淺談新世代引擎的冷卻技術

如何壓榨引擎的熱效率和廢氣排放標準，是今後一段時間主流車廠的攻堅方向。本文將簡單談談一些最新的冷卻技術對於渦輪增壓及自然吸氣發動機熱效率的影響。

作為現代小排量渦輪發動機的代表之一，本田L15B型渦輪增壓發動機以38%的熱效率，曾是量產汽油發動機的最大熱效率記錄保持者。當然這有個前提，是在不具備可切換為阿特金森循環的前提下的「地表最強熱效率"汽油發動機.『搭載豐田混合動力車型的引擎均採用阿克金森循環，如2ZR-FXE（熱效率38.5%）、2AR-FSE型（熱效率38.5%）、LEB型和LFA型（熱效率39%）』。

地表最強熱效率引擎的桂冠，其實已經易主。豐田的1.5L自然吸氣引擎2NR-FKE，熱效率也已達到了38%。而全新凱美瑞所搭載的更大排量的Dynamic Force Engine 2.5L自然吸氣引擎，竟然更近一步將熱效率提升至40%。能夠達到40%熱效率的秘密，其一是更大的衝程缸徑比，並且能夠實現阿特金森循環和奧拓循環可切換。

其二是全新的電動VVT技術（豐田官方稱為VVT-iE），增加了進氣門正時調整電機，這是它壓縮比能超過13：1的重要原因之一。相比普通的液壓VVT技術，電動VVT的響應更迅速、控制更精確，並且做到了無級可調。同時，也避免了發動機運行開始階段（例如冷車情況下）機油壓力不足時而進氣門正時機構工作效率低下的問題。

其三，則是2NR-FKE加入了水冷式的廢氣再循環技術（EGR），有效提高了燃燒熱效率。這款1.5L新發動機的氣缸水套下部有新型的隔塊，這種隔塊是由發泡橡膠和不鏽鋼薄板製成的。這種發泡橡膠會吸收冷卻水，膨脹後封堵部分流路，從而使水套的容量減小，因此達到了縮短髮動機暖機時間的效果。這種隔塊加入還能達到優化氣缸上部和中部溫度的作用。因為它隔堵作用，使氣缸的上部很好地降低了20℃左右的溫度，降低了爆震的發生幾率；而使氣缸中部較難流入冷卻水，讓氣缸中部溫度升高20℃左右。由於溫度的升高使活塞與氣缸壁之間的潤滑油粘度變小，這就降低了摩擦損失。

所以，為了儘可能的壓榨內燃機的熱效率，主流廠商已經開始在冷卻系統上做文章，諸如豐田的水冷式EGR，對於渦輪增壓引擎，還有更加高效的水冷式中冷技術。

比如寶馬M3/M4的S55B30發動機/賓士AMG GT的M178發動機液冷中冷器：

雖然對於M3/M4/AMG GT這樣的性能車而言，設計水冷式中冷的最大目的不是為了追求熱效率，而是為了提升引擎的響應，換用更高效的水冷中冷器，以降低中冷器的體積和氣道長度，從而達到降低渦輪遲滯的效果。但反過來看，水冷式中冷器將壓縮空氣的熱量吸收，讓熱量進入到冷卻液的循環中，變相利用了渦輪增壓發動機的熱量損失，這對於提升發動機熱效率，肯定是有正面效果的。

作為寶馬的好基友，豐田在8AR-FTS 2.0T引擎上同樣用上了水冷式中冷器，水冷式中冷器也讓這台2.0T引擎變得非常緊湊，（作為對比可以看看VW EA888的引擎）從渦輪到氣缸的歧管長度甚至不比一些NA引擎更長，這顯然對於解決渦輪遲滯問題有很大的幫助，同時進氣溫度更低，也帶來更好的引擎效率。加上這台8AR-FTS引擎還擁有水冷式排氣歧管，進氣/排氣側的多餘熱量都被回收利用，在冷車啟動期可以更快提升冷卻液溫度，使整台引擎更快進入熱效率更高的工作溫度。這對於提升引擎熱效率，都是有益的，可謂一箭雙鵰。可以預見未來一段時期，採用液冷中冷的渦輪增壓發動機會越來越多。

