油價(jià)在繼續(xù)飚升，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)似乎要承擔(dān)起一切的責(zé)任，但作為最傳統(tǒng)、運(yùn)用最廣泛的內(nèi)燃機(jī)，它也一直在通過各種新技術(shù)的應(yīng)用來提高效率。更省油卻能釋放出更高的功率是汽車生產(chǎn)商共同努力的方向。
近幾年汽車發(fā)展所面臨的問題，主要是油價(jià)的攀升和日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。所以生產(chǎn)商不得不加大在動(dòng)力開發(fā)上的投資，這包括短期替代的油電混合動(dòng)力和長(zhǎng)期發(fā)展的燃料電池等等。不過，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)已有近百年的歷史，短時(shí)間內(nèi)仍有不可取代的地位，其實(shí)汽油機(jī)還有著很強(qiáng)的進(jìn)化能力，而高效率與節(jié)能正是進(jìn)化的方向。
就全球的發(fā)展趨勢(shì)來看，雖然乘用車引擎逐漸向燃費(fèi)較低的柴油設(shè)計(jì)靠攏，但新一代的汽油引擎也更加省油，唯一的不利點(diǎn)只是油價(jià)略高而已。不過，如果把柴油車的差價(jià)也計(jì)算進(jìn)去的話，開汽油車的總開銷不見得會(huì)高出多少，所以未來汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)占有率仍然會(huì)高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
首先汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性是高轉(zhuǎn)速大功率，這意味著其具有速度上的優(yōu)勢(shì)，另外較高的后備功率也讓汽油機(jī)可以隨時(shí)隨地的給你十足的“推背感”，這是柴油機(jī)難以達(dá)到的，因此高性能車輛一定得采用汽油機(jī)作為動(dòng)力，此外低轉(zhuǎn)速可產(chǎn)生大扭矩的柴油引擎，在小型車上并無法突顯省油優(yōu)勢(shì)，所以A級(jí)以下的小排量車型也是汽油引擎的擁護(hù)者。
既然汽油引擎依舊是未來市場(chǎng)上的主力，這次我們就來談?wù)動(dòng)心男┬录夹g(shù)讓它有更高的效能。從發(fā)展趨勢(shì)來看，我們可以歸納為輕量化、可變機(jī)構(gòu)控制、電子化、進(jìn)氣增壓四大技術(shù)的運(yùn)用。
材料革命 硅鋁技術(shù)帶來的低摩擦耗損與輕量化
談到輕量化，大家一定會(huì)馬上聯(lián)想到鋁合金缸體的普及化，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)除了是重量輕以外，還有著絕佳的散熱性。不過這里所說的輕量化，主要是活塞、連桿、曲軸這些往復(fù)式機(jī)件使用鍛造品的減重措施，這樣便能減輕運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使反應(yīng)更直接、臨界轉(zhuǎn)速也變得更高，進(jìn)而能發(fā)揮最大的輸出功率，各大汽車商的新一代V8高性能汽油機(jī)便是得利于高轉(zhuǎn)速，平均升功率都達(dá)到了70千瓦以上。
要讓引擎的反應(yīng)輕快、最高轉(zhuǎn)速更高，活塞、連桿、曲軸的輕量化起到關(guān)鍵性作用
同時(shí)有越來越多的高級(jí)車在缸套融入硅鋁技術(shù)，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)有低摩擦、高強(qiáng)度、恒溫性與輕量化（每缸可減輕約500克），像的AMG的6.2L V8發(fā)動(dòng)機(jī)、寶馬M系列V8發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體采用了低膨脹的全硅鋁合金材質(zhì)取代了缸套的設(shè)計(jì)，因此像前者的引擎凈重僅199公斤，對(duì)于車身的平衡也有極大幫助。值得一提的是，在沒有缸套的前提下，AMG 6.2是在缸壁采用TWAS的雙金屬絲弧形擴(kuò)散覆蓋加工，M-Power則是鍍上一層硅晶材質(zhì)，這樣不但能大幅減少摩擦阻力，強(qiáng)度也達(dá)到了鑄鐵缸套的兩倍，甚至可以媲美F1發(fā)動(dòng)機(jī)的水平了。
