美式皮卡换心 福特测试对置活塞汽油压燃发动机

根据美国某媒体的报道，福特将通过 F150 车型测试一套全新的动力系统——由 Achates 动力公司提供的 2.7 升 3 缸对置活塞汽油压燃发动机。发动机的提供方 Achates 宣称，这款发动机能够为 F150 提供至少 367 马力的最大功率和 650 牛•米的峰值扭矩，尽管这台发动机的输出功率低于目前量产 F150 使用的 3.5 升 V6 涡轮增压发动机，但峰值扭矩却要略高于那台 Ecoboost 发动机的 637 牛•米。

区别于斯巴鲁、保时捷使用的水平对置发动机，对置活塞发动机更像是前者反置的重新组合。发动机的两个活塞共用一个气缸套，对向往复运动，使用一个燃烧室做功。因为没有气缸盖，发动机的结构得以简化，从而减轻重量，减少热损失。此外，对置活塞发动机也不需要复杂的配气机构。既，没有凸轮轴和进排气门，发动机的生产成本得以降低至少 10%。因为多采用二冲程设计，在同等转速下，发动机的功率输出至少是四冲程发动机的 2 倍。另外，与普通的二冲程发动机相比，对置活塞发动机通过燃烧室的循环空气的效率高出 30% 以上，燃油燃烧也更完全，尾气排放可以达到普通四冲程发动机的水平。

其实对置活塞发动机并不是什么新鲜事物，1882年，James Atkinson 在研究阿特金森循环时，制造了第一台对置活塞发动机的原型。一种公认的说法是，最早适用于汽车的小型对置活塞发动机在 1900 年前后，由法国的 Gobron-Brillié 公司生产。1904 年 4 月，使用 Gobron-Brillié 发动机的汽车成为世界上第一辆时速超过 150 公里的汽车，同年 7 月，Rigolly 驾驶该车再次打破了之前的速度纪录，该车也成为人类历史上首个时速超过 100 英里（约 161 公里）的交通工具。首台对置活塞柴油发动机由俄罗斯的 Kolomna 工厂在 1907 年生产。之后，对置活塞发动机又衍生出了其他一些形式。如辛普森平衡二冲程汽油发动机，Napier Deltic 柴油发动机以及 Doxford 船用大型对置活塞发动机等。

因为结构、工作性能等原因，这些发动机通常被当作船用发动机或为装甲车辆、大型机械装置提供动力。另一个值得被记住的名字是Jumo 205，由容克公司生产的这台航空发动机，开创了柴油航空发动机的历史，它所衍生出的 Jumo 系列发动机也成为超过半个世纪的、唯一成功的柴油航空发动机。二战后，由于燃气轮机的崛起，对置活塞发动机才逐渐淡出历史舞台。

与常见的直列或 V 型气缸布局的发动机相比，因为结构特殊，对置活塞发动机需要更为复杂的曲柄连杆结构，将分散的动力输出集中到一起。加之气缸的进气、排气过程需要通过活塞运动进行控制，排气通道一侧的活塞会长期处于高温工作环境，需要更为复杂的润滑与冷却处理。可以想象，虽然简化了气缸盖和配气机构，热效率提升，但工程师们同样也无法通过对配气机构的灵活调节，在更广泛的区域内，改善发动机的动力输出和排放。另外，发动机的纵向高度也是一个无法回避的问题，尽管可以通过类似水平对置发动机的方式降低重心，但发动机宽度也会对小型乘用车的发动机舱布局构成挑战，而来自发动机活塞和气缸壁的单侧磨损也不得不考虑。

尽管面对诸多挑战，但来自热效率的优势，还是无法让业界忽视对置活塞发动机的存在。除 Achates 动力之外，还有 EcoMotors 和 Pinnacle Engines 对这一类型的发动机有着较为深入的研究。三家公司中，前两者着力于二冲程发动机的研究，而后者则发展四冲程发动机。Achates 动力成立于 2004 年，因其在高效能动力领域的研究，获得了红杉资本、美国军方、美国能源部高级研究计划署、沙特阿美公司、阿贡国家实验室和德尔福公司的青睐。由于使用了 Achates 动力的设计，康明斯公司为布雷德利战车提供的 14.3 升对置活塞柴油发动机，可以输出 1000 马力的最大功率和 3254 牛•米的峰值扭矩，相比过去的动力系统，新发动机的功率密度提升了 50%，燃油消耗降低了 13%，发动机热效率提升了 21%。

