爱卡研究院——开启小马拉大车的时代
[XCAR 评测 原创]
人类的文明已经照耀了地球的各个角落，不过文明的背后也伴随着许多沉重的问题，比如环境污染。无论怎样，每天在路上奔跑的汽车都无法逃避它为温室效应所做的贡献。在没有找到内燃机的完美替代品之前，通过一系列的改变和调校让现有发动机发挥最大功效是最合适的过渡方案。而让我们下决心来研究这一现象的导火索是：连宝马3系(参数|询价)这种标榜运动性能的后驱车已经开始使用1.6T发动机了。这究竟是宝马降低了对动力要求的底线还是如今的“小马”也可以很好的拉动“大车”了呢？本期爱卡研究院将以宝马N13发动机为范本，来聊聊未来很长一段时间的发动机发展趋势——“小马拉大车”。
·为何需要涡轮
相对于五花八门的车载电子系统或是行车辅助功能，汽车机械部分尤其是发动机的发展已经进入瓶颈期。很难出现具有划时代意义的新技术用在内燃机上，厂家所能做的也就是在现有的能力下提高发动机的效率。
由于自然吸气发动机先天上的限制，若要追求更大的动力无非只能提高转速或是增加排量，一味的拉高转速会影响发动机的使用寿命，而增加排气量也会让发动机的体积与重量越来越大，大排量所带来的高油耗和高排放同样不符合如今各个环保法规的规定。在国际上有一百八十多个国家签署的《京都议定书》和许多国家强制征收的“排量税”更是让大排量发动机举步艰难。
所以让发动机以最小的排量输出最大的功率成为了未来发动机的发展趋势，其实任何事物的发展都离不开自然规律，这就像所有的老板都希望员工在有限的收入下为公司创造更多的效益。“压榨”成为了提高效率的核心词汇，所以增压发动机应运而生。其实增压发动机早在1905年就开始应用于航空领域，而1961年由瑞典萨博首先应用于汽车领域。而BMW 2002是欧洲第一款配备涡轮增压发动机的量产车。
汽车发动机是靠汽油或柴油在汽缸内燃烧做功来产生功率的，由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制。如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量，从而提高燃烧做功能力。因此在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。
·涡轮时代的无奈
如果没有各种客观因素的限制，一定是搭载大排量自然吸气发动机的车子开起来更舒服。自然吸气发动机的线性输出是任何涡轮增压发动机无法比拟的，而大排量带来的充足动力储备让车辆在高速巡航过程中更加从容。
可是为了地球的明天我们不得不做出妥协，纵观如今的全新B级车，2.0T发动机占领了大片河山。而在大家觉得2.0L排量发动机已经是中型轿车的底线时，宝马却推出了搭载1.6L涡轮增压发动机的316i车型。
它所搭载的正是宝马116i和宝马118i上的那台N13发动机。很多人都会觉得这些小排量发动机是如今大环境下的无奈之选，其实真正开过116i或118i车型都会体验到，如今的小排量涡轮增压发动机的各项指标完全可以超越拥有同样功率的传统自然吸气发动机。由于涡轮介入可以很早(1350rpm)，涡轮增压发动机的线性度也有了长足的进步。
虽然涡轮时代有这样那样的无奈，不过还是可以依靠很多新技术来弥补涡轮发动机的不足。就拿N13低功率版本发动机为例，虽然它只有1.6L的排量，不过它可以压榨出100kW(136Ps)的最大功率和220N·m的最大扭矩，通过8AT变速箱的配合，它可以让整备质量1475kg的宝马116i在8.7秒内破百，而且动力足可以让116i轻松完成漂移动作。所以如果用这台发动机来驱动整备质量1540kg的3系轿车，动力是完全够用的。
·N13发动机详解
涡轮增压发动机的发展历程就是一个做减法的过程，下面我们就通过宝马316i搭载的N13B16U0发动机来弄明白如今的“小马”是如何拉动“大车”的。
