在過去的十年裡，4缸、3缸甚至2缸的小型發動機曾一度主宰國際發動機年度大獎。直到去年，來自法拉利488 GTB備受熱捧的奢華、強勁雙渦輪V8發動機超越了小型發動機。但這到底是一個異常趨勢還是從正常偏離的突破技術呢？法拉利發動機是否在當今工程領域超越了小型化發動機？其動力系統是否真的比小型化發動機更具優勢？但同時也有很多觀點認為這僅僅是小型化潮流中順其自然發展的結果。對此小編帶來了一些不一樣的看法。
【作者】Michael Taylor
【翻譯】王少輝
1 時代在改變
汽車行業是一個在持續不斷地進化的行業，隨著技術的發展和形勢的變化，電氣化發展已成主流。在全球陸續發佈的汽車產品中，公眾已經不再過多討論發動機小型化，而是越來越多地開始關注所需求的氣缸數、電氣化、48V系統，集成起動發電機，及出現的真實排放測試（RDE）循環。大眾集團是第一個公開表明且證實其已經小型化最新發動機產品線的汽車製造商。作為世界上最大的汽車製造商，大眾這一舉措會推動整個行業的小型化趨勢。大眾集團開發總監Frank Welsch博士透露，大眾目前現在所進行的項目並沒有過度小型化，所有的產品已在規劃內進行開發。一些人認為是定型化，但也不是很正確。大眾只是不會再開發低於1.0 L的3缸發動機或者低於1.5 L的4缸發動機。如新一代的Polo將搭載一款小型4缸發動機，不是一款3缸發動機。
但是當大眾開啟發動機小型化產品線時，梅賽德斯-奔馳和寶馬實際上也有同樣的小型化開發，模塊化、直列布置，例如圍繞0.5 L單缸排量進行模塊化佈置，高成本設計包含渦輪增壓、可變氣門正時/可變氣門升程和燃油直接噴射等。比起小型化，奔馳更偏好市場定型化，探索不同的方式去減小新歐洲行駛循環（NEDC）測試值，以達到滿足市場要求的最佳產品。產品定型於MAF前輪驅動平臺，該平臺是目前應用最廣泛的，該機型源於雷諾4缸發動機，並將發動機排量減小到1.6 L。基於0.5 L單缸排量，共有零件的模塊化方案將替代直列汽油和柴油發動機的傳統設計。這樣的直列設計，甚至可以將AMG V8發動機從6.2 L自然吸氣大排量變動到5.5 L渦輪增壓的強勁動力，目前8缸的渦輪增壓發動機排量僅有4.0 L。
除了削減氣缸數量，基於先前的改善和成果，還有更多智能化的解決辦法。如，新V8雙渦輪汽油發動機M176使用停缸技術，在部分負荷下可以工作直到極限轉速3 600 r/min，因此這是一款非常高效的發動機，氣缸數能夠在2、3、5、8之間進行無縫切換，極大改善了V8發動機的工作效率。追溯小型化發動機的歷史，日本Kei汽車保持小型發動機的開發已有幾十年之久，早在寶馬採用1.5 L B37和B38汽油和柴油發動機之前，大眾和Smart就已搭載自主研發的3缸發動機，另外小型化發動機的代表福特1.0 L的EcoBoost發動機開啟了小排量、低汙染的技術。
2 小型發動機的適用範圍
在隨後的一波小型發動機的浪潮中，許多小型發動機開始出現在大排量汽車上，以降低試驗室中NEDC測試的油耗和排放數據。福特EcoBoost搭載於不同的車型，包括大型C-Max和蒙迪歐。寶馬開發的模塊化1.5 L 3缸機搭載過幾乎所有車型，從Mini Cooper到Countryman。菲亞特TwinAir兩缸機首次搭載Alfa Romeo MiTo掀背車，其為菲亞特克萊斯勒頂尖運動品牌。歐寶的1.0 L 3缸機搭載Adam、Corsa和Astra，雷諾將其0.9 L排量發動機搭載到Captur和Clio上。
沃爾沃已經全面推行2.0 L 4缸發動機，甚至以機械增壓和渦輪增壓型式應用在大型SUV XC90上。凱迪拉克大型豪華轎車CT6選擇搭載了2.0 L 4缸發動機，來自奔馳和寶馬的小型4缸柴油機則被選擇用於驅動旗下大型SUV車型。這麼多類型的小型發動機，由於其動力表現良好，因此對於驅動輕型汽車來說認可度很高。菲亞特TwinAir贏得了2011年度國際發動機大獎頭銜，福特1.0 L 3缸發動機自其發佈後連續3年贏得國際最佳發動機大獎。在2015年，這個最佳大獎由寶馬高性能3缸機獲得，投資和資源的分配額都主要花費在小型發動機的開發和優化上。
3 面臨的現實難題
但是採用小型發動機來代替大排量發動機工作的方式有一個弱點：RDE工況的表現。在試驗室測試出小型發動機的優勢沒有在RDE工況中得以延續，特別是在歐洲測試循環中。來自Emissions Analytics公司的EQUA真實排放測試指數表明在小型化發動機中，NEDC循環與真實油耗之間偏差巨大。在EQUA測試中具有最高比例偏差的10臺機型都使用了小型化發動機，包括菲亞特和阿爾法羅密歐TwinAir，一臺具有0.6 L精準排量的3缸渦輪增壓發動機。Emissions Analytics對超過500臺汽車進行了真實工作測試後發現，到目前為止，對公佈的油耗值最大偏差都來自排量1.0 L以下的發動機。
