舍弃V8 宝马i8为何使用1.5T发动机?

车云网 综合报道

近年来,涡轮增压流行成为近年来的一个趋势。像宝马i8插电混合动力使用了1.5T涡轮增压发动机,而没有使用V8或者V6的自然吸气发动机。

宝马i8插电混合动力汽车早在2009年就在法兰克福车展上展示,不过当时的名字叫做Vision Efficient Dynamics Concept。

传言在宝马i8进行开发的时候,最初要搭配V10引擎的,并以此路线进行研发。之后BMW的工程师又把注意力转向了V8与六缸引擎,甚至一度要制造出原型车。

但是最终的结果,就像我们今天看到的,BMW决定将其设计为一款只有三缸涡轮增压发动机的混合动力车型,放弃V10、V8等高缸数引擎,六缸方案也否决掉。

为什么宝马会放弃大排量自然吸气发动机而选择小排量涡轮增压引擎呢?

i8的定位和大排量发动机的难题

宝马i8在售价在10万欧元左右,大约是宝马7系高配的价格,属于高档轿跑车。带有新能源和时尚的标签,但不属于超跑的概念,仍然采用双门四座设计,对车内空间和实用性有一定要求,不能像保时捷918一样,纯粹从性能考虑,这就是限制了宝马i8的设计。

舍弃V8,宝马i8使用1.5T为哪般?

宝马i8插电混合动力车

而在这个定位下,宝马i8如果采用大排量V10或者V8发动机,无论前置或者后置,剩余的空间就很难再安排插电混合动力,特别是强混,新能源的标签也就难以贴上。宝马i8会成为一台使用了一些减重材料,有低风阻的传统轿跑车。这显然不是宝马的初衷。

宝马后来准备开发的六缸发动机也遇到了难题,这和宝马i8的动力布局有关。

宝马i8采用前后混联的混合动力方式,有两台电机,有发动机有变速箱,有电池,有油箱,总体重量本身就比较大。而V6发动机本身的重量也比较大,再加上配套的变速箱,车身重量会非常大。如果采取这个方案,会让宝马在i8上减重的努力化为乌有。

i8为了控制车重采用了LifeDrive的模块化结构,底盘选用铝合金材料,车体采用碳纤维材料制造整体座舱,同时使用康宁玻璃等一系列高成本的减重材料,如果因为动力系统最后把车做成超重,那么高昂的减重成本就变成笑谈了。

舍弃V8,宝马i8使用1.5T为哪般?

i8的LifeDrive架构

此外,大排量发动机还有一个散热问题。因为按照i8的布局,属于后置发动机,后置发动机的散热本来就是难题。

更糟的是i8还是插电混合动力车型,而动力电池是最怕热的,发动机的热量对电池组的影响必须严重考虑,绝对不能马虎。大排量发动机本身发热不说,就是排气管释放的废热都会给电池造成危险,最明显的例子就是保时捷918。保时捷918的排气管像两个马尾辫一样直接把废气排到天上,就是怕传统的排气方式会加热电池,造成重大事故,所以宝马因为散热问题放弃六缸发动机的说法并非空穴来风。

除了技术因素,越来越严苛的排放法规和大排量汽车征收的税费也影响了宝马的决定。小排量涡轮增压的发动机的排放优势和税费优势会增加宝马i8的竞争力。

市场定位和技术上、非技术上种种的难题是宝马i8放弃大排量发动机的第一个原因。

涡轮增压技术的进步

传统上宝马是非常不愿意在汽车上使用涡轮增压发动机的,一直以自然吸气为荣,而近年来技术的发展让宝马逐渐改变了对涡轮增压发动机的看法。能在i8上使用涡轮增压发动机与近年来涡轮增压技术的进步也有很大关系。

宝马在二战时是做飞机发动机的,做涡轮增压发动机的时间非常早,对早期涡轮增压发动机的弊病有很深的认识。涡轮增压发动机的问题主要有三点。

1、燃油效率低带来的高油耗

我们知道,内燃机只能把燃料热能的三分之一左右转化为机械能,剩下三分之二能量都变成热能排放掉了。涡轮增压可以带来更高的功率,同时也就产生了更多的废热,而废热带来的高温容易引起燃料的震爆。

震爆是指燃料在发动机内还没有等到花火塞点火就先燃烧爆炸了,严重影响动力,甚至会造成发动机损坏。震爆和气缸内的燃料浓度、温度和压强有关。而涡轮增压既提升了压强,又增高了温度,就特别容易产生震爆。使用中冷器可以缓解,但是涡轮增压发动机燃烧室内的总压缩比还是比自然吸气引擎还大。

为了解决这个问题,涡轮增压发动机在设计的时候就不得不提供一部分多余的燃料雾化成气雾用于带走多余的热量,防止震爆的产生。

这样的设计是建立在牺牲燃油经济性之上的。要完整燃烧汽油,理想的空气与燃料之比是14.7:1,而通常一部拥有涡轮增压引擎车在最大的空气与燃料值大约是12:1。这就增加了涡轮发动机的油耗,所以早期的涡轮发动机名义上排量小,但是实际油耗并不低。

