直列式和V型發動機的對比以及新能源時代發動機的發展趨勢

廖曼宏

（哈爾濱工業大學(威海)，山東 威海 264209）

1 兩種發動機的簡單介紹

1.1 直列式發動機

直列發動機一般縮寫為L，它所有氣缸按統一角度排列在同一平面，相比V型發動機，其發動機結構相對更簡單、加工更容易。直列式發動機具有尺寸緊湊、低速扭矩特性優良、運轉穩定性好和成本低的優勢。但當汽車動力性需求增加導致直列式發動機缸數需求增加時，由于活塞的統一平面布置，過多活塞的往復運動同時作用時產生的二階往返慣性力無法自平衡。因此，直列式發動機最廣泛應用為2.5L以下排量的四缸發動機，且最大適用缸數僅為六缸。

1.2 V型發動機

V型發動機是將氣缸分兩組,每組氣缸各自成一列，相鄰的兩組氣缸成一定角度布置在一起,形成一定的夾角,從側面看,氣缸呈V字形,故稱為V型發動機。V型發動機縮短了發動機的長度和高度,增加了氣缸體的剛度。V型發動機多見于6缸機、8缸機、10缸機和12缸機。

2 兩種發動機的區別

2.1 設計原理

汽車發動機均為活塞式發動機。現發動機使用均為四沖程汽油機，其將空氣與汽油以一定的比例混合成良好的混合氣，在吸氣沖程被吸入汽缸，混合氣經壓縮點火燃燒而產生熱能，高溫高壓的氣體作用于活塞頂部，推動活塞作往復直線運動，通過連桿、曲軸飛輪機構對外輸出機械能。這一個工作循環包括進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。

2.2 外形區分及適用車型

（1）直列式發動機。直列式發動機的所有氣缸按照統一角度排列在同一平面。一般而言，角度為90°，即氣缸垂直排列。同時，直列式發動機因為結構空間性的因素，一般為三缸、四缸、五缸，六缸，缸數一定小于等于六缸。相比V型發動機的凸輪軸設計、進排氣系統、曲軸和氣缸體等多零部件的復雜程度，直列發動機的成熟技術和相較更簡單的結構特點會引起發動機的制造、保養和維修的成本會大大減小。同時，直列式氣缸布局能夠更好地適應靈活的布局，更方便布置增壓器類的裝置。圖1為直列式發動機。

圖1 直列式發動機

（2）V型發動機。V型發動機是將氣缸均分為成兩夾角一定的平行列，從側面看，氣缸呈V字形，夾角一般呈60°，也有90°、75°、72°等。V型發動機擁有氣缸數目一般大于等于六缸。基于直列型發動機的形狀特點限制，為了提高工作效率，同時在結構上抵消因缸數過多而產生的振動和曲柄連桿機構的慣性力,由此產生V型發動機的設計——汽缸相對呈角度布置。除了相對直列六缸發動機外，V型發動機的產生進一步增進汽車行駛平順性和穩定性。圖2為V型發動機。

2.3 動力系數區別

動力性指標是表征發動機做功能力大小的指標，一般用發動機的有效轉矩（Ttq）、有效功率（Pe）、發動機轉速（n）等作為評價指標，其間具有如下關系：Pe=Ttqn/9550。

由公式可以看出，動力性能越佳，需要有高有效功率、發動機轉速或有效轉矩。

圖2 V型發動機

在不考慮添加增壓器時，排量（Vst）和發動機功率一般呈正向線性關系，因此由公式：

可知氣缸直徑越大，活塞行程越長和氣缸數越多，排量越大。但氣缸直徑和活塞行程是設計階段最早確定下來的參數，要增加排氣量得到較大有效功率只有靠增加汽缸數量來實現。又由于直列型發動機空間結構限制，要進一步增加發動機的數目只能依靠V型發動機實現。因此綜上所述，不考慮增壓設備時，由于V型發動機氣缸數目更多，其動力性能更優。

除此之外，相比于直列式發動機，由于V型發動機交叉布置的結構特點，同一缸數下氣缸直徑設計相對更大。假設燃燒產生的壓強是固定值，發動機的輸出扭矩也會相應增大，發動機的最大功率也相對增大，動力性能更優。在具有增壓器的情況下，直列式發動機能夠在不影響發動機排量的情況下有效提高發動機進氣量，進而大幅度提高發動機的功率和扭矩。其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約40%甚至更多。

通過對農業機械化立法現狀的梳理，早在2004年就出臺了《農機促進法》，共8章35條，從科研開發、質量保障、推廣使用、社會化服務、扶持措施以及法律責任這六大方面來規范我國農業機械化的發展進程，但是可以看到近十幾年來與農業機械化的相關配套的下位法律體系并沒有相應完善。相關的行政法規僅有一部國務院出臺的《意見》，部門規章僅有一部1983年出臺的《辦法》，順應當時我國農業機械化發展的需要主要規定了農業機械化的推廣問題包括推廣體系、推廣程序、經費和條件、技術承包、成果獎勵幾個方面，對于農業機械化的發展、完善等問題都沒有進行詳細規定。

