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发动机输出最大扭矩时的转速为什么会出现一个范围?

来源:苏黎世贝勒爷 作者: 时间:2018-04-18
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这个看似简单的问题是知乎上含金量很高的问题之一。

提问者本身可能并没有意识到,你问题的有含金量有多高,因为如果想全面透彻的回答这个看似非常简单的问题,需要对发动机的工作原理和各子系统内在关系,有着全面深入的认知。

下面从两个角度来回答这个问题:

I. 普通受众的角度

II. 汽车爱好者和工程师的角度

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I. 普通受众的角度

鉴于现在知乎的受众面很广,这里先提供一个对于多数受众概括一些的答案。发动机最大扭矩只爆发在一个特定转速,是因为这是影响发动机扭矩输出的各个因素(随着转速变化)相互作用的净结果,高于或者低于这个转速,(多个因素中)都会有一个显著的因素恶化,降低扭矩的输出。

这段话我喜欢用人一生的体力/精力(最大扭矩)随着年龄(转速)的变化来作类比。显然,你在青壮年的时候体力精力会最好,比如二三十岁的时候,然后在其中的一年达到巅峰, 这一具体年龄对于不同的人也不一样,你的峰值可能是25岁,其他人可能就是27岁。就像不同的发动机,不一样的基础设计(同为自然吸气),就会对应不同的最大扭矩爆发的转速,但是基本都在中间转速(3000-4000rpm)。而过于年轻(转速过低),比如小于18岁(低于2500rpm),或者年龄过大(转速过高),比如超过50岁(高于5000rpm),体力/精力(动力输出)都会降低。但是主导原因是不一样的,年轻的时候是因为还没有足够的肌肉/骨骼生长(对应发动机的低转速进气效率低,同时在转化效率里热损失大(见下),所以指示效率低,所以没有足够的IMEP,所以有效动力不够),而年龄大了主要原因是磨损增加和机能衰老(对应发动机发动机高转速进气效率也降低,同时摩擦损耗增加)。所以,发动机(人)有且仅有一个转速(年龄),发动机的输出的最大扭矩最大(体力/精力)。实际情况比这个简单的比喻要复杂,但是基本的逻辑关系和构架是一样的,只不过影响因素稍微多一些。

然后增压发动机扭矩是一个平台是因为这时候还多了一个可以人为控制的因素,涡轮增压器泄压阀,可以通过开启的程度来决定发动机上游(进气)的压强(打开压强降低,关闭压强升高,完全打开就是自然吸气发动机),也就是说不用再受制于自然吸气发动机一个大气压的上游环境限制了,所以可以通过改变进气密度自由调配进气量,再配合等比例的喷油(下面会讲),自然可以通过控制泄压阀成一个扭矩输出平台。不过这个最好还是自己先了解一下发动机和增压发动机工作原理才能比较好解释,不然怎么说都不形象。

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II. 汽车爱好者和工程师的角度

我相信对于多数人通过上面的例子应该都大概能够明白这个意思。下面我会比较系统的展开具体每个影响因素。这里我会假设你有基本的发动机工作原理,热力学常识,以及逻辑推理能力,同时对了解发动机原理有一定的兴趣,因为下面不会再有类似举例。对于对发动机和汽车不感兴趣的人,友情提示,下面的回答可能并不适合你。

下面我会从以下几点,说明为什么发动机最大扭矩会在一个固定转速或者转速区间。这里面的第1部分是最核心的,是理解发动机的关键,理解了这部分,对于提问者问题的答案就自然得出了。

0. 若干用到的缩写 1. 决定发动机最大扭矩的因素 2. 传统自然进气发动机的最大扭矩在一个特定转速. 3. 装配了可变气门正时升成,还有可变进气歧管的发动机有更宽广的扭矩输出范围。 4. 近些年燃油直喷,小型化涡轮增压的发动机。 0. 若干用到的缩写

