从宝马7系说开去 浅述高效动力系统

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图:宝马高效动力战略。

人们对驾驶乐趣日益增长的需求和落后的燃油效率已然成了当下整个汽车业界的主要矛盾。好在聪明的汽车工程师们足智多谋,一点点的推高动力效能,一点点的吊着消费者的胃口。其实回首过往,在升功率(发动机每升排量产生的功率)方面的进步,还真的不止一点点呢。

上世纪初这个星球上最畅销的车型福特T型车搭载了一台排量为2.9升的直列四缸引擎,其总功率只有区区20匹约14.7KW,升功率仅为5KW。同时代创下陆地极速202.648km/h的奔驰传奇跑车Blitzen-Benz,是在配备了惊人的21.5L排量的直列四缸发动机的情况下才完成了这一壮举的。而这台现在看起来排量大的难以置信的发动机仅仅能产生200匹约147kw的最大功率,相比于其惊人的排量,升功率也只有6.83KW。

图:奔驰Blitzen-Benz。

到了20世纪中叶,航天工程师们已经可以将宇航员送上月球了。更接地气的汽车工程师们当然不愿意在与同时代大学校友的竞争中败下阵来。1965年推出的第一代福特野马搭载了一台4.7升的V8发动机,这台发动机已经可以产生与50年前其排量四倍多的发动机相同的峰值功率,升功率达到了31KW。得益于这台粗犷的V8发动机,在崇尚肌肉车的60年代福特野马被打造成了一个时代符号。

图:福特野马1967。

图:捷豹E-TYPE 1961。

二战后暴发的财大气粗的美国人依然在粗放的制造者他们的汽车,秉承着“动力不够加排量”的宗旨,诞生了各种排量动辄8L的美式肌肉死胖子,直到70年代第一次石油危机的爆发。石油的价格几乎瞬间翻了两倍,那些还在酣然大睡的死胖子一个激灵摔下床,突然意识到自己的衣食安危掌握在别人手中。“这是天真梦想的终结”,这句刊载在《打破美国汽车工业独占鳌头的巨变》一文中的感叹,准确的反映了当时美国各大汽车制造商的绝望与震惊。工程师们不得不面对无数个不眠夜来保住自己的饭碗。

效果是显著的,巨大的美式肌肉车在仅仅两年后便推出了向紧凑节能的日系汽车靠拢的车款。雪弗兰caprice的排量从1974年的7.2L V8逐渐下降到1976年的5.7L V8,1977年的4.1L直六,动力也一路从270马力降到110马力,并一直延续到之后的80-90年代。尽管在升功率上并没有进步,但动力的降低以及车身尺寸的减小依然立竿见影的降低了单位里程燃油消耗,即我们常说的百公里油耗云云。

图:雪佛兰1965款 Caprice(上) 与1985款Caprice(下)的尺寸对比。

80年代后期到90年代初,汽车开始进入了普通中国人民的视野。早早进入中国的德系三巨头前瞻性的在人们心中钉入了“坐奔驰、开宝马、领导进奥迪”的观念,使得他们日后在华顺风顺水羡煞旁人。当然这些名头可都不是信手瞎编来的。奔驰的确有着出色的乘坐舒适性,港片里的黑帮老大都坐它;奥迪则有着不可一世的江湖地位,出巡的领导车队少不了它;而宝马则时常在影片里承担着各种高性能车的角色,各种追车镜头不能没有它。他们仨都不负其名。

宝马的高性能是融入血液的,这个由飞机发动机制造厂转型而来的车企,天生就擅长折腾发动机。同样是1965年,BMW推出的2000cs型双门跑车,搭载了一台1.99L的直列四缸发动机,峰值功率为122ps即89KW,升功率达到了45KW。虽然在升功率上依然略逊于E-TYPE,但峰值功率转速较低,单位里程燃油消耗较少。

图:1965 BMW 2000CS。

图:化油器原理。

化油器利用简单的伯努利原理,即流速越高压力越低,在进气管处设置一喉管提升空气速度,使得与油箱相连的燃料喷口处压力下降,吸出燃油,并在高速空气的作用下将燃料打散成小液滴。燃油量的控制由节气门开合度所控制的空气量决定,这一控制系统的精度并不高,受气候条件的影响较大,而且进气管内喉管及节气门的设置提升了进气阻力,使得进入气缸内的新鲜空气相应的不足,不充足的空气以及不精确的燃料量使得采用化油器的发动机很难实现理想的燃烧。直到缸内直喷技术的日趋成熟,才逐渐解决了这一问题。

图:缸内直喷技术。

发动机缸内直喷技术顾名思义就是将燃油直接喷入气缸内与空气混合,取消了喉管等进气管内多余的机构,减小了进气阻力,使得更多的空气得以进入气缸。现代汽车发动机的燃油喷嘴压力很高,可以使燃料充分雾化,一般液滴直径可小至发丝直径的20%,并在发动机控制单元的控制下根据车辆行驶状况精确的确定喷油的时间及数量,辅之以同样精确可调的空气进气量,使得燃油的燃烧充分、高效。

