乘用車用發(fā)動機的缸徑與行程

董學鋒

（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 缸徑和行程 經驗值范圍

1 乘用車對發(fā)動機的功率需求

傳統(tǒng)汽車是靠發(fā)動機驅動的，發(fā)動機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，汽車運行時的阻力功率與質量及速度成正比，空氣阻力功率與車速的3次方成正比，高速行駛時，空氣阻力的占比達70%以上，因此要實現更短的加速時間、更高的車速，需要更強大的發(fā)動機功率來支撐。圖1是三廂轎車的整車整備質量與發(fā)動機功率的需求圖，按整車的最高車速和加速時間的要求，可將功率需求劃分為6個級別(X0.6～X1.6)，級別越高，動力性越好。

2 發(fā)動機的功率與排量

在汽車的型號中，載貨汽車車型號含有總質量信息，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識與品牌標識的組合貼在汽車后方的顯要位置。近年隨著技術的進步，汽油發(fā)動機的多點氣道噴射、增壓技術和缸內直噴技術已經得到廣泛應用，汽車發(fā)動機的升功率和升轉矩已大幅提高，一些汽車企業(yè)已淡化了排量的標識，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”。

圖1 發(fā)動機功率與整車整備質量

除了附加電動之外，排量的大小依舊是發(fā)動機內燃動力的關鍵因素，排量大，內燃動力才大，內燃動力與排量成正比，圖2表征發(fā)動機功率與排量的關系，Pe=53.81V（Pe為發(fā)動機功率，V發(fā)動機排量）,這是多點電噴發(fā)動機功率的平均值與排量的統(tǒng)計關系，53.81是平均升功率，將“多點噴射+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“多點噴射+增壓”、或直噴、或“直噴+增壓”等技術后，發(fā)動機的升功率提高了近20 kW/L。但不論如何，排量如同人的“肺活量”，是澎湃動力的關鍵因素。

圖2 發(fā)動機功率與排量的關系

3 發(fā)動機排量與缸徑和行程

3.1 排量與缸數、缸徑和行程的關系

發(fā)動機排量是發(fā)動機往復運動中活塞掃過的容積，即：

式（1）中的D為發(fā)動機缸徑，S為行程，N為氣缸數。從式（1）中可知，發(fā)動機總排量是單缸排量與缸數之積，在乘用車用發(fā)動機中，缸數有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表達了總排量V與缸徑D及缸數N的關系。

圖3 缸徑、缸數與排量的關系

3.2 單缸排量與缸徑和行程的關系

滿足同一個單缸排量Vh有無數個組合，但從結構與性能上考慮一定會有一個較佳的范圍，圖4是以發(fā)動機的缸徑為橫坐標，行程為縱坐標，計算出的單缸排量的曲線族，圖中給出了從150～750 mL的曲線，線上的點都滿足對應線上標出的單缸排量的數值要求。

圖4 缸徑、行程與單缸排量的關系

4 全球乘用車發(fā)動機的缸徑和行程

4.1 現有發(fā)動機的缸徑與行程統(tǒng)計

統(tǒng)計全球乘用車用發(fā)動機的排量、缸徑、行程、缸數、功率等相關信息，將其中的結構參數，缸徑與行程關聯，得到現有乘用車的散點圖，如圖5所示，圖中的點主要集中在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)域的點很少，即對于設定的缸徑，其行程S，控制在S=（0.8～1.2）（-0.016 4D2+3.28D-74）的范圍內，在經驗上可行。

圖5 發(fā)動機的行程與缸徑分布

將柴油機的樣本提出，單獨放在圖6中，可見與總體相比，柴油機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)動機的行程與缸徑分布

4.2 現有產品的行程缸徑比

在發(fā)動機的開發(fā)中，行程與缸徑的比值通常作為重要的主參數之一，這一參數極大地影響著發(fā)動機的性能，缸徑大、行程短的發(fā)動機稱為短行程發(fā)動機，行程大的發(fā)動機稱為長行程發(fā)動機；短行程發(fā)動機，缸徑大（S/D?。?，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)動機的車型，關注動力性更強勁，強調大功率，所以行程與缸徑比（S/D）會適當減小，從以缸徑D為橫坐標、S/D為縱坐標的圖7中也可知，大排量發(fā)動機S/D在0.8～1.0之間的占多數，而小排量車型，配備長行程發(fā)動機多，強調經濟性，降低油耗，S/D 1.0～1.2之間的占多數。S/D隨D的增大而降低，平均為y=1.5-0.005 5D，整個區(qū)域在y=（1.65～1.3）-0.005 5D之間，這是給出的經驗區(qū)域。

圖7 發(fā)動機的行程缸徑比

4.3 全球主要OEM的發(fā)動機缸徑與行程

既然是統(tǒng)計了全球發(fā)動機的缸徑和行程(圖5～圖7)，當然也就包含全球主要汽車OEM的發(fā)動機，為了比較一下當前的主要OEM的產品及產品在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 按缸數區(qū)分的缸徑與行程

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

圖9 按缸數及型式區(qū)分的S/D定位

5 結束語

文中的樣本是來自于現有產品目錄，其缸徑與行程的參數幾乎包含了近幾年全球乘用車用發(fā)動機，當年的文獻[1]也介紹了相關內容，只是當時認識較膚淺，技術數學化能力欠缺，今算是進一步完善?！按嬖诩春侠怼?，“理在事后，理是萬物之本”?？偨Y前人的經驗，會對后來的開發(fā)有所幫助。雖然缸徑和行程在發(fā)動機深奧的技術中是“淺表”參數，但是很重要，對發(fā)動機性能、結構優(yōu)化和整車匹配有重要意義。通過統(tǒng)計、歸納和總結全球汽車發(fā)動機缸徑和行程參數，對于主機廠規(guī)劃、開發(fā)新型發(fā)動機主參數選擇具有指導價值。