PFI/MPI, Port Fuel Injection/Multipoint Fuel Injection即缸外喷/多点电喷,指非直喷发动机。

W.O.T, Wide Open Throttle, 指发动机节气门全面开启,对于驾驶者就是全油门儿。

Volumetric Efficiency,进气/充气效率。

1. 决定发动机最大扭矩的因素

本质上,发动机能够输出多少扭矩,只取决于发动机在这一个循环中燃烧了多少燃料(汽油)以及这些燃料转化成机械工(动力)的转化率,也就是发动机效率是多少。两者相承再加以适当的单位转换,得出的就是扭矩。所以我们需要深究两点,发动机在一个循环中能喷多少油,以及发动机能量转化效率受什么影响?(在全油门情况下,转速从低到高变化的时候) 1.1如果进一步对这两点进行展开,先说说一个循环里能喷多少油。

显然,为了输出最大扭矩,答案自然是能喷多少喷多少。那么能喷多少的限制是什么呢?因为燃料燃烧需要结合空气中的氧气,并且大气中氧气的含量确定,所以这个限制就是进气量(空气)。所以这里我们需要再分两步,先看发动机能吸多少空气,再看能往(单位空气)里喷多少油,两者相乘就能得出(每个转速下的)最大喷油量。

1.1.1 能进多少气?

那么好了,我们先来看看进气量取决于什么呢?由于我们在讨论最大扭矩输出,我们只考虑节气门全开情况(全油门儿),这时候理论上进气量只取决于发动机的大小。由于发动机的排量是不会变的,所以在理想情况下(理想流体,没有摩擦损失),不管在什么转速下,(每个循环)最大的进气量都是一样的(但是空气流量不一样),这个进气量就是与发动机排量体积等价的进气岐管中空气的量(由于W.O.T所以进气岐管空气状态又等于大气环境空气状态)。但是现实显然是非理想的,所以在任何转速下,空气流动都会产生摩擦导致不同程度的压强损失(空气密度降低),同时现实中各个汽缸工作也会相互干扰(主要是排气歧管连通,使得各气缸排气环节相互干扰,从而影响进气量),其次还有过高或者过低转速下如果都使用同一个气门正时和升程还有进气岐管长度也会导致进气量的损失(进气时机/方式不是最优化导致总量的错失,见下)。为了综合表达发动机进气相比较于理想情况下完成了多少(用百分比),工程师引入了volumetric efficiency进气效率这个概念。volumetric efficiency就是一个循环(进气压缩做工排气)吸入发动机气缸的有效空气质量(实际),和同样体积(发动机排量)的空气在进气岐管里质量(理想)的比值,越高表征发动机进气性能越好,能够达到的潜在最大扭矩输出越大。基于上面所提到的三处(主要的)非理想原因,进气效率(也就是进气量)在所有传统自然吸气发动机上基本都呈现为一个随转速变化的抛物线(成为抛物线形状最主要的原因是进排气气门正时和升程条件非最优,其他两个因素让抛物线整体下降),这个函数取决于发动机进排气系统的设计特性还有制造工艺等。一般这个抛物线的峰值在80%-95%之间(通常对应的转速就是最大扭矩转速左右),高性能或者跑车超跑包括赛车发动机的峰值能够达到100%或者更多,比如105%-115%,在过高或者高低转速会回落到60-70%。显然,如果发动机的配气机构特性可以变化或者提升,这个抛物线自然可以更高(整体或者局部)。

这里举几个可变的例子,分别对应以上的理论部分。

在任何转速下,为了减小进排气的压强损失,可以使得进排气系统的空气气道更加的顺滑。比如和普通进排气岐管相比,高性能发动机的进排气岐管就是经过内部面抛光和打磨的,目的就是为了减小流体和进排气岐管的粗糙表面接触而产生的压强损失。但是这样做的缺点就是成本高,所以民用车的进排气岐管就都粗糙一些(比如铸造)。类似的,进排气岐管的长度也很重要,一般来讲,等长岐管能够把每个气缸的周期性工作的影响降到最低(各气缸排气影响尽量隔绝)。高性能的发动机都是用这个设计,就是因为这样能减小每缸排气背压,从而降低residual gas燃烧室残留气体从而减小对进气的阻碍(因为排气高温高压),进而提升进气效率。抛光进排气系统和等长排气歧管尽管是从不同的角度(进气/排气)来优化,但目的是一样的,都是提升全油门儿进气量,并且是在全转速领域都有作用。以上两者是比较常见的例子,显然类似的发动机基础设计(进排气道角度,进排气门形状设计,燃烧室及活塞形状)都会有类似性质的影响。下面两张图分别是经过打磨抛光的进气歧管内部,和安装了等长排气歧管的法拉利F129发动机(银色的排气部分)

