美式皮卡换心 福特测试对置活塞汽油压燃发动机

美式皮卡换心 福特测试对置活塞汽油压燃发动机-图1

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。

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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。

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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。

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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%。

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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。

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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。

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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。

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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。

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