乘用車用發(fā)動機(jī)的缸徑與行程

董學(xué)鋒

（北京長城華冠汽車研發(fā)有限公司，北京 101300）

主題詞：乘用車發(fā)動機(jī) 缸徑和行程 經(jīng)驗(yàn)值范圍

1 乘用車對發(fā)動機(jī)的功率需求

傳統(tǒng)汽車是靠發(fā)動機(jī)驅(qū)動的，發(fā)動機(jī)的動力用來克服汽車的滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力以及加速阻力等，汽車的質(zhì)量（重量）越大，需要的動力也越大。速度越高，需要的動力越高，汽車運(yùn)行時(shí)的阻力功率與質(zhì)量及速度成正比，空氣阻力功率與車速的3次方成正比，高速行駛時(shí)，空氣阻力的占比達(dá)70%以上，因此要實(shí)現(xiàn)更短的加速時(shí)間、更高的車速，需要更強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)功率來支撐。圖1是三廂轎車的整車整備質(zhì)量與發(fā)動機(jī)功率的需求圖，按整車的最高車速和加速時(shí)間的要求，可將功率需求劃分為6個(gè)級別(X0.6～X1.6)，級別越高，動力性越好。

2 發(fā)動機(jī)的功率與排量

在汽車的型號中，載貨汽車車型號含有總質(zhì)量信息，大客車含有車長信息，轎車含有排量信息，可見排量反映了轎車的主要特征，通常用排量來表達(dá)轎車的級別，即大排量轎車和小排量轎車。通常同一款或不同款轎車總是有排量標(biāo)識與品牌標(biāo)識的組合貼在汽車后方的顯要位置。近年隨著技術(shù)的進(jìn)步，汽油發(fā)動機(jī)的多點(diǎn)氣道噴射、增壓技術(shù)和缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，汽車發(fā)動機(jī)的升功率和升轉(zhuǎn)矩已大幅提高，一些汽車企業(yè)已淡化了排量的標(biāo)識，而不再把“排量”直接貼在汽車后部，而是在汽車后部彰顯“動力指數(shù)”。

圖1 發(fā)動機(jī)功率與整車整備質(zhì)量

除了附加電動之外，排量的大小依舊是發(fā)動機(jī)內(nèi)燃動力的關(guān)鍵因素，排量大，內(nèi)燃動力才大，內(nèi)燃動力與排量成正比，圖2表征發(fā)動機(jī)功率與排量的關(guān)系，Pe=53.81V（Pe為發(fā)動機(jī)功率，V發(fā)動機(jī)排量）,這是多點(diǎn)電噴發(fā)動機(jī)功率的平均值與排量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，53.81是平均升功率，將“多點(diǎn)噴射+增壓”、直噴、“直噴+增壓”合并一起取平均值，得到Pe=73.40V，說明采用“多點(diǎn)噴射+增壓”、或直噴、或“直噴+增壓”等技術(shù)后，發(fā)動機(jī)的升功率提高了近20 kW/L。但不論如何，排量如同人的“肺活量”，是澎湃動力的關(guān)鍵因素。

圖2 發(fā)動機(jī)功率與排量的關(guān)系

3 發(fā)動機(jī)排量與缸徑和行程

3.1 排量與缸數(shù)、缸徑和行程的關(guān)系

發(fā)動機(jī)排量是發(fā)動機(jī)往復(fù)運(yùn)動中活塞掃過的容積，即：

式（1）中的D為發(fā)動機(jī)缸徑，S為行程，N為氣缸數(shù)。從式（1）中可知，發(fā)動機(jī)總排量是單缸排量與缸數(shù)之積，在乘用車用發(fā)動機(jī)中，缸數(shù)有2、3、4、5、6、8、10、12，從布置型式上分有B(對置)、L(直列)、V(V型)、W(W型)，圖3表達(dá)了總排量V與缸徑D及缸數(shù)N的關(guān)系。

圖3 缸徑、缸數(shù)與排量的關(guān)系

3.2 單缸排量與缸徑和行程的關(guān)系

滿足同一個(gè)單缸排量Vh有無數(shù)個(gè)組合，但從結(jié)構(gòu)與性能上考慮一定會有一個(gè)較佳的范圍，圖4是以發(fā)動機(jī)的缸徑為橫坐標(biāo)，行程為縱坐標(biāo)，計(jì)算出的單缸排量的曲線族，圖中給出了從150～750 mL的曲線，線上的點(diǎn)都滿足對應(yīng)線上標(biāo)出的單缸排量的數(shù)值要求。

