发动机技术的协同效益

访福特汽车公司动力总成系统工程部副总裁Joe Bakaj先生

作者:JIM MCCRAW 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2012-04-17
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对于发动机技术,无论获得大奖的TwinAir发动机中的MultiAir配气技术,还是EcoBoost发动机的直喷技术和增压技术等,对于提高发动机效率都很有效,但一切取决于它们最终创造的价值与为其所投入的费用之比,我们必须找到它们的协同效益.

对于发动机技术,无论获得大奖的TwinAir发动机中的MultiAir配气技术,还是EcoBoost发动机的直喷技术和增压技术等,对于提高发动机效率都很有效,但一切取决于它们最终创造的价值与为其所投入的费用之比,我们必须找到它们的协同效益。

在过去的工作经历中,Joe Bakaj先生见证了汽车动力总成系统的发展过程,现在,作为福特汽车公司动力总成系统工程部的副总裁,他帮助福特汽车公司在全球各大汽车市场建立了完整的发动机产品体系,因此,他对发动机技术和市场都非常了解,他预测说:“到2020年,大部分汽车制造商的发动机都将采用更先进成熟的增压技术。当然,我们在混合动力汽车中使用的那些发动机不需要增压系统,但我相信,那时候甚至更远的时期内,大部分汽车还将使用传统的发动机,因此,我们必须在传统发动机上继续潜心研究。”

值得自豪的EcoBoost发动机

在美国本土,福特汽车公司一直是小型增压发动机的领头羊,为很多客户提供了多款发动机。

Joe Bakaj先生为其团队不断取得的成果而倍感自豪。据报道,在2011年4月,光是他们的ETi发动机就打破了销售纪录,到了2011年11月,他们研发的福特历史上最小的、排量为1L的三缸EcoBoost发动机一经投产,就受到了市场的欢迎。这款小型发动机采用了燃油高压直喷、先进涡轮增压器和双独立可变气门正时系统等先进技术,燃油经济性得到大幅提升,而排放水平也得以降低,驾驶者在享受高动力输出的同时,也可以享受到小排量发动机体积小、重量轻和油耗低的好处。

虽然这类小型发动机主要针对欧洲市场,但最终将也会在北美市场得到应用,至少将成为北美市场的一种主流产品。“这种小排量发动机不适合在大型汽车中使用,但在我们小型汽车产品范围中,它将作为主流发动机被广泛使用,而不是作为一种短暂的里程碑式发动机,因为这种小型发动机能够达到客户在大型发动机中得到的性能水平,比如以往我们所使用的传统的1.6 L发动机,其功率为125hp(约93kW),现在,这款排量为1 L的直喷增压三缸发动机也已经能够达到同样的功率水平,表现相当出色。”Joe Bakaj先生自豪地说。


图1 即将上市的B-Max车型将会采用最新的EcoBoost发动机,今后,该系列的小型化发动机将为福特汽车公司的很多车型提供动力

福特汽车公司位于英国Dunton的技术中心的工程师们研发出的这款三缸DI EcoBoost发动机采用了从德国大陆公司引进的高性能涡轮增压器,其结构小巧,式样新颖。大陆公司的这种增压器的涡轮具有极快的反应速度,转速接近250000r/min,这在实际运行中使得涡轮不会发生迟滞现象。新技术的采用使该发动机的峰值转矩达170Nm,在118hp(88kW)时的转速为1300~4500r/min。

据悉,另外一款同系列的98hp(73kW)的发动机也即将诞生于此,这款发动机也有一套独特设计的排气歧管系统,铸造在气缸盖之中,可以降低发动机的排气温度,这反过来又能够使发动机在一个更宽的转速范围内以最佳的空燃比运行。

搭载该系列发动机的第一款车型将会备受瞩目,因为它将从最新的EcoBoost发动机及其增压器中获益——驾乘性能有着出色的表现,这款车应该是全新一代的福克斯车型,之后,值得期待的也许将是即将上市的C-Max和B-Max车型等。

发动机的小型化

DI EcoBoost是福特汽车公司朝着发动机小型化的方向而努力的最新成果,而且他们前进的步伐还将继续。“虽然欧洲一直引领着发动机小型化的发展趋势,但美国的未来排放法规要求及燃油效率问题必然也将对大排量的V型发动机产生重要的影响,现在和未来,美国的发动机小型化也是必然的方向。”Joe Bakaj先生说。“我认为我们很快就能够看到发动机向小型化方向的较快进展,并且我们将能看到发动机从8缸向6缸、从6缸向4缸,甚至从4缸向3缸的转变,尽管我还不能确定,究竟何时能够看到那些大型发动机寿终正寝。”


图2 目前福特汽车公司最小的动力系统是排量为1 L的三缸发动机,配有大陆公司提供的涡轮增压器

不过他也指出,总有一些应用领域,例如像福特野马汽车和超级重型货车之类的商用汽车中需要使用V8发动机,因为这些领域需要那些大排量的发动机来完成工作任务和满足其有效负荷的需要。虽然汽车的重量将逐渐降低,但其有效负荷不会减少,最终提供给客户的发动机必须能够满足工作负荷的要求。

