美式皮卡換心 福特測試對置活塞汽油壓燃發動機

根據美國某媒體的報道，福特將通過 F150 車型測試一套全新的動力系統——由 Achates 動力公司提供的 2.7 升 3 缸對置活塞汽油壓燃發動機。發動機的提供方 Achates 宣稱，這款發動機能夠為 F150 提供至少 367 馬力的最大功率和 650 牛?米的峰值扭矩，儘管這台發動機的輸出功率低於目前量產 F150 使用的 3.5 升 V6 渦輪增壓發動機，但峰值扭矩卻要略高於那台 Ecoboost 發動機的 637 牛?米。

區別於斯巴魯、保時捷使用的水平對置發動機，對置活塞發動機更像是前者反置的重新組合。發動機的兩個活塞共用一個氣缸套，對嚮往復運動，使用一個燃燒室做功。因為沒有氣缸蓋，發動機的結構得以簡化，從而減輕重量。此外，對置活塞發動機也不需要複雜的配氣機構。既，沒有凸輪軸和進排氣門，發動機的生產成本得以降低至少 10%。因為多採用二衝程設計，在同等轉速下，發動機的功率輸出至少是四衝程發動機的 2 倍。另外，與普通的二衝程發動機相比，對置活塞發動機通過燃燒室的循環空氣的效率高出 30% 以上，燃油燃燒也更完全，尾氣排放可以達到普通四衝程發動機的水平。

其實對置活塞發動機並不是什麼新鮮事物，1882年，James Atkinson 在研究阿特金森循環時，製造了第一台對置活塞發動機的原型。一種公認的說法是，最早適用於汽車的小型對置活塞發動機在 1900 年前後，由法國的 Gobron-Brillié 公司生產。1904 年 4 月，使用 Gobron-Brillié 發動機的汽車成為世界上第一輛時速超過 150 公里的汽車，同年 7 月，Rigolly 駕駛該車再次打破了之前的速度紀錄，該車也成為人類歷史上首個時速超過 100 英里（約 161 公里）的交通工具。首台對置活塞柴油發動機由俄羅斯的 Kolomna 工廠在 1907 年生產。之後，對置活塞發動機又衍生出了其他一些形式。如辛普森平衡二衝程汽油發動機，Napier Deltic 柴油發動機以及 Doxford 船用大型對置活塞發動機等。

因為結構、工作性能等原因，這些發動機通常被當作船用發動機或為裝甲車輛、大型機械裝置提供動力。另一個值得被記住的名字是Jumo 205，由容克公司生產的這台航空發動機，開創了柴油航空發動機的歷史，它所衍生出的 Jumo 系列發動機也成為超過半個世紀的、唯一成功的柴油航空發動機。二戰後，由於燃氣輪機的崛起，對置活塞發動機才逐漸淡出歷史舞台。

與常見的直列或 V 型氣缸布局的發動機相比，因為結構特殊，對置活塞發動機需要更為複雜的曲柄連桿結構，將分散的動力輸出集中到一起。加之氣缸的進氣、排氣過程需要通過活塞運動進行控制，排氣通道一側的活塞會長期處於高溫工作環境，需要更為複雜的潤滑與冷卻處理。可以想像，雖然簡化了氣缸蓋和配氣機構，熱效率提升，但工程師們同樣也無法通過對配氣機構的靈活調節，在更廣泛的區域內，改善發動機的動力輸出和排放。另外，發動機的縱向高度也是一個無法迴避的問題，儘管可以通過類似水平對置發動機的方式降低重心，但發動機寬度也會對小型乘用車的發動機艙布局構成挑戰，而來自發動機活塞和氣缸壁的單側磨損也不得不考慮。

儘管面對諸多挑戰，但來自熱效率的優勢，還是無法讓業界忽視對置活塞發動機的存在。除 Achates 動力之外，還有 EcoMotors 和 Pinnacle Engines 對這一類型的發動機有著較為深入的研究。三家公司中，前兩者著力於二衝程發動機的研究，而後者則發展四衝程發動機。Achates 動力成立於 2004 年，因其在高效能動力領域的研究，獲得了紅杉資本、美國軍方、美國能源部高級研究計劃署、沙特阿美公司、阿貢國家實驗室和德爾福公司的青睞。由於使用了 Achates 動力的設計，康明斯公司為布雷德利戰車提供的 14.3 升對置活塞柴油發動機，可以輸出 1000 馬力的最大功率和 3254 牛?米的峰值扭矩，相比過去的動力系統，新發動機的功率密度提升了 50%，燃油消耗降低了 13%，發動機熱效率提升了 21%。

