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发动机也可以“变魔术”?看凯迪拉克怎么诠释“兼得”的魅力

2018-11-09 那角落 >>飞灵汽车

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纵观汽车发展历史,人类对于动力源的探究一直在继续,但是,从19世界中叶热转化机械动力的理论提出,到1876年科学家奥托创制成功第一台往复活塞式内燃机,汽车发动机的样子基本已经定型,并且一直延续到现在。


形式的延续,并不代表技术的一尘不变,背后蕴含着理念的转变,现在的主流四缸发动机,动力早就超越了过去8缸甚至10缸发动机,而且油耗还低。工程师们用一项项创新,颠覆着传统观念里更大的动力需要更多燃油的理论,朝着大马力发动机也可以更省油的理念前行,那么,这个看似“冲突”的理念背后,有着怎样的技术支撑呢?恰巧,前不久刚刚上市的凯迪拉克XT4凭借着全新2.0T可变缸涡轮增压发动机,很好地诠释了这个理念。2.0升的排量,压榨了177千瓦,百公里综合油耗却仅有7.2升,而且还满足最新的国6排放。它是怎么做到这些的呢?让我们来一探究竟。


单缸最优理念,带来了高效表现

提到凯迪拉克XT4搭载的这台全新2.0T可变缸涡轮增压发动机,就不得不从它的设计理念来说起。别看每台发动机的排量都相同,但是数据表现却千差万别,这就是发动机内部的秘密。缸径的大小,升程,活塞的设计,燃烧室的形状,气门开度与点火的时间,等等一系列的精确设计,最后就会反映在发动机的各个地方,复杂而又繁琐。于是乎,通用的工程师整合全球优势资源,基于行业内领先的单缸最优理念,既按照整车需求和客户需求为车辆设定尺寸最匹配的发动机,在单缸效率最优设计基础上,通过不同数量的气缸组合,使车辆达到最佳性能表现。根据数据来看,单缸的排量在0.33L到0.5L时,燃烧热效率最高,这样就可以根据搭载车辆的特点,来选择由多少个气缸来组合,使得每个气缸都达到最高的燃烧效率,因此XT4上搭载的这台全新2.0T可变缸涡轮增压发动机,每个缸都是0.5L的排量。


各项先进技术加持,“兼得”也能百变为现实

有了这个设计理念做指导,那么剩下的事就是如何来实现“更大马与更低油耗”这个“鱼与熊掌兼得”的理想了。


首先是如何实现更大动力的问题。虽然直喷技术不是什么新鲜事物,但是由于受到喷油轨设计强度与材料的限制,还有喷油口精度的问题,一般在喷射压力上不太容易有突破,这也限制了燃烧时每个气缸的输出压力。与常规的直喷系统不同,这台全新2.0T可变缸涡轮增压发动机配备了35MPa高压直喷系统,相比主流发动机20MPa的喷射压力,大大提高了单次喷射进入气缸的燃料,使得雾化效果更好,燃烧热效率更高。为此,油轨的壁厚与材料都作了升级,还使用了最新的激光打孔技术,提高了喷油嘴的精度,保证了可靠性,这也是这台发动机能够有177千瓦最大功率的原因之一。

提高了动力,下面就是怎样降低油耗,这台发动机之所以称为可变缸涡轮增压发动机,就是因为它搭载了一套Tripower可变气门管理技术,通过三段式凸轮轴的巧妙设计,ECU控制单元可以根据实际驾驶情况控制气门的开启状态与开闭状态,这样以来,它就可以让一台发动机在不同工况下有三种不同的模式:深踩油门加速时,发动机进入“四缸高性能模式”,此时动力响应更快,输出更澎湃;在城市道路中低速行驶时,发动机进入“四缸经济模式”,动力输出既能满足城市工况下的需求,又能比上一代发动机节油约5%;高档位小油门稳速行驶时,发动机进入“两缸超经济模式”,此时发动机会自动关闭两个气缸,杜绝了不必要的燃油浪费。


