分析RDE排放对发动机小型化趋势的挑战

1 时代在改变

汽车行业是一个在持续不断地进化的行业，随着技术的发展和形势的变化，电气化发展已成主流。在全球陆续发布的汽车产品中，公众已经不再过多讨论发动机小型化，而是越来越多地开始关注所需求的气缸数、电气化、48V系统，集成起动发电机，及出现的真实排放测试（RDE）循环。大众集团是第一个公开表明且证实其已经小型化最新发动机产品线的汽车制造商。作为世界上最大的汽车制造商，大众这一举措会推动整个行业的小型化趋势。大众集团开发总监Frank Welsch博士透露，大众目前现在所进行的项目并没有过度小型化，所有的产品已在规划内进行开发。一些人认为是定型化，但也不是很正确。大众只是不会再开发低于1.0 L的3缸发动机或者低于1.5 L的4缸发动机。如新一代的Polo将搭载一款小型4缸发动机，不是一款3缸发动机。

但是当大众开启发动机小型化产品线时，梅赛德斯-奔驰和宝马实际上也有同样的小型化开发，模块化、直列布置，例如围绕0.5 L单缸排量进行模块化布置，高成本设计包含涡轮增压、可变气门正时/可变气门升程和燃油直接喷射等。比起小型化，奔驰更偏好市场定型化，探索不同的方式去减小新欧洲行驶循环（NEDC）测试值，以达到满足市场要求的最佳产品。产品定型于MAF前轮驱动平台，该平台是目前应用最广泛的，该机型源于雷诺4缸发动机，并将发动机排量减小到1.6 L。基于0.5 L单缸排量，共有零件的模块化方案将替代直列汽油和柴油发动机的传统设计。这样的直列设计，甚至可以将AMG V8发动机从6.2 L自然吸气大排量变动到5.5 L涡轮增压的强劲动力，目前8缸的涡轮增压发动机排量仅有4.0 L。

除了削减气缸数量，基于先前的改善和成果，还有更多智能化的解决办法。如，新V8双涡轮汽油发动机M176使用停缸技术，在部分负荷下可以工作直到极限转速3 600 r/min，因此这是一款非常高效的发动机，气缸数能够在2、3、5、8之间进行无缝切换，极大改善了V8发动机的工作效率。追溯小型化发动机的历史，日本Kei汽车保持小型发动机的开发已有几十年之久，早在宝马采用1.5 L B37和B38汽油和柴油发动机之前，大众和Smart就已搭载自主研发的3缸发动机，另外小型化发动机的代表福特1.0 L的 EcoBoost发动机开启了小排量、低污染的技术。

2 小型发动机的适用范围

在随后的一波小型发动机的浪潮中，许多小型发动机开始出现在大排量汽车上，以降低试验室中NEDC测试的油耗和排放数据。福特EcoBoost搭载于不同的车型，包括大型C-Max和蒙迪欧。宝马开发的模块化1.5 L 3缸机搭载过几乎所有车型，从Mini Cooper到Countryman。菲亚特TwinAir两缸机首次搭载Alfa Romeo MiTo掀背车，其为菲亚特克莱斯勒顶尖运动品牌。欧宝的1.0 L 3缸机搭载Adam、Corsa和Astra，雷诺将其0.9 L排量发动机搭载到Captur和Clio上。

沃尔沃已经全面推行2.0 L 4缸发动机，甚至以机械增压和涡轮增压型式应用在大型SUV XC90上。凯迪拉克大型豪华轿车CT6选择搭载了2.0 L 4缸发动机，来自奔驰和宝马的小型4缸柴油机则被选择用于驱动旗下大型SUV车型。这么多类型的小型发动机，由于其动力表现良好，因此对于驱动轻型汽车来说认可度很高。菲亚特TwinAir赢得了2011年度国际发动机大奖头衔，福特1.0 L 3缸发动机自其发布后连续3年赢得国际最佳发动机大奖。在2015年，这个最佳大奖由宝马高性能3缸机获得，投资和资源的分配额都主要花费在小型发动机的开发和优化上。

3 面临的现实难题

但是采用小型发动机来代替大排量发动机工作的方式有一个弱点：RDE工况的表现。在试验室测试出小型发动机的优势没有在RDE工况中得以延续，特别是在欧洲测试循环中。来自Emissions Analytics公司的EQUA真实排放测试指数表明在小型化发动机中，NEDC循环与真实油耗之间偏差巨大。在EQUA测试中具有最高比例偏差的10台机型都使用了小型化发动机，包括菲亚特和阿尔法罗密欧TwinAir，一台具有0.6 L精准排量的3缸涡轮增压发动机。Emissions Analytics对超过500台汽车进行了真实工作测试后发现，到目前为止，对公布的油耗值最大偏差都来自排量1.0 L以下的发动机。

