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为什么又要做增压?谈马自达2.5T发动机

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马自达对发动机小型化探索之路

  [汽车之家 发动机技术]  马自达此前一直坚持自家的创驰蓝天自然吸气发动机,在燃油经济性和动力性的平衡方面比小排量涡轮增压发动机更有优势。被誉为是创驰蓝天之父的人见光夫先生不只一次地召开发布会,以各种技术数据来印证上述观点。马自达在中国推出的车型也一直以配置自然吸气发动机为主,同时也一直宣扬企业对自然吸气发动机的坚持。但就在不久之前,马自达推出了其全新2.5T涡轮增压汽油发动机,属于创驰蓝天产品序列。究竟马自达为什么放弃了以往的坚持,一个转身便踏入了涡轮增压发动机阵营呢?作为创驰蓝天之父的人见光夫在这款2.5T发动机上又应用了哪些“黑科技”呢?本文将一一为你揭秘。

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● 首款创驰蓝天涡轮增压汽油发动机

  马自达全新的2.5T发动机与新CX-9车型相伴而生。这款全新的发动机替换了老CX-9上的那台3.7L V6自然吸气发动机,在优化动力输出性能的同时,在燃油经济性上取得了较大的进步。

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  马自达迟迟未推出涡轮增压发动机的原因,我认为更多的是因为还未取得关键技术突破,研发阶段产品尚未达到目标性能,能否量产还存在疑问。夸下海口显然不是马自达这家日本企业的作风,不确定的东西自然不能大肆宣传,产品“跳票”了企业面子上可挂不住啊!经历了数年的研发时间,马自达最终还是把这款属于创驰蓝天产品序列的首款涡轮增压汽油发动机投向了市场。它能在市场上激起多少涟漪目前尚未明确,但这款发动机的诞生过程肯定不是一蹴而就的。

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  马自达2.5T发动机是如何达成上述目标的呢?本文将会为你深入剖析。但在分析这款2.5T发动机之前,我们先回到30年前,了解下当时马自达对涡轮增压发动机所进行过的探索。

● 马自达30年前对发动机小型化之路的探索

  在30年前,人见光夫研究过通过涡轮增压技术来实现发动机小型化的课题,但以当时的技术水平(可变气门正时技术、缸内直喷技术尚未兴起)无法取得动力性与燃油经济性的平衡。而机械增压技术能够一定程度实现发动机小型化,相比涡轮增压技术,能更好地平衡动力性与燃油经济性,成为当时人见光夫更为推荐的发动机小型化方案。

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  马自达KJ-ZEM发动机采用了拥有比传统奥托循环更高热效率的米勒循环来提升发动机燃油经济性。同时,该发动机搭载机械增压技术,利用曲轴皮带轮通过皮带带动机械增压器对空气进行压缩后再导入气缸,以提升发动机低转扭矩输出,弥补米勒循环发动机低转扭矩输出弱的缺点,从而让发动机在整个转速范围内都拥有较好的动力性和燃油经济性。

马自达KJ-ZEM与本田J30A1参数对比
发动机型号马自达KJ-ZEM本田J30A1
排量/结构2.3L/V63.0L/V6
进气形式机械增压自然吸气
最大功率220马力/5500rpm204马力/5500rpm
峰值扭矩294牛·米/3500rpm264牛·米/4800rpm

  马自达的KJ-ZEM发动机由于采用了机械增压器,在实现发动机小型化的基础上在动力输出上超过了当时的3.0L自然吸气发动机。

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  在30年前,由于可变气门正时技术(VVT)、缸内直喷技术还未兴起,使得利用涡轮增压技术实现发动机的小型化道路上产生了很多的阻力。人见先生是个实用主义者,倾向于开发在实际使用情况下效能更好的发动机,所以在当时选择了研发采用米勒循环的机械增压发动机,没有把涡轮增压发动机的路走下去。

● 人见光夫推崇高压缩比自吸发动机的原因

  21世纪之初,随着排放法规升级对厂商的步步紧逼,各厂商的工程师都绞尽脑汁研究节能减排的方法。当时的主流技术路线是小排量涡轮增压发动机路线,通过缩小发动机排量和气缸数来缩小发动机体积、降低发动机重量及其运转阻力,同时利用涡轮增压器把小排量发动机的动力提升至更大排量发动机的水平,最终实现动力性和燃油经济性的提升。

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  随着直喷技术的成熟,通过燃油加浓喷射虽然能降低气缸温度(汽油蒸发吸热)从而抑制爆震现象,一定程度提升了压缩比,但用于降温的汽油白白浪费了,部分工况下燃油经济性不佳。这也是为什么小排量涡轮增压发动机在中高负载/扭矩输出工况的燃油经济性不及创驰蓝天自然吸气发动机的一个重要原因,也是人见先生近年来一直推崇高压缩比自然吸气发动机的原因之一。

● 2.5T横空出世——市场竞争催生技术升级

  搭载在2013款马自达CX-9上的马自达3.7L V6自然吸气发动机在燃油经济性上已经显得有些落伍。在2.5T发动机推出前,在创驰蓝天产品序列中缺少一台超过200马力输出的汽油发动机产品。这意味着在中大型车/中大型SUV市场中,马自达产品力存在不足。

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  可幸的是,在30年后的今天,可通过发动机结构分析来优化发动机机械结构从而提升发动机结构强度以及NVH性能;通过燃烧室模拟技术能够在设计阶段就把燃烧室结构设计优化到一个较高的水平,加快研发速度并降低研发成本。可变气门正时技术、涡轮增压技术、缸内直喷技术以及各种取代机械控制的电控技术都使提升发动机的性能指标成为可能。马自达通过上述各种技术的整合实现了高压缩比涡轮增压发动机的设计目标。

