宝马B系列 VS通用Ecotec —模块化生产和单缸最优概念的碰撞

Posted 2021-04-27 飞灵汽车

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文：Kimi

在说到发动机单缸排量这个话题时，我们经常在很多文章里看到如下的引用：“大约10年前，一群来自德国大学的工程师通过研究得出结论：0.5升是内燃机每个气缸最理想的排量值。他们的成果表明，如果每个排量为0.5升的气缸采用冲程大于缸径的设计布局，那么当活塞抵达上止点时，发动机缸内面积与容积之比将达到最小值，这可有效改善燃烧过程。”并且力举宝马是这个研究的忠实拥护者。

“0.5升是内燃机每个气缸最理想的排量值”这个说法是否合理？

假如这个说法是严谨的话，那么丰田这个全球汽车企业的龙头企业就要被打脸了。通过对丰田2000年之后的发动机进行数据统计，我们会发现丰田的发动机单缸排量数值似乎毫无规律可言，也完全不符合所谓的0.5L最佳单缸容积的特性。

 

单就发动机燃烧效率来说，以丰田为代表的日系发动机一直是发动机热效率榜单上的常胜将军，丰田那台搭载在THS混动系统上的1.8L和旗下的2.5L发动机热效率都达到了40%。而反观宝马2000年以后的发动机单缸容积，其实也只是0.5L的发动机占比相对多一点，实际容积从0.35~0.6L之间都有覆盖。

 

如果从功率的角度来说，我们又可以看到保时捷911的3.8T，法拉利488的3.9T，奔驰S63的5.5T，考维特C8的4.2T和5.5T等等这些著名“凶器”。而且在北美的中大型车上，3.5L、3.6L、5.3L的自吸发动机大行其道。这些发动机单缸容积都不可能实现所谓的0.5L最佳单缸容积的说法。

宝马为什么偏好0.5L的单缸容积？

其实这个问题有两个主要原因，一方面是宝马从2000年之后，开始对发动机进行模块化开发，将单缸容积和缸径固化之后，进行模块化开发，根据排量的多少来决定气缸的数量,实行单缸0.5L的模块化叠加。所以我们就会看到有1.5L的3缸B38、2.0L的4缸B48、3.0L的6缸B68等等。这样既可以缩短开发周期，又可以提升零部件通用率，其中B38的零部件可以与其它三款汽油机实现60%的零部件通用率。

另一方面宝马青睐0.5L的单缸容积跟德国的排量税法规有关系，德国和中国是少量几个以发动机排量来执行消费税的国家，德国是按每100cc来收税，而中国税率标准刚好是0.5L的倍数，所以我们会发现引进到国内的车型发动机选用单缸0.5L容积的不仅仅只是宝马，还有大众和奔驰。当然，德系都选择 0.5L作为单缸容积也有一部分原因是因为这种容积的缸体可以实现小缸径、长行程的设计理念，有利于提升发动机的热效率和功率。

 

消费税排量规定表

 

发动机的单缸设计是否有最优解的说法？

通过以上的分析，我们不难发现“0.5L最佳单缸容积”的说法是站不住脚的。那么发动机的单缸容积的设计开发是否有最优解的说法呢？答案显然是有，但不是以发动机容积为标准，而是根据车辆对发动机性能的需求，去对应开发单缸的面容比（缸体的面积与容积的比值）。当车辆需要发动机在高转速输出扭矩峰值时，就对应设计面容比小于1的缸体；当车辆需要发动机在低转速输出扭矩峰值时，就对应设计面容比大于1的缸体。面容比的设计范围一般是在0.8~1.2之间。所以，发动机的单缸最优概念应该是：根据发动机的实际性能需求去设计单缸容积、缸径和活塞行程来设计发动机的单缸最佳面容比，让发动机的燃油经济性、排放、扭矩和功率达到最佳的平衡，满足产品的开发需求。