Achates 動力為福特提供的發動機，將實現 37 英里/加侖（約合 6.36 升/100 公里）的超低油耗，優於 CAFE 2025 中規定的 35 英里/加侖（約合 6.72 升/100 公里）的標準。相比現有的 V6 發動機，對置活塞發動機的零部件數量僅相當於過去的 60%，這將幫助製造商將每輛皮卡的生產成本降低 1000 美元左右。這款發動機的結構與容克 Jumo 系列航空發動機類似，擁有上、下兩根曲軸，兩根曲軸通過一組齒輪鏈接，從而有效降低了發動機的振動和噪音。因為帶有一個伊頓 R900 雙速驅動機械式增壓器，這台發動機具有更高的充氣效率。相對傳統活塞發動機，它的單氣缸容積大了 50%。在相同的增壓條件下，發動機可以實現更為稀薄的燃燒，從而提高熱效率。發動機的每個氣缸帶有兩支相對布置的噴油嘴，可以實現高精度的、可控的燃料分層。另外，由曲軸驅動的高壓油泵可以為 GDI 噴油嘴提供高達 2500 巴的噴油壓力，GDI 噴油嘴可以與 DFI噴油嘴互換，從而可以使用柴油作為燃料。

除汽油版本之外，Achates 動力同樣在進行乘用車用對置活塞柴油發動機的測試，他們已經為日產 Titan 皮卡提供了一台 2.7 升的柴油版本，並宣稱該車能夠實現至少 37 英里/加侖 （6.4 升/100 公里）的油耗。目前至少有 9 家製造商，獲得了 Achates 動力對置活塞發動機的生產許可。據悉，通用旗下 2019 款的雪佛蘭 Silverado 也將採用與 F150 相同的 2.7 升 3 缸對置活塞汽油壓燃發動機。

相比 Achates 動力，EcoMotors 設計的對置活塞發動機要更加複雜。他們的發動機採用雙對置結構設計，也就是在一條軸線上有 4 個活塞，分兩組氣缸工作，這使得活塞的相對線速度提高了一倍，在相同的轉速下，它擁有普通四衝程活塞發動機 4 倍的功率輸出。該發動機的結構與 Doxford 發動機類似，通過外連桿連接兩個對置活塞的動力輸出，不過因為 EcoMotors 發動機採用雙對置結構，這使得它看上去相當於將兩台 Doxford 發動機連接在一起。此外， EcoMotors 發動機只能以偶數氣缸的組合方式變化，除了之前提到的單側磨損問題， EcoMotors 生產的發動機在寬度方面更難控制。

相比普通四衝程發動機，成立於 2007 年的 Pinnacle 生產的 Clevees 發動機可以將燃油經濟性提升 30% 至 40%，但其製造成本比普通發動機高出約 15% 左右，大約會增加 2% 的車輛製造成本。

有趣的是，這三家公司都將中國製造商視為重要的潛在客戶。Achates 動力甚至還設置了專門的中文網站，EcoMotors 則希望憑藉一家中國本土公司打開市場。但客觀事實是，大部分中國本土製造商都將未來的注意力放在了電動車領域，對於內燃機的投入並不像過去那樣無序和狂熱。歐洲製造商藉助 48 伏輕混動力裝置，僅以 20% 的成本就能夠實現強混系統 80% 的燃油經濟性；英菲尼迪通過 VC-Turbo 發動機，在保證動力輸出的同時，相比 V6 發動機實現了 27% 的油耗改善；馬自達則寄希望於創馳藍天技術，將活塞發動機的熱效率提升至 50% 以上。根據測試，Achates 動力宣稱他們的發動機在實現歐 6 排放標準的同時，熱效率相比普通柴油發動機高 30%，相比普通汽油發動機高 80%。無論如何，這都是一個非常驚人的數字，但其實際應用效果還有待觀察。

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