2.4 主要運用的車輛類型

（1）直列式發動機。多使用“小排量直列型布局發動機+增壓器”的動力組合。例如：

直列四缸發動機——福特野馬Ecobost——渦輪增壓；

直列四缸發動機——福特福克斯RS——渦輪增壓；

直列四缸發動機——沃爾沃XC90 T6——渦輪增壓；

直列六缸發動機——寶馬。

（2）V型發動機。多用于追求舒適平順駕乘感受的中高級車型。例如：

日產 V6 發動機——英菲尼迪 G37；

奧迪 V8 發動機——奧迪Q7；

福特 V8發動機——福特野馬Shelby GT350；

法拉利 V12 發動機——812 Superfast。

3 發動機在燃油車和混合動力車上的設計區別

3.1 混合動力汽車概述

隨著對環境保護的需要和石油價格的攀升，汽車作為日常生活用品已經被冠以越來越高的要求，新型動力汽車應運而生。然而因為受到了技術與能源的限制，現代社會所指的新能源汽車多為混合動力汽車。混合動力汽車，指具有兩個或以上動力源，一般采用發動機和多個電機同時作為動力源的形式為汽車提供動力。按照動力傳輸途徑，混合動力汽車分為3種：串聯式混合動力汽車、并聯式混合動力汽車和混聯式混合動力汽車。電力驅動是串聯式混合動力汽車的唯一驅動形式，其通過發動機轉化產生的電能和電池輸出的電能共同驅動電動機產生動力，在此情況下發動機、發電機和電動機動力總成較大，外形較大，所需電池多，在中小型汽車上不易實現。并聯式混合動力汽車，發動機和電動機分屬于兩套系統，不僅可以同時驅動車輪，也可以獨立給傳動系施加動力，總體來說，對發動機的依賴度相比其他形式更高，電動機系統一般只在起步和急加速時才工作。混聯式混合動力汽車結構一般具有一個電動機、兩個電機及一套動力分配裝置或離合器，此時發動機能夠給電池充電以及負責驅動車輛。其相對并聯式復雜，自由度多，對驅動轉矩、傳動系統和速度調控要求高，但比并聯式更智能，能通過路況靈活分配汽油機和電動機的輸出運轉。

3.2 設計形狀

因為具有了除發動機以外的動力源可為汽車行駛提供動力，汽車可以通過合理分配動力源之間的轉矩來提高動力總成的效率，故相比傳統汽車發動機，混合動力汽車發動機會減小一定的額定功率。因此，相比于傳統otto循環發動機因不同排氣需求而使用的直列四缸與V型六缸等發動機結構，混合動力汽車使用Atkinson循環時，其不僅在尺寸上于發動機活塞頂面形狀、燃燒室容積、配氣機構、氣門正時等方面進行優化（見表1），還通過額定功率要求的降低與空間布置的考量，多考慮使用體積小、缸數較少的發動機。例如混合動力汽車中，通用VT6使用的2.0T直列4缸渦輪增壓式引擎、君越使用的1.8L直列4缸自然吸氣式引擎、名爵6使用的直列4缸渦輪增壓式引擎、豐田凱美瑞使用的直列4缸自然吸氣式引擎，凱迪拉克CT6混合動力車型使用的直列4缸雙渦輪增壓或V型6缸雙渦輪增壓式引擎。

3.3 動力驅動模式

（1）燃油車。一共有五種，其中發動機放置位置有三種情況：前置、中置、后置，驅動輪的位置有兩種情況：前驅、后驅。一般來說，發動機具有前置前驅，前置后驅，后置后驅，中置后驅和全輪驅動的布置形式。在此主要介紹發動機的前置前驅和前置后驅。

表1 otto原機與改后發動機結構參數

①前置前驅車。前置前驅車指的是發動機前置而驅動輪為前輪的情況。此時發動機變速箱都在車頭，具有結構緊湊，驅動軸短，動力傳遞效率好，燃油經濟性高，能簡化后懸架系統和提高行駛操縱穩定性的特點。缺點是加速或爬坡時，前輪負荷減少，導致牽引力下降，總體馬力不高。

②前置后驅車。前置后驅車指的是發動機前置而驅動輪為后輪的情況，此時驅動力通過傳動軸傳遞。在此情況下車軸荷分配比較均勻，具有良好的操縱穩定性和行駛平順性，爬坡時牽引性能較佳，轉向輪與驅動輪分離降低技術要求。缺點是裝置復雜、駕駛空間小，降低傳動效率和燃油經濟性。

（2）混合動力車。由于并聯式混合動力汽車的驅動形式相較于串聯和混聯更接近于傳統燃油車，因此本文主要介紹并聯式的動力驅動模式。

①驅動力耦合式驅動傳動系。驅動力耦合式混合動力汽車結構保留了內燃機全套機械傳動系統，采用小功率發動機獨立驅動汽車前輪，另有一個電動機驅動系統單獨驅動汽車后輪。此時，由下圖4可以看出，發動機和電動機之間無任何的機械連接，其各自獨立，并且保證每一個軸上的驅動力不得大于其輪胎與地面的附著極限。保留了原內燃機全套傳動系統的情況下，加上新增的電動機驅動系統的動力提供，兩系統各自發揮本身特性，能顯著提升系統的經濟性和動力性，但也因分開驅動而導致結構不緊湊，故較少使用。驅動力耦合式驅動傳動系如圖3。