发动机扭矩

发动机扭矩

可变气门正时,升程,还有可变进气岐管,也是为了相同的目的(提升最大进气量),但是只在特定的转速区域(过高或者过低)有比较明显的作用(假设基础的气门正时,升程还有歧管长度是针对中间转速进行优化的,而实际发动机也确实(或者说不得不)是这样)。

具体举例,就正时而言,因为实际空气(由于流体不理想的原因),会在发动机进气(排气以及气门重叠的正时就不做举例了)时呈现出以下特点,对于固定的进气阀门儿关闭正时,在低转速的时候,空气会在进入气缸之后有回流到进气岐管的趋势,在高转速的时候,有进气不能够完全进入气缸的趋势(这就是固定进排气阀门正时发动机进气效率(一定程度上也就是扭矩输出,见下)在过高过低转速降低的本质原因),所以可变正时在低速早关进气阀门,在高速晚管进气阀门,能够提升对应转速的进气量,从而扩大高进气量值的范围(当然,速度太过高或者太过低进气效率还是会下来)。举一些具体车型的例子,比如丰田的VVT-i,宝马的Double-VANOS,包括其他的一些品牌的装置,都是对正时进行调节,同时目前一般是进排气两侧都装备,并且连续可变,也有一些简单或者低成本的版本是只有进气端(因为效果最明显)。对于可变气门升程来说,这个比较好理解,高转速肯定需要提升升程,增加空气进入发动机气缸的通路,让发动机呼吸更顺畅。目前受限于成本,多数情况都是进气侧安装可变进气升程装置。本田的i-VTEC,宝马的Valvetronic,奔驰的Camtronic,奥迪的AVS(也就是保时捷和大众用的),英菲尼迪的VVEL都是这类。这里插一句,所有这些可变正时和升程系统的目的都是一样的(增加进气效率),区别只不过是实现方法和对应的效果,这里主要指的就是可变的范围,响应的时间还有成本/可靠性等等。个人比较喜欢的是宝马的系统,因为普及的比较早,同时都是连续可变,范围也很广,就是实际中小毛病多一些。丰田的可变气门正时大家应该比较熟悉了。奥迪和奔驰(奔驰2010年才有,M270/M274上)的可变升程都是两段式不连续的,主要是从成本的角度考虑,本田的i-VTEC名气很大但是本质上也是两段式的,只不过牛在调节范围大,同时也包括他匹配过一些早期比较经典的高转速发动机(主要是那时候排放没有限制),所以会被一些日系粉强烈追捧。最后一个最特立独行的但是效果也是最好的是菲亚特的Multiair,远超上面所有的任何装置,能够连续独立控制正时和升程(这些品牌的具体的不同实现手段和优劣这里就不再继续展开了,如果有机会可以单写一篇文章讲。但是在这里不得不说的是,意大利人的创造力真的是非同一般,在世界各大车企已经把可变配气机构的各种实现方法基本挖掘干净的情况下,Multiair凭借精巧的设计,在削减一根凸轮轴的情况下,实现了更灵活范围更广的可变配气机构,基本上把可变气门这个技术给做到头儿了,也堵死了别人超越的可能。当然,如果你知道最初发明可变气门正时技术的,正式菲亚特旗下阿尔法罗米的工程师,你就不应该感觉到意外了,再看看下面提到的法拉利的连续可变进气歧管,相信你也会被意大利人的创造力折服,不过这说远了)。以上可变进气正时和升程就不具体找图片了,媒体的解读文章也有很多写得不错的,感兴趣可以自行搜索一下。最后一个比较高端的就是可变进气岐管,转速越高进气道长度需要变得越短(见下图)。

