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“单缸最优排量”决定小排量发动机结构走势

2018-08-12 01:07 来源: 汽车芝

世界上第一台四部冲程内燃机是由德国人罗斯·奥古斯特·奥托在1876年制造,它使用煤气为燃料,采用单缸结构,最大功率仅有区区2.21 kW,但正是这台结构简陋的内燃机却成为了今后数以亿计四冲程发动机机的鼻祖。

“单缸最优排量”决定小排量发动机结构走势

1886年当卡尔·本茨的三轮机动车获得了专利,成为公认的世界上第一辆现代汽车之后,发动机技术也迎来了第一波的飞速进步。1908年亨利·福特及其合作伙伴推出T型车时,就已经搭载了技术成熟的四缸发动机;而早在1903年,荷兰世爵汽车就实现了直列六缸发动机的生产;同年,法国人也制造出了世界上第一台V8发动机,不过十几年之后才由美国人将V8应用到了量产车上。增加气缸数量和排量一直是提升动力最直接有效的方式,到了20世纪20年代V12发动机已经成为了美国顶级豪华车的标准配置,但这仍不是顶峰,Peerless、Marmon和凯迪拉克等美国品牌甚至还生产出了装备V16缸的豪华轿车。

“小型化”是属于这个时代的发动机技术趋势

发动机技术在经历了几十年的气缸数量与排量的比拼之后,资源与环境终于无法再继续承受人们的无限欲望,能源危机,大气污染,残酷的现实开始着手改变了发动机技术发展的航道。因此在近二十年的时间里,我们所能听到见到的各项汽车技术,例如发动机可变气门正时和升程、增压进气燃油直喷、停缸技术、发动机启停系统以及配备更多挡位的变速器等,大多数都是与发动机的节能减排紧密相连,但即便如此各大车企在节能环保方面依旧面临着极大的压力。

目前传统动力技术升级的核心挑战来自于两个方面,除了全球各大主要市场都将会在2020年后执行更加严格的排放要求之外,消费者们也都显现出了明显的消费升级变化,对动力系统的高性能、快速动力响应等表现变得更加敏感,NVH同样也已成为了客户评价产品的重要指标。

在对发动机各项系统组成进行了技术挖潜之后,如何继续让传统动力的性能大幅提升?全球发动机工程师们不约而同的将目光聚焦在了发动机小型化上。发动机小型化首先是围绕减少缸数展开的,目前几乎所有主流车企都已经完成了从V6到L4的技术演变,市场也早已接受这一改变。车企们的通常做法是,研发一款四缸发动机,通过调校出不同的功率来达到适用不同车型的目的,例如PSA旗下的1.6THP发动机,根据需要可提供三个不同版本,可以适用于小到308S,大到5008的各个车型。而另一些车企则是通过推出四缸发动机集群,并采用不同技术策略来适应不同需要,例如沃尔沃的Drive-E发动机系列就有单涡轮增压的T5、双涡轮增压的T6以及带有考虑了电气化布局的T8三个版本。目前沃尔沃的旗舰车型S90及XC90都清一色的采用了2.0T的Drive-E发动机,而奥迪、宝马、捷豹路虎等其它车企也接受了这种技术路线,六缸动力已经做好了和这个世界说拜拜的准备。

“单缸最优排量”决定小排量发动机结构走势

“单缸最优排量”指导着新一轮的合理精简

对于一些体积较小的汽车而言,发动机不仅仅可以减少气缸数量,排量同样也可以减少,可问题是应该优先减少气缸数量,还是优先减少排量?亦或是两者同时减少?对于这个问题,车企需要从热效率、尺寸、振动等多个方面去考虑,去寻找单缸排量的最优值。

热效率是决定这个问题关键的要素,而热效率的优劣着重要考虑气缸面积除以容积的比值,即面容比。在一定范围内,面容比越小,燃效率会越高。如果气缸排量过小,那么面容比会变大,导致表面冷却损失增加;相反,如果排量过大,火焰传播距离会延长,燃烧时间就会增加,从而导致热效率下降。如果燃烧时间过长、活塞过于下降,热能还会无法做功,所以一定存在一个单缸排量的最优值。日产汽车在2010年关于这个课题做了一系列的测试,实验结果表明单个气缸从0.3L上升至0.4L,热效率可以提升2.0%。因此业内工程师们认为0.33 – 0.5L是单缸的最优排量,如果单缸排量在这个区域里,更利于发动机实现动力性和燃油经济性的平衡。所以对于未来主流的1.0L – 1.5L排量发动机而言,三缸结构显然是一个最佳的选择。

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