圖3 驅動力耦合式驅動傳動系

②扭矩耦合式驅動傳動系。扭矩耦合式驅動傳動系擁有雙軸式和單軸式兩種情況（圖4），但均是以發動機驅動模式為主要驅動模式。圖中電動機兼有發動機和電動機的功能，其能夠被發動機驅動的多余功率直接（單軸式）或間接（雙軸式）帶動轉化為發電機為電池充電，也能夠被電池提供電能轉化為電動機驅動汽車行駛。電動機能夠單獨通過傳動系統驅動汽車，發動機同理。他們是通過同一根傳動軸來輸出動力，發動機輸出轉矩和電動機輸出轉矩能夠互相疊加。

③轉速耦合式驅動傳動系。在轉速耦合式驅動傳動系中，發動機首先與離合器連接，然后與一套變速機構連接，進而通過行星齒輪動力機構耦合來驅動電動汽車；電動機驅動系統則直接連接這一動力耦合裝置（圖5）。發動機的轉矩能由動力耦合裝置分配到驅動輪和電機，電機也可以根據控制指令選擇給驅動輪提供動力或蓄電池充電。

圖4 扭矩耦合式驅動傳動系

4 新能源時代發動機的設計趨勢

目前的汽車的制造趨勢逐漸轉變為節能化和環保化。因此，在純電動車因技術問題尚未完全攻克時，發動機如何滿足混合動力型汽車便尤為重要。針對新能源時代混合動力型汽車發動機的設計和發展有以下4個趨勢。

4.1 體積更小

圖5 轉速耦合式驅動傳動系

由于新能源汽車多動力源的特點，加上電機的能量轉換技術的改善、電池的容量和新能源利用效率的提高，技術會趨向于更為合理分配動力源之間的轉矩的方案來提高動力總成的效率。因此，傳統汽車發動機相比混合動力汽車發動機而言，額定功率的要求會進一步減小。除此之外，對增壓技術的渦輪遲滯現象的研究和解決和對發動機轉速扭矩和油耗等問題的綜合研究，使得新能源汽車對發動機的缸數要求進一步減小。

4.2 油耗更低

混合動力汽車的設計出發點即為減少油耗，其多動力源的設計即為汽車提供除燃油外資源的動力，逐步減少對燃油的依賴。但由于動力電池續航里程問題、壽命問題、充電設備分布不完善等問題短時間無法解決，汽車對于發動機的依賴性仍舊不容忽視。因此，基于對于混合動力汽車的低油耗需求，發動機設計應該仍具有低油耗、高動力性能的特點。

4.3 輕量化

研究表明，內燃機汽車每降低10%的車體質量，可以減少6%~8%的燃油消耗量，對續航能力和動力性的均有提高，因此新能源汽車的輕量化是未來設計的趨勢。涉及發動機的質量方面，在其體積減少的基礎上，發動機的材料如何保證同時滿足強度、剛度、經濟性，又能保證輕量化是值得探討的課題。因此，關于鋁合金和其他復合材料的使用值得深入研究。此外，針對如何實現材料最優化分布于發動機不同系統內外區域和不同結構也應該列入經濟性的考慮。

4.4 智能化程度更高

汽車發動機自身的電子控制系統主要由傳感器、電子控制單元（ECU）和執行器等三部分組成。傳感器的作用是測量和傳遞運行的數據信息；ECU的作用是將傳遞的信號按照設定程序進行處理并進行反饋與控制；執行器的作用是對反饋內容加以執行。就并聯式混合發動機而言，扭矩耦合式混合動力汽車通過設置發動機、電動機和傳動機構成比例隨路況和車速變化來控制分配輸出扭矩，轉速耦合式混合動力汽車可以監測路況和車速條件，電動控制鎖止器來決定發動機動力的分配情況和驅動力的來源，技術上已達到一定智能化油電自動切換水平。若針對發動機來進一步提高智能控制技術，則需要對傳感器技術和ECU技術進行優化。當前主流發動機ECU主要采用發16位或32位微控制器，64位的微控制器在未來應成為主流取代前兩者，達到高速大容量化精確控制的效果。傳感器研究方向是進一步小型化、集成化、智能化，以達到自動補償、自動修復和增強自抗干擾能力。綜上，ECU和傳感器的優化能夠使多動力源汽車發動機針對不同工況能夠在裝置、時間與資源消耗上進行更準確調整適應。除此之外，因為發動機的工況在持續變化中，故盡管其中有變速器進行調節，也有大量的工況發動機會運行在效率很低的區間內，加上在怠速等工況無效輸出的情況，會損失大量的熱量。因此在考慮發展發動機本身技術發展問題之外，也必須明確合理利用能量管理策略的重要性并進行優化，實現發動機關于其系統和電動機系統的轉矩輸出的最佳分配方案，最終實現發動機在最佳區域運行。