单缸最优设计的概念不妨看看通用Ecotec的诠释

在发动机的单缸最优设计的概念上，我们可以看看通用的Ecotec系列发动机的设计理念。通用在发动机的设计上，不局限于单缸的容积，而是通过不断的迭代优化单缸的容积、缸径、活塞行程来调整面容比，再配合先进的喷油、进排气等控制技术，来实现单缸燃烧最优和单缸结构最优的概念，不断提升发动机的热效率、排放、峰值扭矩和功率。

通用这种寻求最优设计的技术迭代理念，我们可以以通用全新一代Ecotec 1.3T、1.0T与上一代1.4T、1.5L来对比，就会发现它带来的发动机性能提升非常明显。全新一代Ecotec 1.3T发动机最大功率120kW，相比上一代1.4T发动机，在相同转速下1.3T发动机可输出230Nm最大扭矩，1.4T则只有206Nm，且1.3T发动机重量减轻25kg，动力提升15%，油耗下降5%；全新一代Ecotec 1.0T发动机最大功率92kW，在2000rpm即可输出170Nm最大扭矩，上代1.5L发动机则需要在4000rpm才能达到141Nm最大扭矩，而且1.0T发动机比上代1.5L发动机减轻24公斤，燃油经济性提升10%。

 全新一代Ecotec 1.3T双喷射涡轮增压发动机

另外，我们对通用Ecotec系列发动机数据进行统计就会发现，别克在单缸容积上并不刻意追求固定容积的概念。Ecotec系列发动机目前主要是3缸和4缸机，排量范围从1.0L~2.4L，包含约7种排量的多种机型，单缸容积在0.33~0.6L之间波动。通用在Ecotec系列发动机的开发策略上，首先是确定发动机排量（排量确定之后发动机的功率基本就被固定在一个范围之内），然后对单缸结构的设计上追求的是小缸径、长行程的概念，让发动机的面容比设定在小于1来使发动机能在低转速输出高扭矩，维持宽泛的扭矩平原，同时在燃油经济性和峰值扭矩、功率之间找到最佳的平衡点。

当然，影响到发动机性能的参数不仅仅只是单缸面容比、缸径、活塞行程这些因素，发动机的结构设计、进排气和燃油喷射控制策略也非常关键。

通用Ecotec系列发动机在发动机结构设计和燃油喷射技术上都有着它的独到之处。比如在结构设计上，缸体采用高精密压铸铝合金，实现发动机轻量化设计；缸盖与排气歧管集成设计，轻量化设计的同时也有利于模块化设计和实现双节温横流式分离冷却的热管理；曲轴偏心设计，减低活塞侧向力提升充气效率；钟摆式双质量飞轮和下沉式可变排量机油泵，有效抑制发动机震动和噪音；气门正时系统中置设计，改善气门响应速度，提升进排气效率等等。

 

在燃油喷射和进排气的精密控制上：喷油嘴顶置设计，改善燃烧效率；在小排量的1.3T和1.0T发动机上采用进气歧管的单缸双喷射技术，既有效改善气门积碳，也实现发动机喷油的精准控制；采用电磁泄压阀，改善低转速泵气损失，提升低速扭矩；采用低惯量涡轮增压器，提升了发动机低转速的涡轮效应速度和涡轮转速，改善了传统涡轮增压发动机动力输出反应滞后的痼疾等等。

综述，宝马因为产品系列主要为高端车型，发动机功率需求不会太广泛，再加上税收和模块化设计的契合，才让它保持单缸0.5L容积的模块化设计理念。但是这并不代表这种设计理念有问题，宝马在不同发动机的单缸缸径和行程上也会有相应的调整，只是稍显局限。而通用旗下产品比较丰富，覆盖了各种消费群体，所以对发动机性能需求比较多样化。这样就需要通用去根据不同的需求来匹配发动机，实现该发动机类型在燃油经济性和扭矩、功率、排放之间的最佳平衡点去匹配车型，始终让发动机的结构和单缸性能达到需求上的“最优”设计。

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