N13发动机与驱动MINI Cooper(参数|询价) S的N18发动机联系非常紧密。这两台发动机基本相同，只有个别地方为了配合不同驱动形式和发动机布局做了些调整。比如发动机外围设备根据宝马车型上的纵向安装结构进行了相应调整。
为了提高发动机工作效率同时压榨更多马力，宝马为这台1.6L涡轮增压发动机配备了三个法宝——ValveTronic电子气门、单涡轮双涡管以及缸内直喷技术。这三项技术在宝马的N20发动机上已经得到很好的应用，而在更小排量发动机上，这些技术带来的影响会更加大。
缸内直喷技术
首先说说不难理解的缸内直喷技术。缸内直喷技术简单来说就是把原本普通电喷系统的喷油嘴装在了每个气缸的内部，油气混合效率提升到了更高的水平。缸内直喷系统的出现使得“分层燃烧”技术成为可能，依靠气缸顶部特殊设计的凹陷，在压缩过程中使得火花塞附近聚集较浓的油气混合气，而周边区域的油气浓度相对稀薄，这样一来就节约了一部分燃油，提升了效率，这种技术具有他的两面性，在平稳节能的驾驶方式下，他非常“抠门”，力争让最少的燃油发挥最大的能量。而在比较运动并需要提速的驾驶情况下，他又会通过直喷快速增强车辆的动力，使加速反应更灵敏，动力也更加强劲。正所谓“好钢用在刀刃上”。
宝马N13发动机采用了德国BOSCH高压喷射装置HDE，能根据发动机工况高精度控制燃油喷射。喷射装置的高压泵是一个单活塞泵，由排气凸轮轴通过一个三段凸轮进行驱动，而最新的高压喷射装置更是使用了7孔喷射嘴式电磁阀喷射器，可以让燃油与空气充分混合，能根据发动机工况进行高精度燃油喷射。
ValveTronic电子气门技术
宝马的ValveTronic电子气门技术主要是通过在其配气机构上增加偏心轴、伺服电机和中间推杆等部件来改变气门的升程。由于气门升程可变，所以电控系统会根据发动机的工作状态及实际需求，自动调整进气阀们的升程，从而调整发动机的动力输出，并优化燃油消耗。当发动机高速工作时，通过电动机控制蜗轮蜗杆机构，增大气门开度；当发动机低速工作时，减小气门开度。
由于其执行机构是电动机配合蜗轮蜗杆传动，所以整个过程十分线性，反应极快。电子气门技术的应用能让发动机在不同工作状态下，采用不同的进气阀门升程，并且通过调整进排气开合时间，真正达到“无极”调节，使发动机时刻处于最佳的工作状态，有效提升低速扭矩输出，增加发动机经济性，并且改善排放。
单涡轮双涡管
单涡轮双涡管增压系统中，将发动机排气管道按点火时刻分成两组分别推动涡轮工作，具有更强的脉冲增压，而且排气更为充分。相对于普通的涡轮增压发动机，单涡轮双涡管发动机有效缓解低速时的迟滞性，使得发动机峰值扭矩的爆发更早，燃油经济性更佳。那么为何要使用单涡轮双涡管而不是直接采用两个涡轮呢？
之前宝马的双涡轮发动机中，两个小直径的涡轮能够以更低的转速启动，使得双涡轮发动机实现了接近自然吸气发动机迅速的油门响应。但是由于双涡轮结构使得发动机的进排气系统相对复杂，同时无法应用宝马先进的Valvetronic电子气门技术。所以工程师想到了一个万全之策，便是采用两个涡管来推动一个涡轮，下面介绍一下两个涡管的工作原理。
首先要知道四缸发动机的点火顺序为1-3-4-2，普通的涡轮增压器（单涡轮单涡管）的排气歧管是将所有气缸的排气管集合到一起，将废气汇集后再去推动涡轮的。不过会有一段时间，不同气缸的进气门与排气门都处于开启状态。如果不同气缸点火间隔中，相邻的两个气缸排气管相通，那么在气门重叠时，会导致废气流回前一气缸。前一气缸进气量减少，那么在下个循环的总功率就会下降。
而在单涡轮双涡管发动机排气系统中，将点火相邻两个气缸排气管道两两分开，1和4一组，2和3一组。这样就可以达到互不影响的目的，能提高各个气缸的进排气量，从而有效提高发动机的效率。
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生效日期：2017年5月9日
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