这里主要以大排量2.0T发动机为例,因为对于车企来讲,小排量发动机更注重油耗和经济性,同时受限于成本要求,一般以A级别车辆为主;而2.0T大排量发动机更注重性能,同时车企在研发上不吝投入,基本上款款都是各家车企的拳头产品。

先放一张我自制的美日欧主流发动机技术应用汇总表:

限于资源有限,大致做了一张对比图,实际上还有很多新的国六机型还没有露面,后续会有很多新的技术露出。可以看的出来,在燃烧系统中,日系还是相当自信,觉得自己燃烧开发做的好,宁愿做低压的双喷,也不愿加高压,这一点和当年不愿意加增压器一样执着。但是他们也有自己的亮点,类似于日产,加了可变压缩比,系统做的更加复杂,输出选择性很强,但是太过复杂,不利于耐久,不知道会不会出现如本田全系1.5T机油增多这类技术问题。美系主要以凯家最新的2.0T可变缸增压发动机为例子,增加了停缸和电子水泵系统,这两个新技术对油耗表现和性能帮助应该会很大。

再放一张这几款发动机主要参数的对比表:

这几年随着法规的步步紧逼,各大主机厂都舍得花成本在发动机新技术应用上,所以我们可以有一个基本的判断依据,即:

对于主流车厂,全新开发的发动机一定是其极具代表性的新技术。

在发动机开发上,日系更喜欢在原有技术上升级,在全新技术的选择上相对保守,同时对成本要求特别苛刻,喜欢用混合喷射(歧管喷射+缸内喷射)、双循环(阿特金森+奥拓循环)、还有EGR也是日系使用更多。德系、美系相对来讲更喜欢新技术的应用,类似涡轮增压的普及,电子水泵、停缸、高压油泵(350Bar),对于新技术愿意尝试。

但总体上讲,无论日系还是欧美系,对于一些主流的技术,全铝缸体缸盖,可变机油泵,集成排气歧管、电子废气放气阀等等技术,大家都会主动去应用,下面我主要在发动机的几个有代表性的系统来介绍和比较。

燃烧开发

1、35MPa直喷高压油泵orGDI+PFI双喷技术

德系、美系基本都是采用高压直喷技术,直喷压力从原来主流的20MPa升级到35MPa,高压喷射让燃油雾化效果更好,燃烧开发上有个索特平均值SMD,用来表示油粒粒径大小的值,SMD越小代表油粒越细。研究表明20MPa油粒的SMD大概在10μm,35MPa下油粒SMD能够做到6-7μm,油粒越小,燃烧越充分,转为为机械能也会更多,同时能够带来更好的尾气排放,通用全新2.0T可变缸涡轮增压发动机的35MPa推得比较早,相信后面会有越来越多的车企应用。

日系丰田、本田、日产等等基本都是采用GDI+PFI双喷技术,喷油压力一般在20MPa左右,双喷技术在低速、怠速、低负荷下,主要采用气道喷射,中负荷两套系统协同工作,高负荷下完全采用GDI喷射,正如前面所讲,这套系统太过复杂,低压的气道喷射通过油箱的燃油泵直接喷射,相对高压的GDI喷射通过发动机的高压油泵来实现。没法直接比较到底哪种技术更好,但是双喷技术潜力到底有多少,这个是值得思考的,或许时间会给我们答案。

2、可变气门正时系统

这个技术可以说各家都有特色,先以奥迪的AVS举例

在进气测,凸轮轴上安装沟槽套筒,AVS通过电磁驱动器控制滑块的移动,在凸轮轴位置变化的情况下,使得气门有大小两个升程,高负荷下大升程,性能更好,低负荷下小升程更省油。本田的i-vtec也是采用这个机理,但是实现的方式不同,通过分离式的摇臂来改变气门开闭。

宝马的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴,一个步进电机和中间推杆等部件,该系统借由步进电机的旋转,再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小,在电子控制的条件下,进气门的升程可以实现从0.18mm到9.9mm之间的无级变化,他这个技术由于升程变化更为精准,从理论上讲对性能、油耗会有更好的帮助。

