小排量發動機橫評

最近剛發布的《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分並行管理辦法》（後面簡稱雙積分政策），最大特點就是它緊抓新能源汽車保有量的同時不放鬆傳統汽車的油耗。所有年生產或進口汽車總量超3萬的車企都要遵循企業平均油耗指標。該指標按一定速率遞減，目標是2020年將平均油耗限制在百公里5L。如果超出了當年的平均油耗則為負積分。油耗積分可以在企業間相互轉讓或者使用新能源積分抵消。如果不達標的話就要繳納罰款。這也是為什麼各家車企大力推進小排量發動機一大原因。

目前這種趨勢下各家車企發布的小排量發動機可以發現一個規律，主流排量集中在1.0L~1.5L之間，普遍採用渦輪增壓+缸內直噴技術。而使用三缸還是四缸則存在一定的爭議。

↑市場主流小排量發動機對比

我們不妨對比一下目前主流的幾款小排量三缸發動機，分別來自通用、寶馬、大眾和福特。

首先它們的排量範圍正好覆蓋1.0T至1.5T雙噴射渦輪增壓發動機。其次寶馬1.5T和福特1.0T發動機都曾經得過沃德十佳，而大眾1.2T屬於EA211發動機系列，是在大眾集團廣泛使用的小排量發動機系列。通用全新一代Ecotec 1.0T/1.3T雙噴射渦輪增壓發動機則將在通用集團廣泛使用。因此這幾款小排量發動機可謂非常有代表性。

通用

↑通用三缸雙噴射渦輪增壓發動機

通用集團最近剛剛發布了全新一代Ecotec 1.0T/1.3T雙噴射渦輪增壓發動機。那麼全新一代Ecotec 1.0T/1.3T雙噴射渦輪增壓發動機交出的成績到底是一個什麼水平呢？我們先來對標一下通用集團目前的小排量發動機產品。

全新一代Ecotec 1.3T雙噴射渦輪增壓發動機最大功率120kW，最大扭矩230Nm，數據優於上一代1.4T發動機15%-23%，百公里加速做到10s以內。全鋁緊湊輕量化設計，相較於1.4T發動機整體減重20公斤。油耗比上一代1.4T下降5%。

↑通用三缸1.3T雙噴射渦輪增壓發動機性能對比

全新一代Ecotec 1.0T雙噴射渦輪增壓發動機最大功率92kW，最大扭矩165-170Nm，數據優於1.5L自然吸氣發動機20%-33%，百公里加速1.0T比1.5L自然吸氣發動機提升1s；油耗比上一代發動機改善10%。

↑通用三缸1.0T雙噴射渦輪增壓發動機性能對比

雙噴射技術

前面提到，目前市場的主流是渦輪增壓+缸內直噴技術。而通用則採用了進氣歧管單缸雙噴技術。是全球首次在增壓發動機上採用，具有高性能、低油耗、高穩定性、更環保的特點。兩種不同技術解決方案，各有優劣，都可以做到卓越的產品性能。從目前發布性能油耗數據，單缸雙噴並不低於直噴發動機，反而有些方面佔有優勢。

一個氣缸兩個噴油器協同噴射能夠實現更廣的噴射覆蓋面積以及更高的燃油霧化率。原來傳統歧管燃油噴射器需要兼顧左右兩個進氣閥，因此距離進氣閥遠而噴射角度較窄。雙燃油噴射器距離進氣閥近且噴射角度較寬，燃油霧化更好。

↑通用全新一代Ecotec雙噴射渦輪增壓發動機智能電控與雙噴射系統

另外，通用這款全新發動機採用了12項靜音技術，向業界難題發動了組合拳，而其中最大的功臣非鐘擺式雙質量飛輪莫屬。如下通用三缸雙噴射渦輪增壓發動機的右側輸出軸部分即為鐘擺式雙質量飛輪減振系統。

↑通用三缸雙噴射渦輪增壓發動機與鐘擺式雙質量飛輪減振系統

雙質量飛輪，又稱DMF （dual mass ?ywheel）將發動機側的飛輪和變速器側的飛輪被分離開來，通過一個彈簧減振系統彼此相聯，可以吸收發動機扭轉振動；鐘擺式雙質量飛輪，又稱為CPA （centrifugal pendulum-type absorber），是在傳統的雙質量飛輪上再增加一個吸振器，其中的呈鐘擺型的離心擺往複作用，反向抵消並削減了從來自發動機側主動飛輪的扭轉振動。特別針對三缸發動機動態不平衡在低轉速時尤其明顯。