“对于我们来说,将EcoBoost发动机及涡轮增压器的尺寸缩小到一定的程度是一项富有竞争性的技术,因为除了设计、燃效和排放等方面的挑战,还要减少油泵的损耗。”Joe Bakaj先生说。如果减少其尺寸,也就降低了油泵的损耗;如果采用涡轮增压器,将会进一步降低油泵的损耗。如果所运行的是比较宽广的开放式油门或部分开放式油门,很显然,油门的开放量越大,油泵所承受的损耗量就越少。

“当我们考察下一代技术时,甚至应进一步通过使用低压和高压EGR来考察油泵损耗,即使在部分开放式油门的情况下,我们也将尽可能保持油门的开放量,但我们不会加入大量的空气。我们将采用另外的方式加入空气和排出废气,以降低油泵的损耗。也许我们可以采用其他先进的技术,例如均质混合气压燃技术(HCCI),使发动机同样非常平稳地运行。如果成熟掌握其核心技术,HCCI发动机能够像柴油发动机那样运行,油门始终处于宽大的开放状态,发动机功率可以通过加入发动机中的燃油量来进行控制。” Joe Bakaj先生说。

虽然福特汽车公司已将一部分动力系统的未来寄托在较小排量的涡轮增压和双增压发动机上,以实现其全球性的EcoBoost生产计划,但Joe Bakaj先生也很清楚,还有些很好的其他技术可以采用,但不一定非常必要,例如针对较大排量的V6和V8发动机的“闭缸技术”。实际上已经有几家汽车厂商在这项技术方面投入了研究,最近,奥迪公司与宾利公司也成立了一个团队,共同为全新的4 L TFSI V8发动机开发这一技术。

对于这项“闭缸技术”,Joe Bakaj先生坦言他们只是将其看作是另一个技术选项,因为它的应用必然会大幅增加产品的成本,增加设计和制造工程的复杂性。他们更希望以最低的成本和最低的复杂性为大多数客户谋求最大的利益。


图3 尽管EcoBoost发动机令人自豪,但大排量的V型发动机仍然在某些领域发挥着重要作用,例如,野马Mustang Boss 302汽车可通过其大型5 L DOHC V8发动机获得444 hp(331 kW)的强大功率

增压问题和协同效益

在讨论增压技术的时候,因为在技术性能上有着很高的期望,因此,Joe Bakaj先生表现出了对目前增压技术的些许无奈:“增压技术给我们带来了非常大的性能提升,不过,目前它本身仍有继续提升的空间,这里的问题是能量损耗太高,因此我们仍然需要与供应商一起继续努力,进一步发展和优化增压技术。但从我最近看到的统计数字表明,即使脱离了离合器,增压器仍存在约7%的能量损耗,因为皮带张紧力需要保持非常高的水平,以便将转矩传送到增压器之中。当增压器参与工作时,7%的能量损耗对于小排量的发动机来说是一个很大的数字,汽车在实际路况行驶中,这个数字也许会更大,因此,我们需要在研发方面投入更多的精力加快对增压技术的优化和改进。”

也许吸引Joe Bakaj先生眼球的是另一项颇具竞争性的技术——获得大奖的菲亚特TwinAir发动机中的MultiAir配气技术。该技术也已被阿尔法公司使用,而且也将被推广应用到克莱斯勒汽车中。这是一个具备可变气门升程以及可变气门正时的配气系统,它通过改变气门升程来控制进气量,降低油泵损耗。“对于直喷技术来说,我认为MultiAir配气技术是一项非常具有竞争力的技术,它是菲亚特的在发动机技术方面取得重要进展的一个新的里程碑。不过,尽管如此,我们当然也不会跟着他们的脚步前进,因为我们还是会坚定不移地走我们自己的道路,那就是——采用直喷技术的EcoBoost发动机。实际上,这两项技术都很有效,但一切取决于它们最终创造的价值与为其所投入的费用之比,我们必须找到它们的协同效益。我们认为,与可变气门升程技术相比,我们的EcoBoost发动机可以从直喷技术中获得更高的协同效益。”Joe Bakaj先生说。

未来将会怎样?

先撇开下一代汽油发动机不谈,对于福特汽车公司即将推出的搭载柴油发动机的汽车,Joe Bakaj先生似乎提不起太多的兴趣。“从本质上来说,其价格很高,如果再加上废气后处理系统的费用,其价格和使用成本都要高于采用EcoBoost汽油发动机的汽车,”他说,“美国与欧洲的最大不同之处在于:在美国的加油站,柴油的价格高于汽油,而在欧洲却是另外一种情况,那里的燃油补贴和税收政策使柴油更具吸引力。因此,在美国,我们认为目前搭载EcoBoot汽油发动机的汽车应该是客户更明智的选择。将来,也许美国的柴油发动机汽车市场将会出现小幅度增长的趋势,但在达到某一点时,可能就会变成一种情绪化的购置,之后便会出现一种长期稳定的合理化的购置趋势。在欧洲,一旦超越了欧VI和欧VII排放标准——大约在2015年,我们将以我们的全球计划达到这样一个水平:我们的柴油发动机将能够满足美国更严格的法规要求,这个时候,除了汽油机,我们可能还有选择余地。但我确实认为,美国需要对柴油税收和供给方式作一些改革,以便使其能够给客户带来更多的价值和利益。”

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