各大车厂都有自己的燃油直喷技术,技术指标及构造上大同小异,但名字各有不同,如大众的FSI、奔驰的CGI、通用的SIDI等。宝马集团的燃油直喷系统称为HPI(High Precision Injection),即高精度直喷系统,该系统所采用的高精度压电喷油嘴每次喷油的时间仅为0.14ms,相当于人眨眼一次的时间内就可以完成多达1400次的喷油(人眨眼时间约为0.2-0.4s)。得益于如此高效的喷油嘴,系统可以控制发动机在高转速下实现每工作循环多次喷油,实现分层燃烧以及过量空气下的稀薄燃烧,使得燃料的燃烧更加充分,燃烧过程更加理想,燃料所释放出来的能量更多的传递到曲柄连杆机构上。

宝马在旗下735i、535i、335i等车型上便应用了搭载有该项技术的发动机,这台代号为N55B30的发动机是宝马的明星机,搭载了一系列先进的技术用来提升整车的燃油效能。不仅是轻量化的镁合金机体,直列六缸机与生俱来的完美平顺性,N55还是BMW第一台融合了涡轮增压、缸内直喷及电子气门技术的发动机,可谓精工细作。

图:BMW N55B30发动机。

图:涡轮增压技术。

N55的的涡轮增压技术也是来头不小,其单涡轮双蜗管的创新设计,不但简化了进排气机构,而且使得发动机在极宽的转速区间都可以输出峰值扭矩,低点低至1200转每分,使得汽车拥有出色的加速性能。辅之以电子气门,高精度喷油嘴等附件,这台发动机在绝大多是工况下都能呼吸顺畅,充分的利用每一滴燃油,有着优异的燃油经济性。其升功率已经达到74.7KW的高度,每升排量输出超过100马力。

图:单涡轮双蜗管涡轮增压器。

不同于涡轮增压,机械增压则是使用一部分的发动机动力来驱动压气机进行增压。机械增压的压气机通过皮带连接在发动机上,这使得机械增压器的转速与发动机转速保持了固定的正比关系,压气机的泵气量相应的也与发动机转速成正比,这使得机械增压发动机有着和自然吸气发动机几乎一样的线性动力输出,但相较于后者有着更好的燃油效率。但由于机械增压需要耗费发动机的能量,且本身受限于体积,增压效果并不如涡轮增压显著,且涡轮增压器在电子设备的辅助下已经基本解决了涡轮迟滞问题,因故机械增压器在新款汽车上一般很少采用。常见的机械增压器有螺旋式增压器(上图)和离心式增压器(下图)。

图:常见机械增压器类型。

图:汽波增压器。

除了上述主流的增压技术,还有一种称之为谐波增压的增压方式。名字听起来很是唬人,实际上只是通过优化进气管的结构,有些甚至只是扩大进气管口的尺寸,使得在车辆高速行驶的的情况下,利用空气相对压力使发动机进入更多空气,增压效果并不显著。

图:谐波增压。

有着上述技术的支持,发动机内燃油的燃烧度已经接近理想水平了,很难再提升,然而内燃机的整体效率仍然只有30%出头,剩余动力的挖掘依然任重道远,工程师们不得不另辟蹊径。受制于内燃机的先天缺陷,研究进一步提升内燃机的效率费效比太低,工程师们开始着眼于携带大量能量的发动机废热以及车辆在制动过程中由动能转化而来的热能。将热能转化为机械能的方式一般有两种,或是直接利用蒸汽机的原理,或是以电能为中间媒介驱动电动机。蒸汽机体型很大,在空间十分有限的乘用车上显然无法施展,将热能先转化为电能成了不二之选。

发动机排出的废气包含了燃料燃烧的约1/3的能量,如何转化这部分能量显然十分诱人,虽然早在1960年人类就发明了温差发电器,它没有转动部件,体积小、寿命长、工作时无噪声,而且无须维护,但至今成本高昂,仅仅应用在不计成本航天领域,工程师们不得不暂时搁置这个念头。制动能量虽然并不多,但在频繁堵车大大城市里应用制动能量回收系统依然可以节约不少燃油。顾名思义,制动能量回收系统就是回收车辆车辆制动时的动能损失,将这部分能量转化为电能储存在车载电池中,用来做车量照明电源或由电池驱动电动机作为辅助动力来降低综合油耗。配备了辅助电动机的车辆一般被称为混合动力车,然而混合动力车远远不只是配备了用能量回馈系统而已。

图:制动力回馈系统。

图:宝马I8。

相较于略显科幻的i8,作为宝马高效动力计划代表车型的宝马7系Active Hybrid车款则更为实际。采用轻度混合动力的Active Hybrid 7由BMW 750Li为基础打造而来,由电动机为车辆提供辅助动力,改善高油耗工况下的发动机运行状况。这台车还配有发动机启停技术,在等红灯、堵车等短时不需要动力的情况下,驾驶员将车辆切换到空档(N档)或驻车档(P档)时由系统自动关闭发动机,重新切回行车档(D档)自动启动发动机,减少了发动机怠速时的油耗,使发动机油耗降低了3%。一些列举措使得这台配备了4.0L v8发动机,车重超过2吨的大型豪华车的百公里综合油耗仅有9.4L。

图:宝马高效动力计划代表车型Active Hybrid 7。

宝马高效混合动力计划虽然是在21世纪才提出的,然而实际上早在1995年这项计划便已经付诸了实践。近20年来,这项计划已经使得宝马旗下车型降低了30%的二氧化碳排放,到2020年还将进一步降低25%。当然不仅仅是宝马,世界各大厂商在节能减排的道路上都贡献着自己不可取代的力量,为了节省宝贵的化石能源,也为了一个更清洁的地球。


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