通用的全新2.0T发动机采用的气门升程技术结构上和奥迪的AVS比较相似,但是做了升级,在原基础的凸轮轴滑套上增加了模块,原有的两级可变升级为三级可变,使得气门还有一种一直关闭的状态(2,3缸),也就出现了新的工况,一种听上去很炫的技术,发动机停缸技术。停缸情况下,2,3缸进排气门都关闭,不喷油,不点火,一般是在高速低负荷的情况下使用,对油耗帮忙特别大,NVH做好的情况下,停缸基本不会有抖动等异常感觉。不同于普通的可变气门正时技术,停缸工况下,对进排气门都要控制,增加了电磁阀控制,对布置,耐久又有新的要求,所以这套系统设计相对复杂,集成度高,属于业内领先。

从这个系统上来看,虽然各系车企各有不同,但是趋同性很强,可变,多变成为主流的方向,以欧美系大胆的应用停缸技术为主要的区别。

3、增压器

增压器的技术从结构上讲,是日趋成熟,近些年主要是在电气化和材料上升级。

增加电动放气阀算是一个新技术趋势,也叫增压器废气控制阀,就是通过电控阀来调节增压器的增压压力,和原有的气动执行器相比,对工况点的检测响应更快,效率更高,据一些增压器供应商的介绍,对小排量的发动机能够带来4%的油耗收益。这套技术90%的车企都在做,要么已经推出,要么在推出的路上,这个是没有争议的大方向。

增压器的蜗壳改良了材料,新的不锈钢耐高温能力更强,这个是新的主流,主要是为了应对高负荷下喷油过浓带来的排温升高的问题。

其实增压器这个技术,比较特殊,几乎都是几家主流供应商的产品,硬件上肯定是更新的产品更有竞争力,整车厂需要做好匹配和标定,发挥它最佳的使用效果,这个需要看各家主机厂的功力了。

冷却系统开发

电子水泵+电控模块

传统发动机是通过皮带驱动机械水泵工作,宝马是第一家把电子水泵应用到量产(N52发动机,2005年)车上的,据称当时能节省2km的能耗。

电子水泵不再使用皮带驱动

电子水泵在混动和48V发动机项目上运用较多,在纯燃油车上用的较少,主要是宝马、奔驰、奥迪福特几家车企在用,相比原有的机械水泵,电子水泵价格更贵,系统更加复杂同时对标定策略要求更高。不过这个技术是大趋势,日系发动机也在做应用,估计会在后续的发动机产品上出现。

相较于早些年的电子水泵,现在这个技术往往不是单独使用的,比如凯家这款可变缸发动机,这套系统会更加复杂,在电子水泵+电动球阀控制模块(出水系统的控制)的基础上,会配合SplitCooling+TMM的技术结合,SplitCooling是把缸体缸盖的冷却系统分离,TMM是一种球阀控制出水系统,几项技术结合后,能够做到,发动机哪里温度过热,冷却水扩大流量快速冷却,可以说响应快,检测更智能。

轻量化设计

为了发动机的轻量化各家车企可谓无所不用其极,因为轻量化是对降油耗最简单直接的方法,可以直接反馈到油耗上。

目前发动机轻量化设计主要有这些:缸体缸盖全铝结构,缸盖集成了排气歧管(减重效果非常突出)

更有特色的,类似日企有使用塑料凸轮轴罩盖的,通用用了高分子材料油底壳,这一点很有特色。有的人可能会担心塑料产品会不会有风险,实际上对于任何一家成熟的车企,他敢于大胆的运用到量产车上,一定是做了充分的耐久考核。

总结一下

发动机技术发展到了今天,仍然有很多新技术在不停的涌现。可以看到即便有流派之别,但是在很多大方的选择上是有趋同性的,在新技术的应用,更替,进化上,有些车企保守,有些车企大胆,但都是为了更具竞争力的发动机产品服务的。

对于一款好的发动机,我们能看到的是优秀的数据(油耗、性能参数),新技术集成度更高、电气化程度越来越好,我们看不到的是车企在背后做的各种控制集成策略、对各种新技术的匹配性设计,为耐久策略做的严苛的考核,而后者可能更影响着发动机的技术提高。

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