发动机扭矩

原理也很简单,就是精确利用进气空气在进气岐管和进气阀门儿之间运动所产生的播(这个播是由于近期阀门开闭导致的),通过相应地改变进气道长度,让进气阀门儿开启的时候,高密度的气体正好能够传播到进气的位置(因为播在进气阀们和进气歧管之间振荡传播),起到一定所谓的增压效果。这个在应用上和上面升程的情况类似,多数情况下受限于成本和设计,多数车企用的都是不连续的,只有长和短两个状态的装置,目前做得最好的还是法拉利。很多年前刚看到这个设计的时候我也惊异于这个设计的美,不光轻松实现了大范围和连续可调节,也特别有机械设计的美。给大家找来了一张图,这个发动机顶部的小盒子,就是他的连续可变进气岐管。

发动机扭矩

还有一个视频,里面的动画基本上也演示得比较清楚了。法拉利F12tdf跑车 发动机工作原理演示(法拉利V12的发动机都有这个技术,包括Laferrari和F12以及F12tdf,视频中展示的是最新的F12tdf。我知道有人会说我上面这张图片是放的V8。。。(而法拉利的V8其实没有可变进气歧管)是因为选来选去就这张比较好看。。。而且这就是个示意图,他上面也有小盒子。。。所以就放他了。。。)

最后再提一句,发动机直喷与否也会影响进气效率,而且也是在发动机转速全域。直喷的发动机会高百分之3-5左右,这也是为什么这些年自然吸气发动机直喷化以后,动力会提升5%左右(比进气量的提升要多是因为净结果是进气量乘以效率,直喷让效率也能轻微上升),主要是空气吸进来的多了。原因就是由于在汽缸内直接喷油,这样一来,基本上喷油蒸发的全部能量都能被转化为缸内气体温度的降低,所以进气密度会大,而这在非直喷发动机里是不可能的,因为在PFI(非直喷)发动机里你真的是在喷油冷却进气歧管而不是空气(因为PFI是喷在进气歧管和进气阀门后背的,隔壁就是燃烧室,温度很高)。

直喷方面的另一小点注释:

从另一个角度讲,直喷导致的更低的进气温度也是为什么这些年小排量涡轮着增压发动机一定要直喷化的原因,不然无法较好地在目前的全油门增压值+较高压缩比(10-11)情况下抑制爆震。其实随着近两年downzing程度的增加,大家已经开始在W.O.T的时候用retard点火正时的方法来弥补过高的爆震趋势了(即说明直喷在这方面的贡献也用尽了),但这显然已经在降低W.O.T效率了(说明downsizing的压力已经使得另一端(在保证最大动力上)触碰到了一个constrain(平稳燃烧,即不发生爆震)),更有甚者在这种情况下催生出了宝马喷水抑制knocking的方法。。。不过这说得更远了,可以单开文章说如何评价小排量涡轮增压发动机省不省油,为什么欧洲先会有这个技术路径之后日本follow,以及未来燃油动力系统趋势是什么之类的)

1.1.2 单位空气能喷多少油?

有了吸入空气的量,我们就可以来喷油燃烧空气中的氧气了,不过这里面也是有一个小的自由度的,到底喷多少?因为燃烧需要燃料结合空气中的氧气,所以理论上应该是喷正好能够消耗(燃烧)完吸入汽缸空气中氧气的汽油量(lambda 1)。但是追求性能的工程师很快发现如果稍微再喷多一点儿,能够释放的总能量是最多的,这一点儿是指多喷百分之5%左右。所以在很长一段儿时间内,汽车喷油都是薛微多于进气量(中的氧气能够完全燃烧)的。当然代价是效率低,因为可能100份的油可以产生100份的能量,但是你喷105份的油(在还是只有100份空气的情况下)可能只能产生103份的能量,能让你多出3%的总能量但是转化效率低了。之所以是这样的原因简单来讲就是燃烧这个化学反应是有上百个顺序反应和副反应的可逆过程,多喷油能诱导前几步的的化学反应,碰巧前几步又是释放能量的主要反应(产生CO的那步)。副作用就是由于氧气不够了所以后续反应无法进行,就会有很多没烧完的碳氢化合物(汽油燃烧的中间产物),导致排放上去。所以说在没有排放法规之前,都是用这种喷油方法的,包括现在赛车里面都是这样,因为动力最多,同时排放没有顾忌。但是不幸的是(从产生动力的角度),从十多年前欧1开始,由于必须要满足日渐严苛的排放法规,对于汽油机低成本可靠的就一条路,三元催化,而使用这种催化剂的要求就一个(其实还有温度够高),喷油量要控制在lambda 1(小于1过浓无法氧化CO和NOx),也就是刚好燃烧空气中的氧气的量。所以对于现代发动机(最近十五年以内),喷油量只严格取决于进气量(normalized以后1:1,净比值1:14.7),但是纯从产生动力来看,这不是最优化的方法,是目前基于环保法规要求的结果。(看到评论里的留言,说现在的发动机全油门是加浓15%而不是lambda1,我想说从冷却发动机(也就是实际)的角度来说是这样的。但是我们这里主要的目的是给普通受众一个发动机的整体概念,让他们能知道喷油是和进气是成正比的,同时现在有三元催化的存在。所以这里请各路大神理解一下,咱们就假设lambda1,因为也不影响对回答这个问题的讨论)

