雅斯頓原創(chuàng)文章 | 舒媚
發(fā)動機的排量和缸數(shù)，對于每一位汽車用戶來說都不陌生?？v觀發(fā)動機這一百多年的發(fā)展歷史，先是從單缸機開始萌芽發(fā)展，到了20世紀中葉，主要是四缸機、六缸機、八缸機的天下；進入21世紀，在節(jié)能減排趨勢下，已經(jīng)很少看到六缸機和八缸機的身影，取而代之的則是四缸機和三缸機。
一百多年來，發(fā)動機缸數(shù)和排量經(jīng)歷了一個從少變多、到現(xiàn)在又慢慢減少的過程，但是動力卻又沒有因此而大幅度降低，排量和缸數(shù)之間的關系要怎樣才能做到動力水平的一如既往？
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排量可以說是決定發(fā)動機動力水平的最重要因素，對于大部分發(fā)動機來說，排量每增加一點，動力也會增加一些。如果不考慮成本，排量當然是越大越好，但是缸數(shù)則沒有那么任性，并非越多越好。
這里首先需要明確單缸排量的概念。單缸排量指的是一臺發(fā)動機單個缸的排量，比如1.0L的3缸機，單缸排量就是0.33L；2.0L的四缸機，單缸排量就是0.5L。也許很多人都認為單個缸的排量確立很簡單，就是總的排量除以缸數(shù)，但是事實上沒有那么簡單。
選擇合適的缸數(shù)是發(fā)動機開發(fā)設計中很重要的一步。比如一臺1.3T發(fā)動機，可以做成四缸機，每個缸排量是0.325L；也可以做成三缸機，每個缸的排量大概就是0.45L。
選用三缸還是四缸，對于一臺同樣排量的發(fā)動機來說完全是兩種性能表現(xiàn)?？偟膩碚f，小型機氣缸數(shù)從成本、性能、平衡等問題出發(fā)，會使用較少的氣缸數(shù)，首選四缸，但是考慮到節(jié)能方向，也會選用三缸機。
那針對特定的排量，究竟是選擇三缸機還是四缸機這里面要考慮的東西太多了，涉及到缸徑，沖程，面容比，燃燒系統(tǒng)，進排氣等等，如下圖所示：
由于上述每一個參數(shù)都會牽一發(fā)而動全身，因此對于汽車廠商來說，缸數(shù)的選擇要綜合考慮發(fā)動機的各種性能表現(xiàn)。
比如缸徑?jīng)_程，缸徑越大，面容比就越大，這樣會有更多的燃燒熱量散失到外界；但是缸徑大也有好處，大缸徑意味著進排氣門直徑也越大，進排氣效率能夠得到提升，對熱效率也有好處。對于小缸徑，燃燒火焰往四周傳播的距離越短，也可以得到更好的燃燒，爆震的風險也越小。
而沖程越長，曲軸每轉一圈時，活塞經(jīng)過的路程就越長，氣體的膨脹也就越充分，燃燒發(fā)出的熱量更多地轉化為機械能，因此熱效率也就越高。長沖程也意味著高的活塞平均速度，活塞速度的提高則發(fā)動機功率也能提高；但是長沖程也帶來了高的熱負荷以及曲柄連桿機構的慣性負荷，摩擦損失也會增加。
除了缸徑?jīng)_程，還有進排氣組合，燃燒系統(tǒng)，增壓器選擇等等。這些參數(shù)之間的相互博弈十分復雜，缸數(shù)與排量的組合絕非易事。
所謂道生一，一生二，二生三，三生萬物。那我們究竟是要更好的燃燒過程，還是較高的功率表現(xiàn)？是想讓燃燒氣體更多的膨脹做功還是盡可能的降低摩擦損失？或者是想讓發(fā)動機低速高扭還是高轉高扭？
選擇不一樣，結果就不一樣。
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大量的實踐與理論分析表明，對于目前主流的1.0—1.5L排量發(fā)動機，最佳單缸排量區(qū)間為0.33-0.5L。不過，也不是所有汽車廠商都會用到這個概念，比如豐田的1.2T四缸卡羅拉，選擇了0.3L的單缸排量；而在單缸最優(yōu)思路下開發(fā)的通用1.3T Ecotec 發(fā)動機，則是選擇了0.43L的單缸排量。
所謂單缸最優(yōu)的思路，簡單理解就是在模塊化發(fā)動機的前提下，重點關注單個氣缸的最優(yōu)解，充分發(fā)掘并釋放單個氣缸的潛力，讓性能得到最大提升。
單缸最優(yōu)分為兩個方面：單缸結構最優(yōu)和單缸燃燒最優(yōu)。
單缸結構最優(yōu)，無非就是缸徑、沖程、燃燒室設計、低摩擦材料、曲柄連桿設計等方面。通用推出的1.3T發(fā)動機為此開發(fā)了新型的魚腹型高滾流氣道，以及平面擠氣燃燒室，目的是為了提高湍流強度，加快燃燒速度，讓燃料能夠充分的與空氣混合。