除了水冷式中冷器，水冷排氣歧管同樣是目前熱門提升引擎熱效率的方案：

第三代EA888的缸蓋內，排氣歧管和冷卻水套相互纏繞，達到熱交換的目的。

所謂發動機水冷排氣歧管，即在發動機的排氣歧管周圍設計冷卻液通道。其特徵在於：具有鑄造成一體的排氣法蘭和水套，排氣法蘭位於水套的內側，排氣法蘭上設有用於與發動機缸蓋連接的連接孔；排氣法蘭上設有多個排氣口和多個進水口，該進水口與水套相連通；水套設有出水口，排氣法蘭上的進水口、水套上的出水口與發動機缸蓋的水套連通，構成冷卻迴路。

關於排氣歧管的液冷，許多年前就有應用，國內也有不少關於排氣歧管液冷的專利，但過去運用的主要領域是柴油機或防爆內燃機上。根據文獻，最初在小型汽油機上應用該技術的是德國馬勒動力總成有限公司的Taylor Janies，Fraser Neil，Wieske Peter等人，他們對水冷排氣歧管進行了研究，將EGR技術應用到小型直噴式汽油發動機上，提出了小型化汽油發動機是用來降低汽車二氧化碳排放（降低碳排放即提升熱效率和燃油經濟性）的思路。

【第三代EA888的渦輪緊貼缸體，以減小渦輪遲滯】

內燃機的廢氣溫度極高，廢氣通過外置排氣歧管排出，幾乎和發動機的水循環系統沒有任何聯繫。但將排氣歧管集成在缸蓋內，高溫廢氣就可以和缸蓋內的水循環管路進行熱交換。目的同樣是更快的提升水溫，從而達到更快熱機進入正常工況的效果，對動力輸出、燃油油耗還是排放污染都有一定的改善，同時也可以減少發動機的低溫工況時間，降低磨損，延長引擎壽命。廢氣經過降溫後，也可以降低渦輪本體的工作溫度，這對於提升蝸輪壽命，延緩機油衰減都有意義。

VW官方宣稱第三代EA888的水冷排氣歧管能夠在高速工況下提升最多20%的經濟性，這個數據有些誇張，或許VW指的是熱車等特定工況下的經濟性提升。

【通用汽車GM的水冷排氣歧管】

水冷排氣歧管的另一個貢獻就是提升渦輪增壓器的效率，因為溫度越高的廢氣受熱膨脹影響越大，其密度就會降低，密度降低的廢氣對渦輪渦扇的推動力就會降低。經過水冷排氣歧管後進入渦輪增壓器的廢氣溫度大幅下降，廢氣密度大大提升，這樣的設計使得廢氣在低速時推動渦扇的「力氣更大」，渦輪增壓介入工作的時機能提前一些，從而提升渦輪增壓器的效率。過去要達成這一目的，只有通過換裝更大尺寸的中冷器才能實現，如今通過降低排氣側渦輪，也能達到事半功倍的效果。

而寶馬的B48引擎則為渦輪本體增加了專門的水冷管路，與水冷排氣歧管的思路也有著異曲同工之妙。

寫在最後：

事物總是存在兩面性的，水冷排氣歧管對於引擎熱效率和壽命都有正面的影響，但同時也對發動機中缸和缸頭的材質提出更高的要求。考慮高溫廢氣歧管的外側直接接觸冷卻液，造成了內外較大溫差，熱應力必然較大，如果材質的性能不過關，帶來的就是缸裂等大問題，引擎的壽命顯然會打個問號。而發動機開始工作到發動機停止工作，溫差同樣大，響應部位的循環載荷高，對材料的熱疲勞壽命也提出了更高的要求。這些都是水冷排氣歧管的難點所在。可以預見，隨著電動渦輪，電磁氣門等新技術的成熟，成本下降，乘用車的汽油機的熱效率還有提升的空間，目前40%的熱效率，還遠遠沒到天花板。

一邊是新能源技術的發展，而另一邊是內燃機在被取代前依然在逐步完善自己。追求更高熱效率的步伐，依然不會停歇。