發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化當(dāng)然必須對(duì)每個(gè)零件都斤斤計(jì)較，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的減輕會(huì)反應(yīng)在動(dòng)力與油耗表現(xiàn)上，而整體的重量的控制則能使整車前后配重更理想，而提高車輛的操控性能，所以講究者還會(huì)用上局部的鎂合金。另外由于前中置設(shè)計(jì)與駕乘空間極大化的設(shè)計(jì)理念的盛行，發(fā)動(dòng)機(jī)除了要輕之外體積也得小才行，這點(diǎn)又牽涉到發(fā)動(dòng)機(jī)的高度及重心位置。
發(fā)動(dòng)機(jī)的小型與輕量化除了利于車身、底盤設(shè)計(jì)外，對(duì)于前后軸荷的合理分配也有著莫大的幫助
一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的大小牽涉到缸徑與行程的設(shè)計(jì)，多缸的高性能引擎通常會(huì)以短行程的設(shè)計(jì)來達(dá)到高轉(zhuǎn)速和低重心的優(yōu)勢(shì)，這樣一來也必須克服缸體長(zhǎng)度的問題，因此像前述的無缸套硅鋁合金引擎，相對(duì)可使各缸間距更為緊湊。另外，搭載渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)必須使用缸套來增加強(qiáng)度的，而缸壁離子覆蓋法讓缸套厚度僅0.15mm。
新M3的V8缸體為硅鋁合金制且取消缸套，大大降低了熱脹冷縮的現(xiàn)象
事實(shí)上更輕、更小不只是汽油引擎的發(fā)展趨勢(shì)，目前連靠高壓縮比的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也向著全鋁合金材質(zhì)發(fā)展，且即便是鑄鐵本體皆衍生出CGI蠕墨工法，以此實(shí)現(xiàn)薄化缸壁與提高耐用性，所以材料技術(shù)絕對(duì)是引擎進(jìn)化的關(guān)鍵之一。
控制革命 直噴的精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒
汽油機(jī)的輸出能力越來越大而油耗更低的另一大功臣當(dāng)然是電子控制技術(shù)的日新月異。以發(fā)動(dòng)機(jī)作功最重要的供油、點(diǎn)火來說，現(xiàn)在因?yàn)橛辛隧樞驀娚?、?dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)的助陣，各缸是在排氣門關(guān)、進(jìn)氣門開的上止點(diǎn)前開始噴油然后立即燃爆，相對(duì)燃油混合氣可更充分燃燒產(chǎn)生最高效率。一些高性能車還采用了F1離子高壓線圈與監(jiān)控CPU，使點(diǎn)火更快、更準(zhǔn)確，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓縮比就可以進(jìn)行更高標(biāo)定，從而榨出驚人的功率值。
F430采用F1離子高壓線圈與監(jiān)控CPU，點(diǎn)火因此更快、更準(zhǔn)確
由于大眾汽車FSI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，具備稀薄燃燒能力的缸內(nèi)直噴也漸漸成了主流，但一般的缸內(nèi)直噴受汽油含硫量與噴射特性的影響，普遍都無法做到完全的稀薄燃燒，不過運(yùn)用新一代柴油科技的二代直噴已有大幅改良。這主要是Piezo高壓震膜式噴油嘴的運(yùn)用，相對(duì)噴油會(huì)變?yōu)榛旌?、霧化效果更佳的傘狀形式，故不論是燃燒、熱效率都有了長(zhǎng)足進(jìn)步，據(jù)說除了油耗比以前可減少10%外，動(dòng)力也有更好的表現(xiàn)。
汽油缸內(nèi)直噴的稀薄燃燒特點(diǎn)，以往只能用在小負(fù)荷和低速狀態(tài)，所以多半還要搭配傳統(tǒng)的氣埠噴油嘴，但Piezo噴油嘴的厲害之處是在高轉(zhuǎn)速與超過120km/h的高速下仍能以理想空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)（14.7：1）。事實(shí)上第一代直噴的噴射壓力只有120bar左右，不過需要高壓作動(dòng)的Piezo燃?jí)阂堰_(dá)到200bar，值得一提的是汽油在如此高的壓力下將相當(dāng)不穩(wěn)定，故其高壓泵后方還連接有冷卻裝置以加強(qiáng)散熱。
二代缸內(nèi)直噴主要是換裝Piezo噴油嘴，噴射壓力提高到了200bar
內(nèi)含Actuator Valve、為特殊陶瓷合金制成的Piezo噴油嘴，反應(yīng)時(shí)間只需要百萬分之一秒，因此噴射非?？焖偾覈娪土烤_。原理是在毫秒間發(fā)生電流脈沖使閥門向外開啟，露出一個(gè)幾微米寬的環(huán)狀缺口，相形可帶來等量的中空?qǐng)A錐狀噴射面，使每個(gè)動(dòng)力沖程在抵達(dá)上止點(diǎn)前，都會(huì)送出精準(zhǔn)的燃油和壓縮過的空氣完全混合，因此任何狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。
