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美式皮卡換心 福特測(cè)試對(duì)置活塞汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)

根據(jù)美國(guó)某媒體的報(bào)道，福特將通過 F150 車型測(cè)試一套全新的動(dòng)力系統(tǒng)——由 Achates 動(dòng)力公司提供的 2.7 升 3 缸對(duì)置活塞汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的提供方 Achates 宣稱，這款發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?yàn)?F150 提供至少 367 馬力的最大功率和 650 牛•米的峰值扭矩，盡管這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率低于目前量產(chǎn) F150 使用的 3.5 升 V6 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但峰值扭矩卻要略高于那臺(tái) Ecoboost 發(fā)動(dòng)機(jī)的 637 牛•米。

區(qū)別于斯巴魯、保時(shí)捷使用的水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)更像是前者反置的重新組合。發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)活塞共用一個(gè)氣缸套，對(duì)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用一個(gè)燃燒室做功。因?yàn)闆]有氣缸蓋，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，從而減輕重量，減少熱損失。此外，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)也不需要復(fù)雜的配氣機(jī)構(gòu)。既，沒有凸輪軸和進(jìn)排氣門，發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本得以降低至少 10%。因?yàn)槎嗖捎枚_程設(shè)計(jì)，在同等轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出至少是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的 2 倍。另外，與普通的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒室的循環(huán)空氣的效率高出 30% 以上，燃油燃燒也更完全，尾氣排放可以達(dá)到普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。

其實(shí)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)并不是什么新鮮事物，1882年，James Atkinson 在研究阿特金森循環(huán)時(shí)，制造了第一臺(tái)對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的原型。一種公認(rèn)的說法是，最早適用于汽車的小型對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在 1900 年前后，由法國(guó)的 Gobron-Brillié 公司生產(chǎn)。1904 年 4 月，使用 Gobron-Brillié 發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車成為世界上第一輛時(shí)速超過 150 公里的汽車，同年 7 月，Rigolly 駕駛該車再次打破了之前的速度紀(jì)錄，該車也成為人類歷史上首個(gè)時(shí)速超過 100 英里（約 161 公里）的交通工具。首臺(tái)對(duì)置活塞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由俄羅斯的 Kolomna 工廠在 1907 年生產(chǎn)。之后，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)又衍生出了其他一些形式。如辛普森平衡二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，Napier Deltic 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及 Doxford 船用大型對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、工作性能等原因，這些發(fā)動(dòng)機(jī)通常被當(dāng)作船用發(fā)動(dòng)機(jī)或?yàn)檠b甲車輛、大型機(jī)械裝置提供動(dòng)力。另一個(gè)值得被記住的名字是Jumo 205，由容克公司生產(chǎn)的這臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，開創(chuàng)了柴油航空發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史，它所衍生出的 Jumo 系列發(fā)動(dòng)機(jī)也成為超過半個(gè)世紀(jì)的、唯一成功的柴油航空發(fā)動(dòng)機(jī)。二戰(zhàn)后，由于燃?xì)廨啓C(jī)的崛起，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)才逐漸淡出歷史舞臺(tái)。

與常見的直列或 V 型氣缸布局的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特殊，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需要更為復(fù)雜的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，將分散的動(dòng)力輸出集中到一起。加之氣缸的進(jìn)氣、排氣過程需要通過活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，排氣通道一側(cè)的活塞會(huì)長(zhǎng)期處于高溫工作環(huán)境，需要更為復(fù)雜的潤(rùn)滑與冷卻處理。可以想象，雖然簡(jiǎn)化了氣缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)，熱效率提升，但工程師們同樣也無法通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的靈活調(diào)節(jié)，在更廣泛的區(qū)域內(nèi)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出和排放。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向高度也是一個(gè)無法回避的問題，盡管可以通過類似水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)的方式降低重心，但發(fā)動(dòng)機(jī)寬度也會(huì)對(duì)小型乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局構(gòu)成挑戰(zhàn)，而來自發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和氣缸壁的單側(cè)磨損也不得不考慮。

盡管面對(duì)諸多挑戰(zhàn)，但來自熱效率的優(yōu)勢(shì)，還是無法讓業(yè)界忽視對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的存在。除 Achates 動(dòng)力之外，還有 EcoMotors 和 Pinnacle Engines 對(duì)這一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)有著較為深入的研究。三家公司中，前兩者著力于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，而后者則發(fā)展四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。Achates 動(dòng)力成立于 2004 年，因其在高效能動(dòng)力領(lǐng)域的研究，獲得了紅杉資本、美國(guó)軍方、美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃署、沙特阿美公司、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德爾福公司的青睞。由于使用了 Achates 動(dòng)力的設(shè)計(jì)，康明斯公司為布雷德利戰(zhàn)車提供的 14.3 升對(duì)置活塞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，可以輸出 1000 馬力的最大功率和 3254 牛•米的峰值扭矩，相比過去的動(dòng)力系統(tǒng)，新發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度提升了 50%，燃油消耗降低了 13%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升了 21%。