如下圖所示，三缸發動機產生的振動能夠被鐘擺式雙質量飛輪非常好的抑制，它較傳統雙質量飛輪有更好的效果。同時由於轉速和扭矩波動減小，發動機動力利用效率提高，採用鐘擺式雙質量飛輪帶來了更好的油耗表現。

↑鐘擺式雙質量飛輪減振和油耗性能對比

寶馬

↑寶馬i8配備的1.5T三缸高性能渦輪增壓發動機

寶馬i8配備的是1.5T三缸高性能渦輪增壓發動機驅動後輪，其最大功率達到了170kW，最大扭矩達到了320Nm，可謂是同排量發動機中的數據之王，並且順理成章地得到了當年的國際發動機大獎。

↑寶馬新一代高性能渦輪增壓發動機特性亮點（來自汽車之家）

寶馬新一代B系列渦輪增壓發動機所採用的電子氣門VALVETRONIC、缸內直噴High Precision Injection和單渦輪雙渦管TwinPower Turbo Technology成為其高性能的秘訣。

電子氣門VALVETRONIC系統通過電機執行器來連續調節氣門的升程，它相比傳統氣缸按需調節CYLINDER ON DEMAND擁有更寬泛的高效工作區域。

↑寶馬發動機連續可變氣門升程技術VALVETRONIC

而在寶馬B38三缸1.5T高性能渦輪增壓發動機中並沒有使用B48四缸2.0T發動機使用的單渦輪雙渦管技術，而是保留傳統單渦管。經過良好的調教，B38三缸1.5T發動機的單渦管方案具有和B48四缸2.0T發動機雙渦管方案相同的負載變化快速響應能力。

↑寶馬1.5T三缸渦輪增壓發動機單渦管性能對比

在新的寶馬UKL前驅平台車型上，比如1系、2系和全新X1，其採用的1.5T三缸發動機與i8的型號略有不同。它的功率被重新調教成100kW，扭矩則減小到了220Nm，可以看到，它的性能參數甚至略小於通用全新一代Ecotec 1.3T雙噴射渦輪增壓發動機。

↑寶馬全新X1配備1.5T三缸發動機和插電混動系統

目前消費者反映意見較多的就是寶馬1.5T三缸發動機的振動和噪音問題。可見三缸發動機動態不平衡所引發的問題是消費者非常關注的。但寶馬1.5T三缸發動機和插電混動系統搭配是個非常好的組合。因此小星非常推薦大家選擇全新X1 插電混動版這樣的新能源車型。

福特

↑福特三缸1.0T渦輪增壓發動機

福特三缸1.0T EcoBoost直噴渦輪增壓發動機隨著福特嘉年華車型一起引入。由於其使用三缸直噴發動機技術，不但獲得了沃德十佳發動機大獎，而且一直霸佔著三缸1.0T渦輪增壓發動機的性能之最。升功率92kW曾在很長一段時間是小排量發動機無法逾越的標杆。

↑福特三缸1.0T渦輪增壓發動機功率和扭矩曲線

福特三缸1.0T渦輪增壓發動機高性能的秘訣是進排氣獨立可調的氣門正時系統VVT以及集成的排氣管和專利的平衡減震系統。

1.t進排氣獨立可調的氣門正時系統

福特三缸1.0T渦輪增壓發動機進排氣凸輪軸都裝有電控執行器，可以靈活獨立調節進排氣氣門正時，從而支持掃氣模式（進排氣存在打開重疊時間），幫助缸內直噴系統更好的降低燃燒溫度和避免爆震。

↑福特三缸1.0T渦輪增壓發動機氣門正時VVT系統

2.t集成的排氣管

集成的排氣管在減少發動機體積重量的同時，能夠幫助發動機快速加熱至最佳工作狀態。這樣在發動機冷機時其性能和油耗也能夠得到有效保證。

↑福特三缸1.0T渦輪增壓發動機集成排氣系統

3.t專利的平衡減震系統

三缸發動機由於其動態不平衡的特性，振動的克服一直是一大挑戰。為了抵消三缸發動機轉動導致的一階振動，福特在飛輪和前部滑輪的設計時特意形成不平衡的趨勢。從而將三缸發動機特有的垂直方向的擺動轉化成水平方向的擺動。一方面水平方向擺動用戶感知較不敏感。另一方面水平方向擺動可由發動機固定的加強而有效改善。福特通過一個四兩撥千斤的方法，巧妙地應對了這個難題。