另外，缸內(nèi)直噴的特性非常適合搭配高壓縮比或渦輪增壓的設(shè)計(jì)，而且沒有冷卻不足的問題，唯一的要求是汽油辛烷值要到達(dá)98#，所以燃料的消耗量雖然節(jié)省，但油價(jià)卻依然是高。最后，以往的缸內(nèi)直噴引擎多半屬于經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，可是現(xiàn)今在高性能車上的比例已日漸增多，這便是與環(huán)保、油耗法規(guī)妥協(xié)的產(chǎn)物。
新RS6的V10雙渦輪引擎也搭配有缸內(nèi)直噴，因此動(dòng)力強(qiáng)悍兼顧省油
可變革命 無級(jí)可調(diào)的配氣機(jī)構(gòu)讓動(dòng)力更充沛
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在可變機(jī)構(gòu)的運(yùn)用上非常多樣，大家所熟悉的有可變進(jìn)氣歧管、可變氣門正時(shí)、可變氣門升程與可變排氣量等，其他旁支細(xì)節(jié)還有汽油泵、消音器與渦輪葉片幾何，而奔馳汽車在去年IAA車展發(fā)布的Diesotto概念引擎，也是可變壓縮比的設(shè)計(jì)進(jìn)一步實(shí)踐。可變進(jìn)氣歧管雖然發(fā)展已相當(dāng)久遠(yuǎn)，但其效用卻不容忽視，因?yàn)樗茉诖钆淇勺冋龝r(shí)拉大重疊角時(shí)，增加不足的負(fù)壓提供充沛扭矩輸出，所以是扮演了提高運(yùn)轉(zhuǎn)順暢度的角色。
可變進(jìn)氣歧管可以增加不足的負(fù)壓提供充沛扭矩輸出，所以是扮演了提高運(yùn)轉(zhuǎn)順暢度的角色
至于對(duì)輸出特性有關(guān)鍵影響的可變正時(shí)、升程，分類上前者是適度延長(zhǎng)氣門重疊時(shí)間而強(qiáng)化中低轉(zhuǎn)扭矩輸出，后者則為提高氣門開啟量來激發(fā)高轉(zhuǎn)速下的功率，而現(xiàn)在將兩者整合在一起的設(shè)計(jì)也日益增多，目的除了是帶來更大、更順的輸出能力外，降低油耗才是本意。
可變氣門正時(shí)搭配揚(yáng)程控制已日漸普遍，這樣的設(shè)計(jì)可讓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力帶更寬
結(jié)合可變正時(shí)與升程的發(fā)動(dòng)機(jī)，近來針對(duì)省油控制是在輕負(fù)載狀態(tài)下大開節(jié)氣門，以后延進(jìn)氣門的關(guān)閉正時(shí)或運(yùn)用氣門升程直接控制進(jìn)氣量，相對(duì)吸氣阻力與進(jìn)氣時(shí)間的遲滯就能減至最低，且活塞上下運(yùn)動(dòng)的效率也不致?lián)p失，燃燒效率自然有進(jìn)一步的提升。目前的可變升程系統(tǒng)，最先進(jìn)的當(dāng)屬寶馬Valvetronic與英菲尼迪的VVEL系統(tǒng)，此兩者均以電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軸與搖臂，讓凸輪軸挺舉量能隨時(shí)無級(jí)改變，這種無級(jí)可調(diào)設(shè)計(jì)也讓動(dòng)力不會(huì)有所落差，未來應(yīng)能成主流。
采馬達(dá)直接控制氣門開啟的Valvetronic，相對(duì)有更快、更順且適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣量
再談到可變排氣量這項(xiàng)設(shè)計(jì)，目前主要是運(yùn)用在V型汽缸的排列組合，功能則為車輛在高速公路巡航、處于輕負(fù)載的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，僅以部分汽缸運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到省油目的。最常見的有克萊斯勒300C的5.7L HEMI V8發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)4缸與8缸的瞬間切換，八代雅閣的3.5L VCM V6發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)3缸、4缸、6缸的瞬間切換。以5.7L HEMI V8發(fā)動(dòng)機(jī)為例，4缸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)另外的4個(gè)氣缸將不供給燃油，只是相當(dāng)于4個(gè)彈簧，進(jìn)氣、壓縮空氣、釋放壓縮空氣的彈力、排氣，動(dòng)力無損失，也無燃油消耗。