除了小型化發動機，基於英國試驗顯示，最佳真實燃油經濟性來自1.0 L到2.0 L排量的發動機（百公里油耗5.04 L）。令人驚訝的是甚至2.0 L到3.0 L排量範圍的發動機真實燃油經濟性（百公里油耗5.23 L）比1.0 L以下（百公里油耗6.09 L）更好。實際上，3.0 L到4.0 L發動機的真實工況油耗（百公里油耗6.59 L）甚至達到了小型發動機反饋的數據。同時，小型發動機的油耗非常高，超過5.0 L排量的發動機比小型發動機NEDC循環油耗低1 %。當發動機排量增加時，報道的NEDC工況和RDE工況油耗值差距趨於縮小，但對於1.0 L排量以下的車型，偏差達到了36 %，這一數據可以說會對汽車市場的表現帶來衝擊。
大眾已經開發了一款1.5 L直列4缸汽油機，代號EA211 EVO，其將最終替代現有的、低成本的1.4 L發動機。之前傳聞說要開發的一臺1.5 L增壓柴油機的項目已不再進行，並且大眾宣稱將繼搭載Golf Mk8後，不會再繼續開發1.6 L排量以下的柴油機。EA211 EVO目前正在深度開發中，當扭矩需求較低時，渦輪增壓發動機的氣缸能夠按需轉變成兩缸發動機，在Eco版本中，發動機會停止噴射燃油形成空氣泵，因而可以不用任何燃油進入滑行狀態。在開發過程中，其真實的油耗和排放數據與大眾在實驗室測試的結果很相近。大眾開發這款發動機的重點是要減小在NEDC工況數值上存在的偏差，解決所有小型化發動機在加速時排放和油耗失效的影響因素。
4 尋求解決方案
小型化渦輪增壓發動機在工作過程中振動劇烈，其振動強度與大型非渦輪電機一樣，但是後者需要花費更多的成本進行改進。在某些工況下，通過渦輪增壓的小型化發動機未必節油。小型化對排放有一些負面影響，利用小型發動機來驅動一臺大型汽車時，需要渦輪在起動狀態時就一直保持運轉。Emissions Analytics一項研究總結到，發動機越小，油耗增加越大。因為NEDC工況中的加速階段很少，大部分是在勻速階段下，其小型發動機的排放表現良好，並呈現出低油耗結構。但是在實際的路段駕駛情況中，要保證汽車的加速性能時，油耗將必然增大。
從梅賽德斯奔馳引入電氣化開發起，新的M256直列6缸汽油發動機是奔馳設計的第一款搭載混合動力系統的發動機，配有集成起動發電一體機，裝備48 V電氣化系統，也將在下一代4缸發動機上採用。電氣化系統將減輕渦輪增壓器的負荷，併產生很好的燃油經濟性。但根據Emissions Analytics的數據顯示，其公佈的數據顯示NEDC測試工況值與理想工況值相差甚遠。試驗室數值和RDE工況的數值有很大的偏差，NEDC工況的加速相當輕柔，行駛速度也相對較低，所以能夠獲得更好的空氣動力學。除了NEDC工況，美國、加拿大和日本都有自己的測試工況，中國則採用NEDC工況測試，並且還增加了更多的程序。
5 力求真實數據的測試循環
根據Emissions Analytics的分析，美國環境保護署EPA的5個測試循環比NEDC工況更真實。對進行美國循環測試的1.0 L到2.0 L排量的汽車，其真實百公里油耗為6.96 L，比公佈的油耗低出2 %。對於2.0 L到3.0 L排量的汽車，其真實百公里油耗8.34 L，比公告的油耗僅高出1 %。實際上，美國朝小型化發動機發展的趨勢處於比歐洲更早的階段，但是到目前為止，還沒有在1.0 L排量以下的範圍內測試車輛。嚴格的EPA試驗目前還沒有對小型化發動機和相應的輕量化做出限制和要求。
目前為了接近真實的燃油經濟型數值，大眾已經對所有NEDC測試偏差進行了修正並給出了更加真實的數據。例如大眾旗下的Golf Mk7搭載的一款1.6 L增壓直噴柴油機，CO2排放值為87 g/km。雖然大眾目前並沒有公佈更多數據，但在其下一代2.0 L EA888增壓柴油機應具有低於90 g/Km的CO2排放。EA 288 EVO的CO2排放將大大減少，預計會在2年後開始量產。由於使用的測試工況公差很小，所以會有略高的CO2值，想要實現低於80 g/km的燃油耗目標目前還是非常困難。新一代的發動機CO2排放能降低7~8 g，達到89 g的目標值將是更為真實的數據。
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