一张图读懂发动机的四个冷知识

摘要: 不明觉厉。

11-08 07:37 首页 autocarweekly


文|Sway

图|网络

 

在谈论一款新车时,最大功率和最大转矩一定是翻牌项目之一,但不少人谈及这两个参数时,却选择性忽略了对应的转速区间。大家可不要小看了转速的作用,它可是会显著影响我们的驾驶体验的。


比如家用轿车倾向于在低转速区获得最大转矩,在城市驾驶情况下能够尽可能多地享受到发动机带来的动力体验。这类发动机以大众最为出名,比如老捷达就是典型的低转速高转矩车,采用短冲程设计,加速凌厉,但是上高速就瞎了。



相反,赛车/运动型汽车则倾向于高速区获得最大转矩,这样能够保证在高速奔跑下获得最强劲的动力输出,比如本田霸王级红头高转速K20A发动机,直到7000rpm才会逼出最大转矩。


所以即使是最大转矩相同,还真说不好它是一款再普通不过的家用车,还是一款让人为之疯狂的赛车。



而下面这张发动机外特性曲线图,就能比较直观地表示发动机转速和功率与转矩之间的关系。什么发动机最大功率、最大转矩,就是从这张图中提取出来的:



发动机外特性曲线很特殊,不仅仅是因为它是在制动试验台架上测出的,更重要到的是它是发动机固定在最大节气门开度下获得的曲线,所以它表示的是发动机所能得到的最大动力性能,也就是下图中指示100%的这条:



我们能从图中读出最大转矩对应的转速区间,从而了解这款发动机的输出特性,为我们更好地掌控这款车所用。


 

为什么最大转矩比最大功率来得快?


如果我们再仔细看一遍曲线图,还能得到一个很明显的结论,那就是最大转矩比最大功率来得快。至于原因,就要谈到发动机的最大转矩的几大重点关系户了。


通常最大转矩会受到发动机进气系统、供油系统和点火系统影响,在某一转速下,这些系统的吸能匹配达到最佳,就可发出最大转矩。


正是因为精确控制这套复杂系统十分困难,也就催生了很多电子控制技术。比如奔驰在经典的M271DE18AL发动机,就采用了油泵电脑进行更精确的喷油控制,发动机的运转稳定性十分优秀,理论极限也就越高了。



当然这套复杂的系统还会受到很多物理状态的影响,比如上文提到的节气门开度,从发动机的二维转矩特性图中我们已经能很明显的看出它的影响,这里我们再举一个重要的影响因素——进气效率。



进气效率高说明可燃混合气体量更大,这就像我们吃热量更高的汉堡一样,虽然量一样,但能吃得更饱,这反映到发动机上就是它能制造更大的气缸内压力,获得更大的转矩。


按理说随着发动机转速拔高,气体会随着活塞更快运动而获得更高的流速,在规定时间内流入的新鲜气体越多,也就是我们说的进气效率会更大。


但是事情可不会总是如此美好,随着转速一直提高,发动机内会存在恼人的进、废气干涉,刚进入的新鲜气体会被滚烫的废气推出气缸,反而降低了实际进气量。新鲜的空气进不来,自然发动机就吃不饱了,闹脾气的结果就是扭矩反而减小了。



所以随着转速的拔高,转速呈现了先增大后减小的趋势,通常来说常用家用轿车最大转矩发生3000-5000rpm的时候,然后下降。


下面我给大家整理了上半年销量前十轿车的最大转矩对应的转速(这里只列举自然吸气),大家可作为初步的了解。


热门家轿车最大转矩

车型

最大转矩(Nm)

最大转矩转速(rpm)

英朗(1.5L)

143

4000

轩逸(1.6L)

126

4000

捷达(1.5L)

150

3800

朗逸(1.6L)

155

3800

速腾(1.6L)

155

3800

福睿斯(1.5L)

142

4500

拉罗拉(1.6L)

154

5200

宝来(1.6L)

155

3800

桑坦纳(1.6L)

155

3800

帝豪(1.5L)