行文至此，大家應(yīng)能了解可變機(jī)構(gòu)里最具效果的還是氣門正時(shí)、升程的變化，且其不僅對(duì)小排氣量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)有極大幫助，在渦輪增壓、高性能V8等汽油機(jī)都能見到它的蹤影。
911 Turbo因搭載了VarioCam Plus，全轉(zhuǎn)速域都能展現(xiàn)強(qiáng)勁動(dòng)能
以渦輪引擎來說，可變氣門正時(shí)能有效減輕渦輪遲滯現(xiàn)象，升程變化則能在高轉(zhuǎn)速下強(qiáng)化過給壓力，高性能V8汽油機(jī)要有每升突破70千瓦的實(shí)力更少不了它。再舉個(gè)例子是以往跑車引擎必備的多喉直噴，現(xiàn)在只剩下M-Power還堅(jiān)持這項(xiàng)傳統(tǒng)，此獨(dú)立節(jié)氣門設(shè)計(jì)的沒落，就在于可變氣門正時(shí)、升程已能徹底提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的肺活量，同時(shí)不會(huì)有顧此失彼的動(dòng)力落差現(xiàn)象。
增壓革命 可變?nèi)~片幾何渦輪帶來全轉(zhuǎn)速域的峰值扭矩
有了眾多科技的幫助，新一代的汽油引擎多能在中低轉(zhuǎn)速提供充沛扭力，不但使起步加速反應(yīng)快捷，由于不用經(jīng)常大腳油門拉高轉(zhuǎn)速，日常行車的省油性也能兼顧。針對(duì)扭矩的要求，目前的引擎設(shè)計(jì)大致朝自然吸氣多缸化與小排量搭配進(jìn)氣增壓兩大方向發(fā)展，其中后者的運(yùn)用更是日益廣泛，最近其突破則是柴油車常見的VTG排氣葉片可變幾何導(dǎo)流，成功運(yùn)用在保時(shí)捷997 Turbo身上。
可變?nèi)~片幾何渦輪的最大貢獻(xiàn)，就是隨時(shí)能保有最大增壓值
VTG的優(yōu)點(diǎn)是隨時(shí)涌現(xiàn)最大增壓，因此不但沒有遲滯的問題，廣泛的動(dòng)力帶更是帶來暢快無比的加速性，保時(shí)捷997 Turbo的620Nm峰值扭力能在極低的1950轉(zhuǎn)出現(xiàn)，并一直維持到5000轉(zhuǎn)就是VTG的貢獻(xiàn)。在此汽油引擎需要克服的問題是，其使用VTG時(shí)排氣溫度會(huì)上升到1000度，因此Porsche是和Borg Warner Turbo System（KKK）合作，運(yùn)用Space Technology開發(fā)出耐高溫的Turbine材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合可變渦輪量產(chǎn)化的首例。
將渦輪與頭段一體化的用意并非節(jié)省成本，主要還是為了提升熱效率
此外，最近的汽油引擎用渦輪本體，已出現(xiàn)可承受1000度排溫的技術(shù)，多數(shù)量產(chǎn)車也將Turbine、頭段采一體化超耐鋼材來維持高度熱效率，相信繼997 Turbo之后會(huì)有越來越多的Turbo車使用VTG設(shè)計(jì)，剩下就在于發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度與計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)對(duì)了。附帶一提的是，在第三代共軌直噴的六缸柴油引擎上，運(yùn)用大小串聯(lián)雙渦輪架構(gòu)的寶馬X5 3.0Sd，最大輸出可達(dá)到202kW/580Nm，而2000bar的四代共軌直噴用于2.0四缸引擎，未來的趨勢(shì)將是搭配序列雙渦輪，標(biāo)定功率、扭矩水平是150kW/400Nm，不難想見柴油動(dòng)力的進(jìn)步緊追在汽油之后，但兩者的技術(shù)面卻相通且環(huán)環(huán)相扣。
再者，大眾的TSI雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)也是讓人欣賞的設(shè)計(jì)，其原理是以機(jī)械增壓器實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生大扭矩，高轉(zhuǎn)速則切換為渦輪增壓器提升功率輸出，所以全轉(zhuǎn)速域都能提供高額動(dòng)力輸出且有低油耗表現(xiàn)。1.4TSI雙增壓可以達(dá)到2.5L NA發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出水平，而油耗只相當(dāng)于1.8L的水平。不過，這種互補(bǔ)式的強(qiáng)制進(jìn)氣雖然創(chuàng)意很好，但過高的制造成本未來并不會(huì)成為主流。