好了,对第一个因素喷油量做一个简单的总结。现代发动机喷油量,由于排放的原因(三元催化),严格等比例取决于进气量。而(最大)进气量,是发动机进排气特性所导致的随转速变化的函数儿,在传统自然吸气发动机上呈现出抛物线的形状。改良的配气机构(air-path devices)(等长,抛光打磨,可变气门正时升程,可变进气歧管等)及直喷化能够不同程度地提升进气效率。就单从转速变化来看,传统发动机固定的气门正时和升程是导致进气效率随转速呈现抛物线变化的最主要原因。

(友情提示:到这里如果你思路还很顺畅完全跟得上,请继续往下看,如果有一些混乱建议可以再看一遍上面的内容,其实不是很复杂,只是如果第一次看的话可能会需要一些时间理解。只需要保证,到这里你自己明白,上面我们在谈总量(喷油)的事情,下面我们要说有效转化率了)

1.2接下来就该说说发动机转化效率了。

上面的所有都是在讲,你到底能把多少燃料(汽油),也就是能量带到发动机气缸里面来,接下来就是你能把这些能量中的具体多少比例,转化为有用的机械功输出。两者相乘,也就是汽油的能量乘以这些能量的转化效率,就是发动机输出的扭矩(本质上就是有效能量)。

首先到了这步,先回答提问者的一个问题,现代发动机一般情况下,基本上不太存你提到的所谓的不完全燃烧的情况。如果有,目前这个数量级在1-3%(的全部汽油)左右,也就是基本上没有什么燃烧不完全的汽油,因为现在的发动机都是lambda1的喷油加上比较成熟的燃烧室设计(活塞和汽缸盖设计),不能避免的1%或者更少比例是因为压缩冲程被挤到活塞环下面或者溶入润滑油里面的HC(碳氢化合物)躲过了火焰传播,在做工和排气冲程自己又由于平衡(化学和物理的)跑了出来。所以在转化率这部分我们假设在燃烧室内的汽油完全燃烧,损失只发生在能量转化的过程中。

那么说回到转化率的问题。这是个比较系统和复杂的问题,好在目前发动机界已经有了很系统的归纳方法。发动机的效率是几个效率的乘积,包括第一理论效率(只由热力学循环类型(diesel/otto/sabathe等)和压缩比决定),第二指示效率(indicated efficiency,主要由燃烧速度和热损失决定),第三机械效率(由摩擦和泵吸损失决定),这三个角度非常独立但是又互补全面地总结了发动机能量转化的过程(注意这个归纳也直接适用于涡轮增压发动机)。这里不会再每一项进行展开和解释,只解释(随转速变化会有影响的)相关项(像进气和喷油一样全部展开有点儿多。。。)。由于我们在讨论同一款发动机最大扭矩随转速变化的关系,所以我们自然掠过了理论效率(同一台发动机自然是一样,类似上面进气效率中直喷,抛光进气道,等长排气歧管等的性质。前者让在全部转速下的能量转化率整体提高或者降低,后几者让进气效率在全部转速下整体提高或者降低)和机械效率中的泵吸损失(因为W.O.T所以几乎0泵吸损失)。这两点我会在其他问题里,在合适的背景下中讲解理论效率(属于发动机热力学本质,T-S图)和机械效率中的泵吸损失(属于发动机动力输出及效率在恒定转速下随扭矩输出变化的变化)。所以现在的问题就变得比较明确了,就需要搞清楚随着转速的变化,在全油门情况下发动机燃烧速度和热损失,还有摩擦的变化关系,幸运的是这几点都比较好理解。