↑福特三缸1.0T渦輪增壓發動機專利的平衡軸減震系統

但隨著的通用全新一代Ecotec 1.0T雙噴射渦輪增壓發動機發布，在同樣達到升功率92kW的同時，油耗反而大幅降低至5L/100km以下，這其中雙噴射等先進的發動機技術的應用可以說是功不可沒。

大眾

↑大眾1.2T小排量渦輪增壓發動機

大眾1.2T小排量渦輪增壓發動機是此次對比中唯一的一款四缸發動機。由於前文提到消費者對振動噪音的苛刻要求，大眾堅持在EA211小排量發動機系列當中使用四缸架構。換來了不錯的噪音控制水平和扭矩表現，不過功率參數則是此次對比中最低的。這很大程度上由於1.2L如此小的排量使用四缸結構，遠離了單缸最優燃燒所需的排量範圍而導致的。

不過這裡要特別提一下，大眾MQB發動機橫置化平台中使用的帶主動閉缸ACT功能的EA211發動機。它大大降低了混合動力系統的油耗，同時也是和電機系統配合的絕佳選擇。

↑大眾EA211小排量渦輪增壓發動機氣缸鈍化系統ACT

通過電控執行器的控制，可以小幅將凸輪軸左右移動，從而使得中間的兩個氣缸可以在閉缸（下圖左側紅色部分，氣門搖臂對應圓形輪）和正常（下圖右側綠色部分，氣門搖臂對應凸輪）狀態間進行靈活切換。

↑大眾EA211發動機氣缸鈍化系統ACT執行器細節

目前的大眾EA211發動機正逐漸被全新的大眾EA211 EVO發動機家族替代。將來大眾EA211 EVO小排量發動機家族將主打四缸1.5L和三缸1.0L兩大排量。將有傳統噴射或燃油直噴、汽油/柴油/天然氣/插電式混動等多個變形版本。發動機性能方面將通過不同的變形版本全面覆蓋功率將從44kW到130kW和扭矩到95NM到300NM的範圍。

↑大眾EA211 EVO小排量發動機

其中米勒循環和VTG可變截面渦輪增壓系統的採用可謂是改進的兩大亮點。我們來具體看一下。

1.t米勒循環

發動機米勒循環在大眾集團的首次引入來自奧迪提出的適度尺寸Right Sizing理念，率先在新奧迪A4上使用該工作模式的2.0T EA888 Gen3.B發動機。現在該技術被擴展在大眾集團內使用，乃至擴展至小排量的發動機家族EA211系列。

該米勒循環工作模式如下圖所示由可變氣門正時VVT功能中的進氣閥早關EIVC（Early Intake Valve Closure）實現。藍線所示的壓縮行程比左側的膨脹行程短。使得系統具有更大的膨脹比，從而降低工作溫度，減少氮氧化物NOx排放。因此其等效壓縮比可達12.5：1。

但同時米勒循環也需要更大的進氣量來支持，也就是說需要更強大的渦輪增壓系統，以及對應的進氣冷卻系統。相應更短的燃油噴射時間對應需要更高壓力的燃油噴射系統。

↑新一代EA211 EVO發動機可靈活進入米勒循環

2.tVTG可變截面渦輪增壓系統

此前該系統廣泛在柴油渦輪增壓車型中使用。大眾集團首次將該技術應用到汽油渦輪增壓的量產車型中。如上提到的米勒循環需要更強大的渦輪增壓系統。大眾的解決方案就是引入該VTG可變截面渦輪增壓系統。VTG技術可以通過電控執行器可控的改變渦輪葉片的幾何形狀，從而提升發動機低轉速時的渦輪輸出功率。這一方面解決了米勒循環工作模式所需的更大的進氣量，另一方面改善了渦輪增壓車型特有的渦輪延時效應，加速響應更快。

↑新一代EA211 EVO發動機配備VTG可變截面渦輪增壓系統

綜上所述，雙積分政策的最大特點是它緊抓新能源汽車保有量的同時、不放鬆傳統汽車的油耗。在這種政策推動下，各家整車廠都勢必繼續推進發動機技術，特別是藉助小排量發動機技術首先交出企業平均油耗的答卷。

比如上汽通用汽車剛剛引入全新一代Ecotec 1.0T/1.3T雙噴射渦輪增壓發動機，將應用在別克閱朗旅行車和GL6等多款車型上。結合新能源車型一起，形成了高低搭配，傳統動力與新能源兼顧全面推進的局面。

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