Achates 动力为福特提供的发动机，将实现 37 英里/加仑（约合 6.36 升/100 公里）的超低油耗，优于 CAFE 2025 中规定的 35 英里/加仑（约合 6.72 升/100 公里）的标准。相比现有的 V6 发动机，对置活塞发动机的零部件数量仅相当于过去的 60%，这将帮助制造商将每辆皮卡的生产成本降低 1000 美元左右。这款发动机的结构与容克 Jumo 系列航空发动机类似，拥有上、下两根曲轴，两根曲轴通过一组齿轮链接，从而有效降低了发动机的振动和噪音。因为带有一个伊顿 R900 双速驱动机械式增压器，这台发动机具有更高的充气效率。相对传统活塞发动机，它的单气缸容积大了 50%。在相同的增压条件下，发动机可以实现更为稀薄的燃烧，从而提高热效率。发动机的每个气缸带有两支相对布置的喷油嘴，可以实现高精度的、可控的燃料分层。另外，由曲轴驱动的高压油泵可以为 GDI 喷油嘴提供高达 2500 巴的喷油压力，GDI 喷油嘴可以与 DFI喷油嘴互换，从而可以使用柴油作为燃料。

除汽油版本之外，Achates 动力同样在进行乘用车用对置活塞柴油发动机的测试，他们已经为日产 Titan 皮卡提供了一台 2.7 升的柴油版本，并宣称该车能够实现至少 37 英里/加仑 （6.4 升/100 公里）的油耗。目前至少有 9 家制造商，获得了 Achates 动力对置活塞发动机的生产许可。据悉，通用旗下 2019 款的雪佛兰 Silverado 也将采用与 F150 相同的 2.7 升 3 缸对置活塞汽油压燃发动机。

相比 Achates 动力，EcoMotors 设计的对置活塞发动机要更加复杂。他们的发动机采用双对置结构设计，也就是在一条轴线上有 4 个活塞，分两组气缸工作，这使得活塞的相对线速度提高了一倍，在相同的转速下，它拥有普通四冲程活塞发动机 4 倍的功率输出。该发动机的结构与 Doxford 发动机类似，通过外连杆连接两个对置活塞的动力输出，不过因为 EcoMotors 发动机采用双对置结构，这使得它看上去相当于将两台 Doxford 发动机连接在一起。此外， EcoMotors 发动机只能以偶数气缸的组合方式变化，除了之前提到的单侧磨损问题， EcoMotors 生产的发动机在宽度方面更难控制。

相比普通四冲程发动机，成立于 2007 年的 Pinnacle 生产的 Clevees 发动机可以将燃油经济性提升 30% 至 40%，但其制造成本比普通发动机高出约 15% 左右，大约会增加 2% 的车辆制造成本。

有趣的是，这三家公司都将中国制造商视为重要的潜在客户。Achates 动力甚至还设置了专门的中文网站，EcoMotors 则希望凭借一家中国本土公司打开市场。但客观事实是，大部分中国本土制造商都将未来的注意力放在了电动车领域，对于内燃机的投入并不像过去那样无序和狂热。欧洲制造商借助 48 伏轻混动力装置，仅以 20% 的成本就能够实现强混系统 80% 的燃油经济性；英菲尼迪通过 VC-Turbo 发动机，在保证动力输出的同时，相比 V6 发动机实现了 27% 的油耗改善；马自达则寄希望于创驰蓝天技术，将活塞发动机的热效率提升至 50% 以上。根据测试，Achates 动力宣称他们的发动机在实现欧 6 排放标准的同时，热效率相比普通柴油发动机高 30%，相比普通汽油发动机高 80%。无论如何，这都是一个非常惊人的数字，但其实际应用效果还有待观察。