2、动力不线性和涡轮迟滞

废气涡轮增压,是靠排气排出的能量推动涡轮,然后给发动机吸气部分加压,提供更多的空气,增加气缸内的压强,提升功率。

但排气排出来的能量并非随叫随到。首先,涡轮有个起作用的转速,当发动机转速达到一定水平,能够带动涡轮转动的时候,才会产生作用,低转速下,涡轮是不工作的。

因为涡轮发动机设计的时候空气与燃料比值小,效率比自然吸气发动机低,排气管内的涡轮又阻碍了废气的排放,又吃掉一部分功能。所以在达到一定转速前,废气涡轮增压发动机的功率反而是不足的。

而深踩油门之后,涡轮起作用,动力会有一个比较突兀的增加,这种非线性的变化就影响了驾驶的感觉,尤其是市区驾驶,经常一脚油门后又不得不一脚刹车。

此外,踩下油门后,发动机转速提升,排气增加,带动涡轮,增加进气,发动机功率提升。这个过程需要一个时间。所以,涡轮增压的车有一个迟滞,自然吸气动力随叫随到,而涡轮增压就需要延迟几秒。

同样,在收油的时候,油门是松了,但是涡轮由于惯性停不下来,还继续着加压的过程,这就需要泄压阀来排出过多的空气,汽车油门的响应同样有个延迟,这种涡轮与控制动作的时间延迟就是涡轮迟滞。涡轮尺寸较大的车型尤其明显。

对于强调操控感的宝马来说,这种影响驾驶体验的问题是不能接受的。

3、寿命和可靠性

最早的涡轮增压发动机故障频频,后来尽管可靠性有所提高,但是故障率依然较高。因为涡轮的转速极高,对涡轮的材料、工艺要求就很高,这就是造成了涡轮增压器的成本居高不下,而且维修更换费用高。

同时,极高转速的工作给保养、散热提出了高要求,机油要好的,机油清洁度要求高,脏了要及时更换。散热要求高,以前涡轮增压的车停车后是不能马上熄火的,而是要待机一段时间保证润滑和冷却系统的工作,以免损坏涡轮。

近年来,随着新材料、新技术的发展,特别是电子控制技术的发展,人们逐渐找到了解决涡轮增压种种问题的办法。

1、电子油门和缸内直喷解决高油耗

涡轮增压发动机经济性不好的原因是为了防震爆,牺牲了燃油的经济性,而节油的关键就在于解决震爆问题。

受益于新技术的发展,现在大多数的汽车都是电子油门,引擎管理系统能够根据当时温度、燃料品质、海拔高度及其他因素控制歧管压力与燃油压力,通过传感器感知信息,控制供油,进而防止震爆成为可能。

通过电子控制手段,涡轮增压发动机的燃油经济性问题有了很大提升。现在的涡轮增压发动机油耗不再偏高,甚至同等功率下油耗还低于自然吸气发动机不少,有很好的经济性。

2、双涡轮、双涡管减少迟滞和非线性

涡轮的非线性和迟滞,与涡轮的大小密切相关。涡轮尺寸越小,越容易带动,起作用的转速就可以低一些。但是高速的时候加速作用有限。涡轮越大,延迟越严重,但是高速的时候作用明显。

为了解决这个矛盾,发展出来双涡轮技术,一个小涡轮易于推动,一个大涡轮在高速时发挥作用。这样涡轮动力的非线性和迟滞依然存在,但是程度减轻了很多。

双涡轮(左)、双涡管(右)涡轮增压结构

双涡轮虽然不错,但是两个涡轮把成本进一步提高,只能应用于高档车型上。于是,人们又从排气上想办法发展出双涡管。正常涡轮接到发动机的排气管上,但是发动机有多个气缸,冲程不同,有的气缸进气,有的气缸排气影响了排气的效率。而双涡管把气缸分组,没有进气气缸干扰,提高了排气的效率,也就提升了涡轮的效率。所以双涡管的涡轮介入可以早一点,涡轮迟滞可以轻一点。现在被宝马广泛应用,BMW记的汽油机用的都是双涡管技术。

3、新材料、电控技术解决寿命

涡轮过去难以普及的重要原因就是成本,极高转速、高温对材料和工艺的要求非常苛刻,成本高、寿命短。而最近几年,新材料的发展和机械加工,尤其是数控技术的发展,让涡轮的制造加工难度降低、成本降低、寿命提升,这就给涡轮增压的普及铺平了道路。

对于涡轮增压不能马上熄火的问题,也用电控来解决了。即使驾驶员立即熄火,行车电脑依然会保证一段时间涡轮的润滑和冷却系统工作,避免了涡轮损坏。

因为宝马i8的定位和布局问题,大排量自然吸气发动机在设计时遇到种种技术难题,难以采用;而随着涡轮增压技术的进步和传统弊病的解决,使得宝马可以比较放心采用涡轮增压发动机。

小排量涡轮增压发动机提供强劲的动力、更低的油耗,更小的体积和更轻的重量。而就宝马i8的定位和布局来看,恰恰需要更低的油耗贴上环保标签,需要更小的体积给电机、电池留出空间,需要更轻的重量配合高成本减重材料。综合权衡之下,宝马i8选择三缸1.5T的涡轮增压发动机也就不足为怪了。

来源:车云网

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