而在活塞環(huán)以及氣缸內壁材料方面，通用1.3T發(fā)動機采用了低摩擦涂層技術；活塞環(huán)使用的是低張力DLC(Diamond Like coating)類金剛石涂層活塞環(huán)。DLC涂層具有比鋼材更高的硬度和耐磨性，涂層采用高難度的低溫物理氣相沉積的方式沉積在活塞環(huán)表面，相比一般PVD涂層，硬度提升了100%，耐磨性提升了80%，摩擦損失功跟上代發(fā)動機相比減少了15%。
缸體缸套以及曲柄連桿機構都高度集成化設計。比如鋁合金缸體，高熱傳導率的缸套能夠最大限度的降低重量，提高散熱效率；最優(yōu)動力學設計的最優(yōu)動力學曲軸孔偏置有利于提升充氣效率，降低活塞側向力。
由此可見，單缸結構設計地關鍵點是為了提高燃燒效率以及降低摩擦和散熱損失。
至于單缸燃燒系統(tǒng)最優(yōu)，則主要是通過進排氣與噴油的組合，盡可能的提高燃燒速度。
繼續(xù)以通用的1.3T Ecotec為例，它的燃燒系統(tǒng)中采用了每缸兩個噴油器，雙噴噴油器協(xié)同噴射能夠實現(xiàn)更廣的噴射覆蓋面積以及更高的燃油霧化率，減少燃油濕壁，使噴射的燃油更多地參與燃燒；而且也可以靈活根據(jù)負荷的變化，配合進氣組織高效的燃燒方式。
在進氣方面，這臺發(fā)動機配備了60度全程可變氣門正時系統(tǒng)，電磁閥直接布置在凸輪軸上，大幅提高相位器響應速度，而且進排氣門相位都可以獨立控制，這樣的好處就是進排氣的響應大大提高，在高低轉速均能保證最佳的進排氣效果。
對于汽油機這種進氣量決定噴油量的控制系統(tǒng)，進排氣的快速絕對是影響動力性能的決定性因素，因此燃燒系統(tǒng)中，小慣量渦輪的使用對于提高整車動力響應又很關鍵。這臺發(fā)動機的增壓器使用的是小慣量的渦輪，重量輕慣性小，加速快，在1700轉就能夠讓發(fā)動機達到扭矩峰值，也解決了渦輪增壓發(fā)動機渦輪遲滯的問題。
以上，可以看出單缸燃燒系統(tǒng)最優(yōu)的核心在于提高整個進排氣以及燃燒系統(tǒng)的響應速度。
這就是通用1.3T Ecotec發(fā)動機的最優(yōu)單缸概念，通過合理選擇氣缸數(shù)，讓單個缸發(fā)揮的性能得到最大的優(yōu)化，而不是片面的追求堆排量提高整體功率。
通用這臺以單缸最優(yōu)概念開發(fā)的1.3T發(fā)動機實際效果又是如何。以2018款新英朗與老款的1.4T進行對比：
從曲線上看，紅色曲線代表的1.3T Ecotec在同等轉速區(qū)間下功率扭矩也更大，功率扭矩曲線斜率更抖，意味著動力響應更快。1.4T英朗的排量還大了0.1L，但是在動力表現(xiàn)上，搭載1.3T的新款英朗各項數(shù)據(jù)更為突出，再看發(fā)動機曲線：
在油耗方面，經(jīng)過單缸最優(yōu)設計之后，2018款新英朗的綜合工況百公里油耗分別為5.8L/5.1L。其燃油經(jīng)濟性相比上一代車型，綜合百公里油耗改善5%左右。
不過以上測試數(shù)據(jù)只是在標準實驗環(huán)境下測試出來的結果，實驗室數(shù)據(jù)僅作參考，為了考察英朗的真實道路表現(xiàn)，雅斯頓聯(lián)合駕仕派與買車問問進行了四款主流家轎的橫評：分別是：大眾1.4T朗逸，別克1.3T英朗，日產(chǎn)1.6L軒逸，豐田1.2T卡羅拉。（
參考閱讀《在臺風天完成賽道體驗后，我們重新找齊緊湊級轎車四強做了這件事 | 聯(lián)合測試》
）這四款車都是同級別各自的競爭的對手，他們之間的測評相對來說比較有說服力。
在加速方面，測試了0-60kph，0-80kph，0-100kph加速時間，大眾朗逸壓倒1.2T的卡羅拉，但是英朗的加速更勝一籌，百公里急加速在8秒多。加速快主要得益于快速響應的發(fā)動機，加速G值也大幅領先，說明提速猛，推背感最強。
油耗方面，在加滿92號汽油之后，進行了140km的市區(qū)，城市和盤山公路測試，并且輪換四個駕駛員輪流駕駛四個車。這次測試平均速度31km/h，由于均是真實路況，不同于實驗室，因此四個車的油耗都高于工信部平均油耗。
當然，由于三缸機在油耗方面具有天生的優(yōu)勢，加上在發(fā)動機方面進行了最優(yōu)化的設計，別克英朗在油耗測試中表現(xiàn)更好，其他三款車則水平相當。
結合技術與實際數(shù)據(jù)的分析，我們可以看出在1.5L以下排量的發(fā)動機中，選擇合適的缸數(shù)和單缸排量，并進行單缸最優(yōu)化設計，乃是內燃機發(fā)揮最大性能的最佳選擇，是當下小型發(fā)動機設計趨勢，而不是片面的追求提高排量和缸數(shù)達到高性能。
圖片| 網(wǎng)絡、雅斯頓
圖表 | 雅斯頓、駕仕派
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