首先摩擦是最好理解的,随着转速的上升而上升,具体关系一般工程上我们用一个二次表达式来近似。

燃烧速度和热损失需要单独的分析。之所以燃烧速度会影响效率,是因为燃烧速度快的话燃料释放的能量可以更多地可以被转化为动力,不然没有被转化为动力就会被留在排气里以高温的形式(排气内能)浪费掉,这是热力学上最严谨的理解,在T-S图上看到的就是燃烧的速度越快释放能量的面积比例越大。对于很多汽车爱好者,更简单的是从力学的角度来理解这个问题,在上止点(活塞运动顶部)附近的位置发力才是最适合活塞动力转化的(发力),燃料和空气混合之后燃烧的速度必须要足够快才能够赶上在上止点位置附近的活塞上做工,如果燃烧速度慢,等到燃烧室内的气体高温膨胀做工的时候,活塞已经下行远去了(因为发动机在运转,燃烧需要时间),动力就没有被很好地转化释放。这个问题也可以比喻为,当你骑自行车的时候,大腿发力的角度只有一个是让你感觉最适合最舒服的,太高或者太低都有使不上劲儿的感觉,发动机活塞做功也是类似的。经过系统的建模分析,有很多因素会影响发动机的净燃烧速度(燃烧速度和平均活塞速度Mean Piston Speed的相对关系),这里就不展开公式了,只需要知道净结果是随着转速的上升,燃烧速度基本能跟得上活塞速度的上升(因为燃烧速度受进气turbulence影响,而进气turbulence受转速影响),但是转速过高的话燃烧的速度(的增加)就不够快了。

散热是另外一个重要的因素,散热多,在做工的过程中就会有很多能量通过汽缸壁散热的形式损失掉,被冷却水带走,导致汽缸内的空气温度降低内能减少,压强也就减小了,从而减少做工。经过系统的建模分析,有很多因素会导致发动机做工的时候产生散热,这里也不展开公式了,只需要知道净结果是随着转速的上升,散热(损失的能量)的比例会减小即可(可以简单理解为转速越高,留给一个做工循环散热的时间越少)。

以下示意图中展示了燃烧需要时间以及热损失这两个事实,以及他们导致的在功能转化过程中的能量损失。(燃烧非瞬时导致PV图形状非最优,热损失导致PV图中整体压强下降,两者随转速变化趋势即见上两段讲解)

发动机扭矩

所以对效率的整体趋势总结一下就是,发动机转速过低,过大的散热会让发动机效率降低,过高的转速由于摩擦的增加以及燃烧速度提升的乏力也会让发动机效率降低,所以就发动机能量转化效率来说,基本上也呈现一个随转速变化的抛物线形状。

2. 传统自然进气发动机的最大扭矩在一个点。

以上讲述的两大部分就是整个儿发动机工作原理的自然划分。这其中包括外部循环(external cycle)中的配气机构(air-path)和喷油机构(fuel-path),这两个决定了你能有多少可燃气体,也就是能量。然后这个总量再和效率,也就是发动机的内部循环(internal cycle)导致的能量转化效率,相乘,也就是把两者的影响叠加,得到的就是发动机的动力输出随转速变化的结果。不难理解,这两个随转速变化的抛物线如果相乘叠加,得到的还是一个抛物线(只不过两头更低),所以其最大值必然在一个特定的转速。如果用示意图做一个简单的总结,就是下面这张手绘图中所表达的。(我画得比较丑,这个先天不足。。。各位凑活看吧。。。)