圖4 缸徑、行程與單缸排量的關(guān)系

4 全球乘用車發(fā)動機(jī)的缸徑和行程

4.1 現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的缸徑與行程統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)全球乘用車用發(fā)動機(jī)的排量、缸徑、行程、缸數(shù)、功率等相關(guān)信息，將其中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，缸徑與行程關(guān)聯(lián)，得到現(xiàn)有乘用車的散點(diǎn)圖，如圖5所示，圖中的點(diǎn)主要集中在S=-0.016 4D2+3.28D-74的附近，落在S=（0.9～1.1）（-0.016 4D2+3.28D-74）的點(diǎn)相對集中，即在X0.9線和X1.1線之間區(qū)域，落在X0.8線和X1.2線之外的區(qū)域的點(diǎn)很少，即對于設(shè)定的缸徑，其行程S，控制在S=（0.8～1.2）（-0.016 4D2+3.28D-74）的范圍內(nèi)，在經(jīng)驗(yàn)上可行。

圖5 發(fā)動機(jī)的行程與缸徑分布

將柴油機(jī)的樣本提出，單獨(dú)放在圖6中，可見與總體相比，柴油機(jī)的缸徑與行程分布偏向上方，靠近X1.1線附近的居多。

圖6 柴油發(fā)動機(jī)的行程與缸徑分布

4.2 現(xiàn)有產(chǎn)品的行程缸徑比

在發(fā)動機(jī)的開發(fā)中，行程與缸徑的比值通常作為重要的主參數(shù)之一，這一參數(shù)極大地影響著發(fā)動機(jī)的性能，缸徑大、行程短的發(fā)動機(jī)稱為短行程發(fā)動機(jī)，行程大的發(fā)動機(jī)稱為長行程發(fā)動機(jī)；短行程發(fā)動機(jī)，缸徑大（S/D小），氣閥的面積會大，活塞行程短，利于提高功率。在乘用車中，匹配大排量發(fā)動機(jī)的車型，關(guān)注動力性更強(qiáng)勁，強(qiáng)調(diào)大功率，所以行程與缸徑比（S/D）會適當(dāng)減小，從以缸徑D為橫坐標(biāo)、S/D為縱坐標(biāo)的圖7中也可知，大排量發(fā)動機(jī)S/D在0.8～1.0之間的占多數(shù)，而小排量車型，配備長行程發(fā)動機(jī)多，強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，降低油耗，S/D 1.0～1.2之間的占多數(shù)。S/D隨D的增大而降低，平均為y=1.5-0.005 5D，整個(gè)區(qū)域在y=（1.65～1.3）-0.005 5D之間，這是給出的經(jīng)驗(yàn)區(qū)域。

圖7 發(fā)動機(jī)的行程缸徑比

4.3 全球主要OEM的發(fā)動機(jī)缸徑與行程

既然是統(tǒng)計(jì)了全球發(fā)動機(jī)的缸徑和行程(圖5～圖7)，當(dāng)然也就包含全球主要汽車OEM的發(fā)動機(jī)，為了比較一下當(dāng)前的主要OEM的產(chǎn)品及產(chǎn)品在S/D圖中的定位，分別將德國寶馬、德國奔茨、德國大眾奧迪、日本豐田、日本馬自達(dá)共6家公司的S/D定位展示于圖8中，可以說各家的占位五花八門，德國寶馬集中在單缸排量上，德國奔茨的缸徑稍集中，德國奧迪缸徑和行程的范圍都比較窄。

圖8 主要OEM的S/D定位

4.4 按缸數(shù)區(qū)分的缸徑與行程

將樣本按發(fā)動機(jī)的缸數(shù)或發(fā)動機(jī)的型式來區(qū)分S/D的定位，如圖9所示，可分為直列3缸機(jī)（左下）、直列4缸機(jī)（左上）、V型6缸機(jī)（右上）、V型8缸機(jī)（右下），這4種是車用發(fā)動機(jī)較多的型式。

圖9 按缸數(shù)及型式區(qū)分的S/D定位

5 結(jié)束語

文中的樣本是來自于現(xiàn)有產(chǎn)品目錄，其缸徑與行程的參數(shù)幾乎包含了近幾年全球乘用車用發(fā)動機(jī)，當(dāng)年的文獻(xiàn)[1]也介紹了相關(guān)內(nèi)容，只是當(dāng)時(shí)認(rèn)識較膚淺，技術(shù)數(shù)學(xué)化能力欠缺，今算是進(jìn)一步完善。“存在即合理”，“理在事后，理是萬物之本”。總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，會對后來的開發(fā)有所幫助。雖然缸徑和行程在發(fā)動機(jī)深奧的技術(shù)中是“淺表”參數(shù)，但是很重要，對發(fā)動機(jī)性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和整車匹配有重要意義。通過統(tǒng)計(jì)、歸納和總結(jié)全球汽車發(fā)動機(jī)缸徑和行程參數(shù)，對于主機(jī)廠規(guī)劃、開發(fā)新型發(fā)動機(jī)主參數(shù)選擇具有指導(dǎo)價(jià)值。