140

4400


明白了为什么转矩会先升后降,解释起功率问题就不太复杂了。


随着转速的增加,发动机的功率也相应提高。虽然转矩开始下降后功率就没那么撒欢了,不过功率(转矩和转速的乘积)还会随着转速的攀升还会继续增大。


而达到峰值以后,进、排气门的开启时间相对变短,进、排气受到影响,点火能量变弱,这时候再踩油门也没啥作用了。



提升进气效率


了解了最大转矩和最大功率的变化趋势,我们会发现进气效率在整个变化过程中尤为重要。正因此,发动机进行了一系列改进,其中最被我们熟悉的就是涡轮增压了。


由于涡轮增压强制为发动机进气,进气效率提高,最大转矩区变得更宽泛了。比如上个月获得沃德十佳的现代Kappa系列1.4T发动机,在1400-3700rpm转速区,均能获得最大转矩(210.8N·m)。



另外,可变气门正时(VVT)也是常用的技术手段,它通过对气门升程进行调节,既能保证低速高扭矩,又能获得高速高功率。这项技术最早由本田开发出来,到今天已经非常成熟,比如丰田VVT-i,保时捷Variocam、现代DVVT等。


注:保时捷Variocam


正因为这些技术的加持,以经典的宝马N20单涡轮双涡管增压为例,我们会发现发动机外特性曲线图呈现了下面这种状态。



不少人认为宝马N20发动机就是少了两个缸的N55发动机,毕竟这款发动机集合了单涡轮双涡管增压技术、电子气门技术、高精度燃油直喷技术等。N20发动机在1250转时就能达到最大扭矩,并能持续到4800转(高功版),涵盖了日常行车所要用到的转速范围。



还有玄机


在发动机参数中,还有两个不常被提及但很重要的参数——扭矩储备和功率储备。储备顾名思义就是富裕的意思,转矩储备能给发动机带来很多好处:


1. 能稳定发动机工作,避免突然遇到阻力时发动机发生失速;

2. 在怠速起步时反应会更迅速,提速更强劲;

3. 克服短期超负荷的能力越强,能适应阻力波动较大的工作情况,使行驶中换档的次数可以减少,增强驾驶体验。


改变发动机转矩有三种方式,其中改变点火提前角的响应最迅速。因此在怠速工况下,为了进行快速的转矩控制,采取将点火提前角设定在与最优点火提前角保持一定距离的方法,当需要快速增加转矩时,通过增加点火角来迅速提升发动机转矩,而这种办法就叫做转矩储备。



虽然扭矩储备对机体的寿命和长期使用上都有很大的好处。但是不宜储备过大,不然性价比上就不高了。一般汽油机的扭矩储备系数在1.25-1.35左右。


需要注意的是,Sway叔发现不少人喜欢直接将外特性曲线上的最大扭矩和最大功率对应的扭矩进行对比取值,其实这种算法是不正确的,因为我们说的是标定工况,也就是发动机铭牌上的参数。


以迈腾2.0TSI发动机为例解释说明下,从外特性曲线图中,我们可以读出最大转矩为280N·m左右,最大功率对应的转矩为255N·m左右,这里如果我们用280/255=1.10得出的扭矩储备系数就是错误的。



只能说虽然外特性曲线很美,但可千万别什么都往这上面套啊。



发动机功率储备


聊完扭矩储备,发动机功率储备就不太难理解了。充足的发动机功率储备有利于实现更大的爬坡度和获得更大的加速度,这两点不管是在日常驾驶还是越野都十分有用。


发动机一旦装上汽车,转矩储备就被确定无法再更改了,但汽车的功率储备却可以通过装备不同的变速器来改变,比如通过改变主减速器的传动比来实现功率储备的改变。



我们可以这么理解:在平直良好的路面上以较低的车速行驶时,节气门开度不是最大,假设此时的发动机功率为P1,如果接着一下子将节气门开到最大,也就是将加速踏板踩到底,用来爬坡或加速,此时发动机最大功率P2才真正爆发出来,P2-P1就是发动机功率储备,如果把P1比作刀未出鞘,P2就是拔刀相见。



总之,外特性曲线图可是金子,大家也不妨多琢磨下这张图,还是能发现很多有趣又有用的小知识。



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