发动机扭矩

所以回到开头的解释,发动机最大扭矩只爆发在一个特定转速,是因为这是影响发动机扭矩输出的各个因素(随着转速变化)相互作用的净结果,高于或者低于这个转速,(多个因素中)都会有一个显著的因素恶化,降低扭矩的输出。这里所谓的各个因素,就是上文(和上图)两部分中所分析(和展示)的。

如果明白了以上所表述的这些,其实还可以明白很多简单地道理。比如发动机改装就是把上面所讲到的每一项能够提升发动机动力输出的因素做改进。同时发动机为什么会有怠速和红线也变得很好理解。怠速就是发动机的一个转速的下限,如果低于这个值由于内部过大的热损失,动力输出就开始变得不稳定,也就会导致转速的不稳定(抖动)。类似的,红线就是发动机的一个临界转速值,从这里开始随着转速的上升,燃烧效率的提高(速度,散热)抵不过摩擦的增加同时进气也会减少,扭矩输出就会掉下去(显然,这个具体的度就是扭矩输出随转速变化的曲线和某条等功率线相切的时候),再提高转速也就没有意义了。

3. 装配了可变气门正时升成,还有可变进气歧管的发动机有更宽广的扭矩输出范围。

如果你能看到这儿想必已经明白了即使对于有些自然吸气发动机,扭矩输出也可以呈现出一个宽广的范围,原因无非就是可变配气机构在很大范围内弥补了发动机的进气量。在上一张图片的基础之上,下图中的红线就是装配有可变配气机构的发动机进气和扭矩输出的示意(在过低和过高处可以得以一定提升)。

发动机扭矩

举一个我开过车型里面可变配气机构给我印象最深的车型吧,其实很多车现在都有这个功能但是很多车开起来真的不是很明显,可能是因为确实可调整幅度不大或者有些车可能是因为动力本身就比较小开着也没感觉。给我印象最深的是奔驰的M276的3.5自吸,这个发动机看扭矩输出图在3500-5000rpm都有375NM的输出,但开起来感觉发动机扭矩平台比这个还广,即使两千多转也非常有力,关键是开起来完全不像只有这么点儿动力的车,在CLS350上感觉开起来像一个加速5秒出头的车,更不用说CLS的行驶质感,让人非常享受。对于民用发动机来说,真的还没有遇到过另一辆车感觉动力和匹配能够做到这个级别。

下为3.5升V6的奔驰M276发动机扭矩图,可以非常清晰的看到可变配气机构所产生的小扭矩平原。(显然,图中左侧纵轴为扭矩,右侧纵轴为功率单位)

发动机扭矩

4. 近些年燃油直喷,小型化涡轮增压的发动机。

其实自然吸气汽油发动机在工业界,发展到前几年,真的是已经做到头儿了。在学术界,差不多十年前就没有汽油发动机的科研项目了,最近十年都是只做柴油机的后处理研发(虽然大众排放门以后这块儿也彻底没了。。。其实也是恰巧做到头儿了,在严格只要增大后处理系统大小而不是提升技术了)。从一个工程师的角度,我其实非常好理解这种瓶颈,因为自然吸气发动机的上限就是一个大气压,你没办法改变这个先决条件和外部环境,外部循环和内部循环也基本上没有什么可以提升的地方了,加了涡轮轻轻松松增压30%,50%(扭矩的角度,功率再小一些)。所以从技术角度和历史发展的进程看我没有对自然吸气发动机有那么强的执着,从汽车工业化产品的角度,涡轮肯定是方向。但是从汽车爱好者和车迷角度来说,我认为世界上再也找不出一种人类的工业产品能够像自然吸气发动机这样和谐这样完美了,而且正是因为我工程师的背景,应该比其他人更能体会这里面的魅力。所以从车迷的角度,我是完完全全的自然吸气粉有强烈的情怀,比如991 GT3RS上的4.0 H6,458 Speciale上的F136发动机,LFA的5.0 V10还有Laferrari上F140超过800匹的输出,应该都是自然吸气发动机的绝世之作了(以上几款我觉得是6,8,10,12缸自然吸气直喷发动机的巅峰),因为我知道这些发动机是多么的优秀他们凝结了人类什么样的智慧结晶,而且他们在未来会是多么的稀有和珍贵。

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