Achates 動(dòng)力為福特提供的發(fā)動(dòng)機(jī)，將實(shí)現(xiàn) 37 英里/加侖（約合 6.36 升/100 公里）的超低油耗，優(yōu)于 CAFE 2025 中規(guī)定的 35 英里/加侖（約合 6.72 升/100 公里）的標(biāo)準(zhǔn)。相比現(xiàn)有的 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量?jī)H相當(dāng)于過去的 60%，這將幫助制造商將每輛皮卡的生產(chǎn)成本降低 1000 美元左右。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與容克 Jumo 系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)類似，擁有上、下兩根曲軸，兩根曲軸通過一組齒輪鏈接，從而有效降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪音。因?yàn)閹в幸粋€(gè)伊頓 R900 雙速驅(qū)動(dòng)機(jī)械式增壓器，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的充氣效率。相對(duì)傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，它的單氣缸容積大了 50%。在相同的增壓條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更為稀薄的燃燒，從而提高熱效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸帶有兩支相對(duì)布置的噴油嘴，可以實(shí)現(xiàn)高精度的、可控的燃料分層。另外，由曲軸驅(qū)動(dòng)的高壓油泵可以為 GDI 噴油嘴提供高達(dá) 2500 巴的噴油壓力，GDI 噴油嘴可以與 DFI噴油嘴互換，從而可以使用柴油作為燃料。

除汽油版本之外，Achates 動(dòng)力同樣在進(jìn)行乘用車用對(duì)置活塞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試，他們已經(jīng)為日產(chǎn) Titan 皮卡提供了一臺(tái) 2.7 升的柴油版本，并宣稱該車能夠?qū)崿F(xiàn)至少 37 英里/加侖 （6.4 升/100 公里）的油耗。目前至少有 9 家制造商，獲得了 Achates 動(dòng)力對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)許可。據(jù)悉，通用旗下 2019 款的雪佛蘭 Silverado 也將采用與 F150 相同的 2.7 升 3 缸對(duì)置活塞汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)。

相比 Achates 動(dòng)力，EcoMotors 設(shè)計(jì)的對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)要更加復(fù)雜。他們的發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙對(duì)置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就是在一條軸線上有 4 個(gè)活塞，分兩組氣缸工作，這使得活塞的相對(duì)線速度提高了一倍，在相同的轉(zhuǎn)速下，它擁有普通四沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī) 4 倍的功率輸出。該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與 Doxford 發(fā)動(dòng)機(jī)類似，通過外連桿連接兩個(gè)對(duì)置活塞的動(dòng)力輸出，不過因?yàn)?EcoMotors 發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙對(duì)置結(jié)構(gòu)，這使得它看上去相當(dāng)于將兩臺(tái) Doxford 發(fā)動(dòng)機(jī)連接在一起。此外， EcoMotors 發(fā)動(dòng)機(jī)只能以偶數(shù)氣缸的組合方式變化，除了之前提到的單側(cè)磨損問題， EcoMotors 生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)在寬度方面更難控制。

相比普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，成立于 2007 年的 Pinnacle 生產(chǎn)的 Clevees 發(fā)動(dòng)機(jī)可以將燃油經(jīng)濟(jì)性提升 30% 至 40%，但其制造成本比普通發(fā)動(dòng)機(jī)高出約 15% 左右，大約會(huì)增加 2% 的車輛制造成本。

有趣的是，這三家公司都將中國(guó)制造商視為重要的潛在客戶。Achates 動(dòng)力甚至還設(shè)置了專門的中文網(wǎng)站，EcoMotors 則希望憑借一家中國(guó)本土公司打開市場(chǎng)。但客觀事實(shí)是，大部分中國(guó)本土制造商都將未來的注意力放在了電動(dòng)車領(lǐng)域，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的投入并不像過去那樣無序和狂熱。歐洲制造商借助 48 伏輕混動(dòng)力裝置，僅以 20% 的成本就能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)混系統(tǒng) 80% 的燃油經(jīng)濟(jì)性；英菲尼迪通過 VC-Turbo 發(fā)動(dòng)機(jī)，在保證動(dòng)力輸出的同時(shí)，相比 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了 27% 的油耗改善；馬自達(dá)則寄希望于創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)，將活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提升至 50% 以上。根據(jù)測(cè)試，Achates 動(dòng)力宣稱他們的發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)歐 6 排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，熱效率相比普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高 30%，相比普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高 80%。無論如何，這都是一個(gè)非常驚人的數(shù)字，但其實(shí)際應(yīng)用效果還有待觀察。