有了更加智能的工况选择,但是在诸如冷启动,没有暖机的情况下,燃油经济性还是会受到很大影响,怎样使得发动机尽可能工作在最佳温度区间呢?通用的工程师给出了一套ATM主动热管理系统的解决方案。这套技术方案的最大亮点就在“主动”上面,它是由电子水泵+电控球阀模块组成,可以直接通过“大脑”ECU来控制水泵的转速与球阀的开度,也就意味着,每时每刻,通过发动机的工作温度,可以进行连续精确调节,实现快速暖机,机油加热,停机冷却的功能。


此外,还有一个让涡轮增压发动机“头疼”的问题:放气阀的压力控制,在这台发动机上也很好的得到了解决。众所周知,在涡轮工作的时候,会建立很高的压力,但是在低速的情况下,往往很难快速建立压力,这时候就需要控制放气阀,而且如何控制连续变化的压力,是一个较难解决的问题。面对这个难点,通用的工程师为这台发动机上配备了电动放气阀涡轮增压器,由ECU统一控制,可以实现连续精确的调节。在不同的工况下,可以通过放气阀的精确开闭,迅速建立压力,改善油耗,性能上兼顾低速高扭矩和高速大功率。


考虑了动力输出,考虑了降低油耗,剩下还有最重要的一点就是怎样改善排放。确实,在全球节能减排的大背景下,如何应对苛刻的排放法规,是一台优秀的发动机必须要面对的挑战。我们都知道,内燃机的排放主要是CO(一氧化碳)、HC+NOx(碳氢化合物和氮氧化物)、PM(微粒,碳烟)等有害气体含量。而由于燃油具有很强的挥发性,因此汽车上都会有一个碳罐装置,碳罐一般装在汽油箱和发动机之间,在常温下燃油箱经常充满蒸气,燃料蒸发排放控制系统的作用是将蒸气引入燃烧并防止挥发到大气中,这个过程起重要作用的是活性碳罐贮存装置。但是即便如此,在不同的工况下,碳管的能力也是有限,很难在全部时候都进行吸附。为了解决这个问题,通用的工程师在这台发动机上又进行了创新,采用了智能主动电控碳罐泵。首次应用电子泵,利用高转速的特点,加上自润滑的特性,直接由ECU来控制,实现汽油蒸汽由传统的被动脱附升级为主动脱附,燃油蒸发幅度降低了67%,同时,电脑还可以根据压差来制定诊断系统,进行智能诊断,轻松满足国六及全球最严厉的加州蒸发排放法规要求。


高度集成化,重量更轻,耐久更强

轻量化作为汽车设计的一个永恒话题,一直以来都是一个追求平衡的过程,重量更轻,强度更高,才能进一步的带来燃油经济性等方面的优势。通用在这台全新2.0T可变缸涡轮增压发动机上也动了很大的“手脚”。首先是最新高压铸造的铝合金刚体,经过缸体结构与壁厚的优化,重量减轻了21%。而排气歧管与全铝缸盖的集成,使得整机布置更加紧凑,重量也减轻1到2公斤。在强度方面,龙门式缸体结构,集成度更好,能承受较大的机械负荷。油底壳也采用了复合材料,韧性与强度方面都得到了不小的提升。


总结:

作为通用汽车第八代Ecotec发动机系列的代表之作,凯迪拉克XT4搭载的这台2.0T可变缸涡轮增压发动机整合了全球优势资源,荟萃先进驱动科技,在保持强劲动力的同时,提升了燃油经济性,减小了污染物排放,完成了一系列“兼得”的任务,引领了现代发动机设计的新趋势。同时,作为首个搭载该全新系列发动机的重磅车型,凯迪拉克XT4也将为消费者带来“更性能、更节能、更智能、更环保”的产品优势。


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