雖然各種新興車企以及電動車擁躉都在唱衰燃油車,但是各大主流車企仍然沒有放棄內燃機的開發,筆者這裡就給讀者介紹一下幾台具有代表性的發動機,他們可以認為是代表了當前汽油發動機領域的最高水平。
這些發動機各有特色,就讓筆者一一道來。
首先筆者把本田的1.5T發動機作為基準,這台發動機最早是從2015年開始量產並裝在第十代思域上。這台發動機在面世的時候,最值得稱道的就是其高達38%熱效率的渦輪增壓發動機。然而這並非該發動機唯一的優點。
我們從下面這副本田公開的BSFC對比圖就可以看出,相比本田的1.8升自然吸氣發動機,1.5T發動機極大的擴展了高效率的範圍。比如將BSFC值240g/kwh以下的轉速範圍從原來的1800轉到2500轉擴大到了從1250轉到4000轉以上。扭矩範圍從85到110NM擴張到了60到180NM。實際上這也是小排量渦輪增壓的重要優勢。我們甚至可以把這一發動機和2015年豐田公布的A25A這台最高熱效率達到40%的發動機做對比。
我們根據本田發動機在220g/kwh的地方獲得38%熱效率可以推導出在240g/kwh的地方熱效率為34.8%,而豐田這台發動機在熱效率接近34.8%的地方,也就是圖上35%所對應的紅線處,扭矩要高達80NM以上才能達到。
筆者做一個表格來對比。
從這個表格對比我們可以看出小排量的渦輪增壓發動機有個挺大的優勢,就是能把高效率區間儘可能擴展到低扭範圍。
上面介紹了大家熟知的兩台發動機,接下來我們介紹一台來自大眾集團的EA211 EVO 1.5T發動機。這台發動機最早在2016年大眾就在第37界維也納國際汽車研討會上提出了,而且該發動機有兩個版本,一個是96KW,一個是110KW,他們具體的參數見如下表格所示。
大眾宣傳這台1.5T的EA211 EVO,尤其是96KW版本的,使用了各種技術力求高效率。按照大眾的說法,有渦輪增壓發動機裡面少有的高達12.5的壓縮比(注意本田的1.5T發動機也才10.5),還使用了米勒循環技術,也就是豐田本田常說的阿特金森循環,通過晚關閉進氣門,讓實際壓縮比小於實際膨脹比,還使用了高達350bar的燃油直噴技術(當前EA888和豐田2.0T直噴壓力都是200bar),還有VTG可變截面渦輪技術(對渦輪材料要求非常高)以及停缸技術(想像一下四缸機還要停掉兩缸,變成兩缸),還要使用特別優化的0W20機油(W後面數字越小意味著機油粘度越低,大眾車用5W30的機油居多)。
在運用了這麼多技術之後,最終得出了非常理想的效率。注意這一效率並非是最大熱效率,因為最大只有37.5%,而是在很大範圍之內都實現了較高的熱效率。從如下BSFC圖可以看出來。
這幅圖就是大眾EA211 EVO 1.5T發動機的BSFC圖,在222g/KWH的地方達到了熱效率37.5%。而在發動機轉速較低的3500轉到1000轉區間,BSFC值都在300以內,也就是熱效率在27.75%以上。而這台發動機最值得稱道的就是在最大扭矩平台所在的2250轉區間一直到5500轉的最大功率區間,都能達到240以下的BSFC值,也就是熱效率在34.69%以上。
這也就意味著當駕駛這台發動機的時候,猛踩油門的激烈駕駛也是非常省油的狀態。
我們如果再把上面的對比表格加上這台大眾的EA211 EVO,就得到如下情況
實際上如果只看60NM左右的地方,可能EA211 EVO的優勢還不夠大,如果我們看扭矩24NM和轉速2000的地方。就會發現EA211 1.5T EVO優勢更大了。
這裡24NM就是圖上縱軸2bar的地方。
同樣筆者針對24NM,2000轉做了一個對比表格
綜合上面兩個個表格里可以看出大眾非常厲害的地方在於扭矩非常低的地方仍然能達到較高的熱效率,同時在扭矩達到200NM的地方也達到了很高的熱效率,這一點要比本田的1.5T要強不少。
為什麼這台發動機能有這麼好的熱效率,筆者認為這和其兩個重要的技術有關,在低扭區域,最大得益於其閉缸技術,降低了低負荷下的燃料消耗,閉缸技術對低負荷的效果是在美國能源部的一個研究報告中得到了證實的,報告名稱為《Future Atkinson engine with cooled EGR and cylinder deactivation》具體可以參考如下圖。
