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变排量黑科技 引擎双循环切换能否普及?
感恩小姐 2014-11-14 来源: 一点资讯
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在2.0T发动机之后,丰田在今年年初又发布了一款1.2T的小排量涡轮增压发动机,并有望率先搭载在卡罗拉等车型上,小排量涡轮增压取代自吸已渐成趋势,但今天本文的重点并非讨论涡轮增压,我们关心的是这款发动机上采用的一个“小技术”VVT-iW,比之前的VVT-i多了一个“W”。别小看这一个变化,它让这款发动机实现了阿特金森循环与奥托循环可切换。在此之前丰田推出2.0T时,也同样配备了此种技术,这意味着丰田正着手用VVT-iW取代VVT-i。为何要实现两种循环的可切换,它的好处很明显吗?这种技术是否会像VVT-i出现后一样大面积普及呢?

代号为8NR-FTS的全新1.2T涡轮增压发动机

丰田这款1.2T涡轮增压发动机与此前的2.0T涡轮增压发动机共用多项技术,其最大功率为85千瓦,最大扭矩为185牛·米,它在日本市场的新款Auris车型上首先搭载。这款发动机除了带有丰田的智能可变气门正时技术之外,发动机在特定的负载状态下可进行阿特金森循环。这款1.2T发动机也将要搭载在国产的卡罗拉、雷凌和威驰等车型,它将陆续替换丰田现有的1.5L和1.6L自然吸气发动机,并且将实现国产化,丰田官方表示,国产版本在发动机动力参数上将会有小幅度提升。

1.2T发动机具体参数
发动机 具体参数
气缸容积 1196ml
排气量 1.2L
最大功率 85kW/5200-5600rpm
最大扭矩 185N·m/1500-4000rpm
压缩比 10.0
官方平均油耗 4.7L/100km(AURIS)
 

阿特金森循环到底是什么鬼?

阿特金森循环这个名词大家应该并不陌生,只不过之前我们在看到这个词的时候,往往只与混合动力相关,而非混动车型采用阿特金森循环的则很少。其实所谓阿特金森循环、奥托循环,都是发动机进气、压缩、做功、排气这四个冲程工作方式的名称术语而已。阿特金森循环并不是什么新鲜事物,更不是由丰田发明,它与奥托循环属于同时期的产物。只不过早期阿特金森循环发动机的结构太过古怪,根本PK不过奥托循环发动机,因此早早就被历史封存。现在的所谓阿特金森循环发动机,结构与历史上的阿特金森循环发动机已没有任何关系。它的基础结构与奥托循环发动机无异,只是利用了阿特金森循环的原理而已。

最初的阿特金森循环发动机原理示意图

原始结构的阿特金森发动机的最典型结构特征就是这个略有些奇怪而且很复杂的曲轴,这使得它的膨胀比大于压缩比,所以具备更好的热力学效率,也就有了更好的经济性,但是结构复杂也导致制造和维护都很麻烦,这也是它推广不力的主要原因,所以在汽车领域并没有得到广泛运用。

 

现代的阿特金森循环(以下阿特金森循环所指的就是此种循环方式)使用电控制装置改变发动机正时,通过推迟进气门关闭的办法,在压缩冲程从进气门排出部分燃气,减少进气量,所以压缩比没有那么高(也就没有了爆震的影响),从而实现膨胀比大于压缩比的目的。实际上这一过程是利用了米勒循环的原理,但是嘛,因为专利的关系,不能叫米勒循环,而它与阿特金森的效果又非常近似,所以就近原则,它也称为阿特金森循环了。

那么这两种循环的原理差异在哪儿呢?就一点:有效压缩比和膨胀比不同,看到这两个术语估计您又头大了,其实很简单。何为压缩比?就是把吸进来的空气压缩前和压缩后的比值(说白了,就是压缩了多少倍)。膨胀比就是反过来缸内气体做功后的最大体积与做工前最小体积的比值(说白了,就是膨胀了多少倍)。很显然,奥托循环的发动机压缩比和膨胀比是一样的,但阿特金森循环发动机则不一样,它的膨胀比要大于压缩比。

传统的奥托循环

米勒循环

膨胀比大有什么好处?我们回想一下发动机的做功,点火后混合气燃烧推动活塞下行,但到了下止点以后,其实混合气的能量还远未释放完毕。按照奥托循环,此时就得打开排气门排气了,剩余能量被白白的排放出去。不仅浪费,而且不环保。如果膨胀比变大呢?活塞会再往下运行一段再到下止点,这样可以更有效地利用混合气的剩余能量,效率也自然更高。

阿特金森循环为何之前多数用于混动车型?