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马自达2.5T发动机上的黑科技

● 马自达2.5T发动机的黑科技

  相比上一代CX-9采用的是3.7L V6自然吸气发动机,全新的创驰蓝天2.5T发动机在性能和排放上均有所改善,同时发动机小型化带来了约20%的燃油经济性提升。此外,这款2.5T直列四缸发动机相比3.7L V6发动机,除了气缸数减少导致缸体体积/重量缩减外,可变气门正时调节器、凸轮轴、喷油轨、活塞、连杆数量的减少也较大地降低了制造成本。

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新老马自达CX-9发动机参数对比
车型2016款美版马自达CX-92013款美版马自达CX-9
发动机排量2.5L3.7L
进气形式涡轮增压自然吸气
压缩比10.5:110.3:1
最大功率253马力/5000rpm277马力/6250rpm
峰值扭矩420牛·米/2000rpm366牛·米/4250rpm
美国EPA
油耗测试数据
21MPG(城市)/27MPG(高速)/23MPG(综合)16MPG(城市)/22MPG(高速)/18MPG(综合)
注:MPG是Miles Per Gallon的缩写,意思是每加仑燃油可行驶里程,数值越大越好。

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几款中大型SUV美国EPA油耗对比
车型发动机城市油耗高速油耗综合油耗
2016款
美版马自达CX-9
2.5L
直列四缸涡轮增压发动机
21MPG(11.2L/km)27MPG(8.7L/km)23MPG(10.2L/km)
2016款
美版日产Pathfinder
3.5L
V6自然吸气发动机
19MPG(12.4L/km)26MPG(9L/km)22MPG(10.7L/km)
2016款
美版福特探险者
3.5L
V6双涡轮增压发动机
16MPG(14.7L/km)23MPG(10.2L/km)19MPG(12.4L/km)
2016款
美版起亚索兰托
3.3L
V6自然吸气发动机
18MPG(13.1L/km)26MPG(9L/km)21MPG(11.2L/km)
注:MPG是Miles Per Gallon的缩写,意思是每加仑燃油可行驶里程,数值越大越好。表格内各车型均为四驱版本车型。

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  由于涡轮增压发动机混合气燃烧压力更高,产生的热量更大,使得气缸内温度要比自然吸气发动机高,所以在压缩比绝对数值上小一些才能保证发动机的稳定工作。

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  马自达创驰蓝天2.5T发动机虽然在整体结构上尽量保持与创驰蓝天2.5L发动机一致,但为了配合动态压力涡轮,气缸盖已经采用了主流的集成式排气歧管的设计。集成式排气歧管能够促进高温废气与发动机冷却液的热交换,提升发动机暖机性能及降低发动机高负荷时的排气温度。同时,更短的排气歧管也一定程度上减小了发动机的泵气能量损失。

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  当发动机转速低于1620rpm的时候,蝴蝶阀会关闭较粗的管路,废气只能通过较细的管路到达涡轮,从而加快了废气流速,增强推动涡轮转动的废气脉冲强度,使涡轮提速更快,增强发动机低转扭矩输出表现。

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创驰蓝天2.5T发动机各气缸工作顺序
曲轴转角(°)1缸2缸3缸4缸
0-180作功排气压缩进气
180-360排气进气作功压缩
360-540进气压缩排气作功
540-720压缩作功进气排气

  创驰蓝天2.5T发动机各气缸的工作顺序为1-3-4-2,如上表所示。为解析动态压力涡轮促进扫气的过程,我们举个例子:1缸排气过程初段,2缸处于进气行程的扫气阶段(进排气门同时打开),这样1缸的排气气流会把2缸的扫气气流从中央的排气口“吸出”,促进了2缸的扫气效果,加上增压进气气流的助力,残留废气的比率得到有效降低,降低了气缸温度。每一个气缸的排气都能促进另一个气缸的扫气,使得10.5:1高压缩比的涡轮增压发动机成为现实。

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马自达2.5T与其他排量更小的主流涡轮增压发动机压缩比参数
发动机压缩比
马自达2.5T发动机10.5:1
丰田2.0T发动机10:1
大众2.0T发动机(第三代EA888)9.6:1
标致雪铁龙1.6T发动机9.5:1
福特1.5T发动机10:1
大众1.4T发动机(EA211)10.5:1
福特1.0T发动机10:1

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全文总结:

  马自达创驰蓝天2.5T发动机是其在技术上不走寻常路的又一件作品。该发动机采用的动态压力涡轮是其最大亮点,也是提升压缩比的独创技术。人见光夫先生以其30多年的发动机研发经验让世人再一次为马自达的研发实力而刮目相看。该发动机以主流的动力输出,优异的燃油经济性让同级竞品不能忽视它的存在,也解决了马自达在中大型车/中大型SUV市场中,动力系统产品力不足的问题。有消息称搭载该发动机的全新马自达CX-9或将于今年内引进国内,该车动力系统的综合表现值得期待。(图/文 汽车之家 常庆林)

相关链接:

  聊聊幕后开发故事 对话创驰蓝天之父
  http://www.autohome.com.cn/tech/201511/881302.html

  高压缩比的秘密 拆创驰蓝天2.0L发动机
  http://www.autohome.com.cn/tech/201410/846663.html

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