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相同排量的發動機,馬力為什麼不一樣?工程師帶你解惑

相同排量的發動機,馬力為什麼不一樣?工程師帶你解惑

這個問題非常有意思,我用科普的語言給大家解釋一下。喜歡的點贊關注哈~

馬力由什麼決定的?

可以簡單的理解為扭矩乘以轉速。

功率(W)=2π×扭矩(Nm)×轉速(rpm)/60

簡化計算後成為:功率(kW)=扭矩(N-m)×轉速(rpm)/9549

扭矩就是Nm,可以等效理解為每次燃燒爆炸的推力;轉速就是發動機的旋轉速度,是一個時間的概念,轉速越高,代表單位時間燃燒次數越多,單位時間做工越多。因此實現馬力主要就是控制兩個變數,扭矩和轉速。比如相同的2。0L發動機,在最高功率點的轉速和扭矩是不一樣的,導致了最大馬力不一樣。那麼為何扭矩和轉速會不一樣呢?我們慢慢看。

先說簡單的轉速

毋庸置疑,在相同扭矩下,轉速越高代表發動機可以實現的功率越大,比如兩款類似的2。0L發動機,一個最高轉速5000rpm,一個最高轉速6000rpm,顯然高轉速的發動機由發揮更大功率的潛力。

但是轉速並不是隨便能提高的,由於絕大多數汽車用發動機都是活塞運動,活塞上下抽搐,從速度0-最大速度-速度0,把力矩傳遞給曲軸,因此整套曲軸連桿機構都在承受比較大的力,如果轉速提高,那麼意味著各個機械結構的強度要提高,尤其對活塞環,氣門挺杆等脆弱零件挑戰極大,因此轉速不能無限制提高,想提高轉速的話往往要縮短氣缸的行程,降低效率;另一方面,氣體需要進入燃燒室內才能參與化學反應,活塞速度太快了氣體從進氣門來不及進入燃燒室,這樣扭矩也就下降了,功率也不會提高。因此發動機的最高轉速都有設計要求,不同車企的技術方案也不一樣,一般買菜車大概6000rpm-6600rpm,當然有一些效能車和改裝廠犧牲掉可靠性,把轉速拉到7000rpm-8000rpm也可以。

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​普通民用級往復活塞式發動機

還有一些另類,比如轉子這貨,沒有活塞的往復運動,因此先天性可以把轉速拉的非常高,升功率就可以做的相當大。

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​比如這貨,動不動1萬多轉,功率當然大了

接下來是複雜的扭矩

扭矩的核心是最大的空氣、最多的燃料、最激進的點火角,乾柴烈火下劇烈燃燒,實現最大的扭矩。

對於自然吸氣發動機來說,進氣的提高是有上限的。因此大家看民用級發動機,最大扭矩都大差不差,因為此時進氣量都是接近於發動機排量,配合燃料和點火角,能夠達到的扭矩也就這樣了。不過這裡也有很多技巧,最重要的就是可變氣門正時和升程,轉速高了空氣進不去怎麼辦?我不可能改氣門室大小(慣性太大,會碎),那就改變氣門時刻和升程,這樣在極限工況下進氣量就多了,最大扭矩可以提高。不同車企的VVT/VVL技術太多了,我就不一一列舉,大概就是不同車企的這塊技術有區別,所以能夠實現的效果也有不同,因此馬力的上限也就不一樣。

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​VVT

其中大名鼎鼎的就是本田紅頭機,在自然吸氣領域透過VTEC,實現了極端的進氣量,甚至利用泵氣效應,實現了大於物理排量的進氣量,從而壓榨出更多的馬力。

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​本田紅頭機

對於增壓發動機,進氣幾乎沒有上限。那就好辦了,小渦輪不行,我換個大渦輪,轉速轉速不夠,我換個更快的,一個渦輪不行,我加兩個,我甚至搞個電子+機械+渦輪。。。只要增壓足夠牛逼,想要多少進氣量都可以搞出來。因此我們看到很多作坊透過改軟體刷出一階、2階等等,都是改的渦輪閥相關引數。不同車企的渦輪尺寸不同,結構佈置不同,所以馬力也會不一樣。

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​渦輪增壓示意圖

比如這個逆天的M139發動機,也就是一個2。0L的排量,透過雙渦流渦輪,實現了2。1bar超高增壓值,最大輸出功率將會超過421匹馬力,峰值扭矩也將超過500Nm,相當於以前的V8發動機了。這就是典型的把進氣玩到了極致。

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​賓士AMG M139發動機

進氣解決了,那麼就是噴油。這點沒什麼好說的,日常使用都是理論空燃比14。6:1,現在排放比較嚴苛,有的發動機甚至實現全域的理論空燃比,降低排放。而把空燃比直接從14。6:1提高到12。5:1,也就是油多噴1。17倍左右,那麼燃燒更加劇烈,馬力就出來了,不過排放會超標,畢竟多噴的燃料都是無法參與燃燒的,只能白白排到空氣中。

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​然後就是點火。大家可能對這個比較迷茫,其實就是轉速太快了,而燃燒是有速度的,並不是瞬間爆炸的,汽油在空氣中燃燒威力不大,但是在鐵盒中瞬間爆炸威力巨大。因此我們就要透過燃燒室實現最劇烈的燃燒,從而提高扭矩。一般點火角度都是提前的,就是活塞還沒有到最上端的時候先點火,然後到最上端的時候燃燒最劇烈,這樣瞬間釋放的能量就大了。

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點火提前角示意圖,一般效能點火角度為提前30-40°

但是點火提前角也會帶來很多問題,比如爆震,比如溫度過高。因此對於效能發動機來說,要適當降低壓縮比,犧牲掉油耗。這裡存在一個悖論,一方面壓縮比提高能提高燃燒效率,提高馬力,另一方面壓縮比提高燃燒溫度太高,容易爆震,無法釋放出能量。所以即使相同排量,不同壓縮比下的馬力也是不一樣的,不同車企都有不同的調教方式。

最後就是各種損失了

以上是發動機能夠釋放的能量,但是實際一般都是算髮動機淨功率,淨功率是要拋開發動機自身損失的,有不完全燃燒的損失,冷卻損失,排氣損失,泵氣損失,機械損失。每家車企的發動機附件、佈置形式結構有極大的不同,因此馬力也就不一樣了。

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比如對於混動用發動機來說,可以把發動機附件都使用電驅動,這樣不算到機械損失中,能夠極大提高發動機熱效率和淨功率。

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比亞迪DM-i超高熱效率

以上,我是天馬行空,喜歡的點贊加關注哈~

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