为何阿特金森循多数用于混动车型呢?这就要搞清楚阿特金森循环发动机的“大膨胀比”是如何实现的。如果按照直观的想法,让活塞运行到下止点以后继续运行,那务必改变发动机的整体结构,但这会增加制造成本,而且发动机的体积也不好控制。那么解决办事实际上是通过缩小“有效压缩比”的方式来实现扩大膨胀比的。

那么有效压缩比又是什么呢?其实说起来非常简单。当发动机进入压缩行程时,正常情况下进排气门都是关闭的,此时的有效压缩等于我们常说的压缩比。阿特金森怎么弄呢?它会让进气门延时关闭。也就是压缩行程已经开始一段时间后,进气门才关闭。那么在进气门关闭之前,这段压缩是无效的,关闭之后的压缩才是有效的。这么做的好处在哪儿?它其实等同于缩减了发动机的排量,同时又扩大的膨胀比。怎么理解?你可以想象为一台1.8L的发动机,由于进气门延迟关闭,它实际参与压缩的气体仅与一台1.5L发动机相当,那么它在喷油、压缩这些行程的设计上,其实就等效于1.5L,所不同的是,它在做工时,膨胀比等同于1.8L。

 

注意以下这段话,有点绕,但说清了本质。一台1.8L的阿特金森发动机,本质上等同于把一台1.5L发动机的膨胀比扩大到与1.8L相同,其他方面的设计(配气、喷油)则均与1.5L相当,动力特性自然也更接近于1.5L。然而由于发动机本体仍然是1.8L的,因此在标称排量时它仍然是1.8L。这个本质,其实也很好地解释了困扰大家的一个问题:为何阿特金森发动机如此高效,升功率却总那么小。与此同时我们会发现,由于是在大排量发动机的基础上减少有效压缩比,这种发动机的低速扭矩特性也会很差,从而很难适应日常驾驶,这也是为何我们在常规车型上看不到此类发动机的身影的原因。混动则可以很好地缓解这一问题——混动的电机驱动承担了大部分中低速的驱动任务,弥补了此类发动机的缺陷,同时混动的设计诉求又非常需要此类发动机高效,自然让二者形成了“黄金搭档”。

其实两种循环切换实现起来很简单

搞清楚阿特金森循环实现的原理,那么我们就不难找到现在真正可切换实现的方法,其实很简单,通过VVT-i就可以搞定!从技术标识也看得出来:丰田只是在VVT-i的基础上加了一个W,说明它本质上就相当于VVT-i的一个衍生品。

具体怎么实现?通过VVT机构,让进气门在进气行程结束、压缩行程开始后“晚一点再关”,就实现了阿特金森;“不晚关”,则变成了奥托循环。至于何时“晚关”何时“不晚关”,全靠ECU来控制。如此一来,在需要高效运转而不太在乎动力的工况下,就切换成阿特金森,需要强大动力时则切换成奥托。

可别小看这一切换,它几乎等效于变排量,阿特金森工况下排量等同于变小了,这可是很多发动机工程师多少年来梦寐以求的设计诉求。从实现的方式和效果来说,也远好于那些变缸技术。既然这么好,实现起来有如此简单,为何到现在才开始采用?是发动机工程师脑子一直“短路”了,现在才“修通”吗?当然不是。

那为何现在才开始采用?

我们再来回顾一下阿特金森的原理:它是在让吸进气缸内的气体再排出去一部分以后才开始压缩的,此时的有效压缩比变小了,如果此时发动机按照常规的压缩比来设计,会导致有效压缩比太小,这显然不利于效率的提升。那么反过来想,如果把有效压缩比保持在正常值,一旦切换成奥托循环,那常规压缩比又会变得过大,爆震又来了,在以往的自吸缸外喷射的设计思路下,这种矛盾影响了可切换的实现。

然而有了直喷涡轮增压以后,这个问题就变得可以解决了。其实涡轮增压本身,也存在着两种“有效压缩比”,在增压器不工作时,其压缩比就是物理值,增压器工作时,有效压缩比会变大(因为进入的空气是压入的,参与压缩的量比自吸时要大)。这也是为何涡增发动机的(物理)压缩比(其他方面同等技术下)会小于自吸发动机的根本原因。然后我们再来看它如何与阿特金森和奥托循环切换相衔接,在低速状态下采用奥托循环,相比阿特金森循环会带来较高的压缩比,对应此时的非增压刚刚好,高速状态下反之,阿特金森与涡轮增压可以刚好匹配。

那涡轮增压时就不能切换奥托循环了?当然不是,如果这样的话,发动机的功率会大受影响,这里就体现直喷的价值了,大家都知道直喷的好处是喷油精准,设计师可以让电脑根据此时的循环选项来控制喷油量,这还不是最关键的,直喷区别于缸外喷射最大的好处是在压缩后点火前喷油,所以不用担心压缩行程过程中的爆震问题。那么不同循环方式下,通过喷油时点和喷油量的控制,就可以兼顾两种不同循环方式下的“有效压缩比”。显然,这些靠自吸缸外喷射都是无法做到的。

总结:

又是因为直喷涡轮增压?或许看到这里,你会有类似感触。没错。这个直喷涡轮增压虽然争议满满,但它替代非直喷自吸的趋势已不可逆转。从咱们所说的几项案例可以看出,它的优势可不光是效率高、低速扭矩大、成本低,同时它还能带来很多附带的技术改进。之前我们说的直六回归,这次我们说的阿特金森与奥托循环可切换,都与之密切相关。

从前面的技术解析可以看出,这个可切换实现起来在结构上几乎零成本,但凡拥有VVT的发动机,理论上都可以实现。而它所带来的效果却不可小觑,至少从理论上和丰田2.0T的表现上可以得到印证。如果这项技术在丰田旗下发动机上得以普及并形成竞争力,相信其他厂商会很快跟进。到时候,这种看起来高大上的阿特金森/奥托循环可切换,很可能就会像VVT一样普及开来。

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