這個BSFC圖說的很清楚,在使用了閉缸技術之後,在扭矩從0到100NM,轉速從1000到3000的地方,有了一個巨大的BSFC曲線凹陷。將原本要到100NM以上才能達到的220g/kwh移到了大約70NM的地方。為了看清楚一點,這裡放大這一區域了給讀者看。
然後在大約25NM的地方,達到了272g/kwh左右的BSFC值。這和大眾的EVO211 1.5T非常接近了。
這台發動機從2017年開始就已經裝在了歐洲的高爾夫上,國內據說要在2022年國產。應該對解決大眾汽車的燃油積分有很大幫助。
不過這只是第一個發動機,接下來筆者要介紹的就是豐田的A25B發動機,也就是那台放在混動凱美瑞上的熱效率達到41%的發動機。
豐田並未以英文形式介紹這台發動機的各種參數,筆者有幸找到了這台發動機的BSFC圖,這絕對是一台令人驚異的發動機,其熱效率高效範圍遠超筆者想像。
如上圖所示,左邊的是A25A,也就是普通汽油版,最大熱效率40%的發動機,右邊就是A25B,用在混動凱美瑞上的那台41%熱效率發動機。
這台發動機最讓筆者覺得厲害的地方就是其低轉低扭區域的熱效率,如果我們把AB和大眾的EA211 EVO 1.5T做個低輸出點表格對比,就會發現情況如下:
在低轉低扭區域一台大排量自吸發動機居然熱效率遠高於小排量渦輪增壓發動機。
同樣在高輸出區域,以大眾的最大扭矩200NM為例
EA211 EVO 1.5T只能達到240g/kwh,也就是摺合不到35%的熱效率,達到這一效率需要2200轉。
而豐田A25B則在200NM的時候,從1500轉開始就達到了35%的熱效率,隨後隨著轉速的提升,熱效率在200NM@2200轉處可以達到38%,直到3000轉才回到37%。
A25B發動機無論在最大熱效率41%還是在高效範圍上,用黑科技形容也絲毫不為過。
雖然這台發動機最大功率只有178馬力,筆者諮詢過豐田中國工程師,也是可以作為純燃油車發動機使用的。
目前為止,豐田並未透露A25B用了哪些特別的技術實現這一驚人效率。可以明確的是,豐田並未在這台發動機上使用特別複雜的技術,沒有閉缸技術,沒有提到高達350bar的燃油噴射,也沒有可變截面渦輪等等。
說完了上述兩款有著驚人熱效率區間的發動機,筆者還要介紹一下之前日產發布的可變壓縮比發動機。本文只專注於其BSFC圖進行比較,實際使用中該發動機的效果如何則建議參考美國EPA的油耗數據以及用戶油耗統計數據。
筆者在一個日文網站上,找到了日產VCR發動機的BSFC圖。這幅圖很明確的顯示了,這一發動機最大熱效率也就230g/KWH,不了解其使用燃料的熱值,但是根據一般汽油的熱值,最大熱效率不會高於38%。
也正好印證了馬自達第一代創馳藍天發動機壓縮比達到14,之後經過美國能源部測試得到的數據也是最大熱效率38%左右。
正好筆者曾經介紹過EA888發動機的BSFC圖。如下圖所示。
我們也可以以表格形式比較一下幾個低轉低扭區間的BSFC值。注意筆者這裡不拿EA888 G3B做比較,原因在於EA888 Gen3B大幅降低了動力輸出。而EA888 Gen3 則有著至少250馬力以上的輸出,和日產VCT發動機的輸出接近。
從上面這張表的對比可以看出,日產可變壓縮比的VCT發動機在低扭低轉區間有著明顯比大眾EA888更好的燃油效率。但是在高輸出部分,比如發動機到4000轉扭矩達到250NM以上,則明顯的不如EA888。
所以通過這種機械結構改變物理壓縮比的發動機實際效果如何,目前還不能立刻下結論。而且我們所知道的兩田的發動機最高熱效率都達到或者接近了41%,加上混合動力的輔助,能確保發動機始終工作在最為高效的區間。這一技術方案已經通過用戶實際體驗得到了證明。
這更加給單純依靠發動機機械結構改進的方案蒙上了陰影。
考慮到現在搭載這台發動機的車型仍然不多,實際油耗樣本仍然不夠,筆者暫時保留對其效果的評論。
以上可以認為是目前汽油發動機界最為頂尖的產品,他們要麼有著巨大的高效率區間,要麼能兼顧低動力時候的熱效率以及高動力時候的輸出水平。筆者堅定的認為內燃機還大有潛力可挖,無論是提升最大效率,還是配合電機優化效率區間,都給了內燃機無窮的前景。讓我們向卡諾循環的極限進軍。
ICE NEVER DIE!