除了小型化发动机，基于英国试验显示，最佳真实燃油经济性来自1.0 L到2.0 L排量的发动机（百公里油耗5.04 L）。令人惊讶的是甚至2.0 L到3.0 L排量范围的发动机真实燃油经济性（百公里油耗5.23 L）比1.0 L以下（百公里油耗6.09 L）更好。实际上，3.0 L到4.0 L发动机的真实工况油耗（百公里油耗6.59 L）甚至达到了小型发动机反馈的数据。同时，小型发动机的油耗非常高，超过5.0 L排量的发动机比小型发动机NEDC循环油耗低1 %。当发动机排量增加时，报道的NEDC工况和RDE工况油耗值差距趋于缩小，但对于1.0 L排量以下的车型，偏差达到了36 %，这一数据可以说会对汽车市场的表现带来冲击。

大众已经开发了一款1.5 L直列4缸汽油机，代号EA211 EVO，其将最终替代现有的、低成本的1.4 L发动机。之前传闻说要开发的一台1.5 L 增压柴油机的项目已不再进行，并且大众宣称将继搭载Golf Mk8后，不会再继续开发1.6 L排量以下的柴油机。EA211 EVO目前正在深度开发中，当扭矩需求较低时，涡轮增压发动机的气缸能够按需转变成两缸发动机，在Eco版本中，发动机会停止喷射燃油形成空气泵，因而可以不用任何燃油进入滑行状态。在开发过程中，其真实的油耗和排放数据与大众在实验室测试的结果很相近。大众开发这款发动机的重点是要减小在NEDC工况数值上存在的偏差，解决所有小型化发动机在加速时排放和油耗失效的影响因素。

4 寻求解决方案

小型化涡轮增压发动机在工作过程中振动剧烈，其振动强度与大型非涡轮电机一样，但是后者需要花费更多的成本进行改进。在某些工况下，通过涡轮增压的小型化发动机未必节油。小型化对排放有一些负面影响，利用小型发动机来驱动一台大型汽车时，需要涡轮在起动状态时就一直保持运转。Emissions Analytics一项研究总结到，发动机越小，油耗增加越大。因为NEDC工况中的加速阶段很少，大部分是在匀速阶段下，其小型发动机的排放表现良好，并呈现出低油耗结构。但是在实际的路段驾驶情况中，要保证汽车的加速性能时，油耗将必然增大。

从梅赛德斯奔驰引入电气化开发起，新的M256直列6缸汽油发动机是奔驰设计的第一款搭载混合动力系统的发动机，配有集成起动发电一体机，装备48 V电气化系统，也将在下一代4缸发动机上采用。电气化系统将减轻涡轮增压器的负荷，并产生很好的燃油经济性。但根据Emissions Analytics的数据显示，其公布的数据显示NEDC测试工况值与理想工况值相差甚远。试验室数值和RDE工况的数值有很大的偏差，NEDC工况的加速相当轻柔，行驶速度也相对较低，所以能够获得更好的空气动力学。除了NEDC工况，美国、加拿大和日本都有自己的测试工况，中国则采用NEDC工况测试，并且还增加了更多的程序。

5 力求真实数据的测试循环

根据Emissions Analytics的分析，美国环境保护署EPA的5个测试循环比NEDC工况更真实。对进行美国循环测试的1.0 L到2.0 L排量的汽车，其真实百公里油耗为6.96 L，比公布的油耗低出2 %。对于2.0 L到3.0 L排量的汽车，其真实百公里油耗8.34 L，比公告的油耗仅高出1 %。实际上，美国朝小型化发动机发展的趋势处于比欧洲更早的阶段，但是到目前为止，还没有在1.0 L排量以下的范围内测试车辆。严格的EPA试验目前还没有对小型化发动机和相应的轻量化做出限制和要求。

目前为了接近真实的燃油经济型数值，大众已经对所有NEDC测试偏差进行了修正并给出了更加真实的数据。例如大众旗下的Golf Mk7搭载的一款1.6 L 增压直喷柴油机，CO2排放值为87 g/km。虽然大众目前并没有公布更多数据，但在其下一代2.0 L EA888增压柴油机应具有低于90 g/Km的CO2排放。EA 288 EVO的CO2排放将大大减少，预计会在2年后开始量产。由于使用的测试工况公差很小，所以会有略高的CO2值，想要实现低于80 g/km的燃油耗目标目前还是非常困难。新一代的发动机CO2排放能降低7~8 g，达到89 g的目标值将是更为真实的数据。