从2016全球最佳发动机奖 看未来趋势

　6月初在德国斯图加特，UKIP Media & Events Ltd 颁布了2016年的最佳发动机奖项。此奖项由来自三十一个国家的六十二位专业记者共同投票评选生成，不受任何汽车生产商和经销商的广告费支持和其他经济支持。因此，一直是行业内最具权威的评选之一。

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　　其实各个排量级别的较量并没有什么意外，因为去年本就没有什么特别的大批量机型诞生。依旧是老牌的1.0T，1.2T，1.5T，2.0T这几个往年的机型继续蝉联各自级别的冠军。

其中重点的几款小排量机型均是升功率在100kW/L左右的三缸汽油机。从这些获奖的发动机上，我们可以发现越来越多的技术共同点与下一步发展确实。

　　中置直喷：优化燃油雾化

　　喷射系统轨压正在从200bar朝向300-350bar发展。过高的汽油喷油压力会对油轨的可靠性和防腐性产生影响，另外也可能会导致喷射穿透长度过远产生的缸壁挂流。而且，中置喷油系统必然给缸盖的强度设计带来挑战。接下来，随着2020年法规的实施，进气道喷射+直喷的组合会逐渐出现，以降低颗粒物排放数量。一部分小型汽油机也会以直喷+GPF的模块化组合出现。

　　另外，一些低成本大批量发动机可能会继续选用经济可靠的气道喷射系统从根本上避免PN问题。对于直喷机型，逐渐会看到支持2-3次喷射的轻量化喷油嘴，以从直喷的角度克服颗粒物排放和冷启动排放。不过，轻量化喷油嘴的运动件在高频工作下的响应特性会对ECU前馈预估喷油量带来非常大挑战，因为在第二次和第三次喷油时喷油嘴的响应和Lift会受到之前活动的影响，这对于需要精准控制的空燃比来说很有挑战。

　　集成式排气岐管：降低排气温度和提高暖机速度

　　排气温度一直是汽油机高功率时加浓空燃比（增加喷油量），导致实际道路驾驶油耗偏高的罪魁祸首。福特1.0T之所以可以达到几乎不用加浓，就要归功于集成排气岐管和高温涡轮及排气系统（可承受1000-1050摄氏度，比常见的900-950度左右的汽油机最高排气温度要高很多）。在发动机冷启动时，排气向缸盖和岐管散热的速率主要由散热面积和流速决定（因为壁温主要还停留在室温状态）。因此，降低散热面积能够有效减少冷启动时的能量流失。

　　总体来看，集成排气岐管往往可以降低冷启动三元加热的时间10-20%左右（主要由排气阀到三元催化之间总壁面面积决定），同时提高高载荷稳态排气冷却效果（主要由水冷部分的壁面面积决定）。因此，合适的水冷/总壁面面积也是高效集成排气岐管的主要参数之一。但是这需要排气岐管的精确设计，因为在冷启动和稳态工作时的需求产生了差异。

　　比如，如果集成排气道直径设计有偏差，流速的变化将直接影响传热量，设计的不好甚至可能会起到反作用。总体的设计目标就是：降低整体散热面积，同时提升水冷部分的散热面积。而其中的排气道直径将由目标流量和流速决定，然后根据现有机型（或者目标机型）热分析数据中的壁温水温气温进行CFD优化和硬件选型。

　　强化排气脉冲：改善涡轮在发动机低转速时响应速度

　　三缸机互不交叉的排气脉冲是涡轮最喜欢的，而我们也可以发现现在相当一部分四缸机开始使用双流道系统增强脉冲。在六缸机上，增强脉冲可以通过双流道或者双涡轮（每个涡轮针对三个气缸）的方式进行。实际上，除了分离排气脉冲之外，进一步的做法可以使用Mixed Flow Turbine（混流涡轮，或称混合式涡轮），它可以让涡轮在脉冲工况下的效率提升。所以第一步是提升排气的脉冲强度，下一步可能就是在提升强脉冲下的效率了。

　　这种涡轮已经用在福特1.0T和大众 1.5T 汽油机VGT之上。但是，高脉冲对于发动机的性能开发和预测带来很大挑战，因为涡轮在脉冲下的效率很难准确估算。所以这就需要涡轮供应商对涡轮在更大工作区间内进行测试（脉冲强度与双流道流量比例）。

　　另外，双流道中间的壁面在汽油机高温和大温差循环工况下的耐久性需要有针对性的设计，而且额外的壁面会在大流量时带来略多的排气摩擦损失。

　　*以上三个方向，在实际开发过程中都需要大量的行业数据，原始或者目标机型的基础测试数据（大量高频压力、温度、流量测试、光学单缸等试验数据），以及1D-CFD-FEA仿真计算和边界条件的相互配合和交叉。整套系统工程实际也囊括了行业主流OEM多年以来积淀的开发流程、改善、质量控制和内部数据。笔者在看到了目前国内自主品牌的投入和进展之后也坚信，自主品牌的赶超过程正在发生。