内容概述:燃油动力汽车内燃式热机运行原理,T/NA两种进气方式的概念,增氧增扭与功率的关系,内燃机与电机的未来。
在汽车领域有这样一个话题喋喋不休的争论了太久:选择汽车应该选自然吸气还是涡轮增压?如果在十年前相信大部分汽车爱好者会给出自然吸气的答案,因为当时的增压技术尚不够稳定,增压器的使用寿命与稳定性还不是那么的理想。然而十余年过去后已经今非昔比了,下面通过学习内燃机的运行原理来解析为什么NA很有可能被全面淘汰。
(说明:商用车型中的中重卡与巴士99.99%都用涡轮增压技术的柴油发动机,可靠性无需质疑)
自然吸气&基础知识
NA_normally aspirated,释义为自然吸气技术。在提到这种发动机时很多人都会有「L」标注,比如1.5L/2.0L,但是这种标准方法是错误的:litre·L代表英制单位的升,数字加L的组合指的是发动机的排量,所以以后应该将自然吸气发动机称之为“1.5/2.0L-NA”。那么到底什么叫做自然吸气呢?参考下图组。
图1、内燃机内部结构动态概念
图2、NA机型的进气概念(第一步为吸气)
知识点1:燃油动力汽车装备的发动机为「往复循环式·内燃式热机」,往复指的内燃机活塞在气缸内上下运转,同时通过连杆带动发动机曲轴转动并输出转矩(动力)。内燃的概念指燃烧做功在机体气缸的内部(顶端·燃烧室)完成,燃烧的过程中会产生内能,这种能量会转化为动能与驱动活塞运转,这是内燃机的运行原理。
知识点2:自然吸气正是通过内燃机活塞下行时产生的负压吸气,通过进气管路从车头位置吸入空气。这就像小时候玩过的针筒一样,往后拉就能吸入空气或者水。那么这种进气方式有什么优缺点呢?第一节只讲优点,那就是进气的原理非常简单则机体结构也非常简单,理论上机器的故障率与制造成本都会很低。
涡轮增压&燃烧概念
T_turbo指废气涡轮增压系统,这是目前普及率最高的主流增压技术。第一节讲述了内燃机的运行原理,但是还有一个重要知识需要讲解:什么是燃烧。
「燃烧」为什么会产生热能(扭矩)?原因在于燃烧并不是一种是结果,而是导出结果的过程!
燃烧指燃油中碳氢化合物与氧气的氧化还原反应,在反应过程中将会是分子无规则的剧烈运动;可理解为通过分子运动与活塞气缸的结构导向特点,实现定向作用力推动活塞曲轴往复运转,通过分子碰撞摩擦产生热能(高温)。也就是说燃烧的过程才是转化动能的方式——燃烧需要什么?¹(下图为燃烧分子运动的概念)
①*【燃烧需要氧气】
「氧化还原反应」是一种化学反应的概念,内燃机是化学发动机。燃油本身不会产生能量,比如在油箱内部就会很稳定;真的反应是需要氧气催化,关键点为等量的燃油面对越多的氧气,在固定时间内反应过程中的强度(兴奋程度)就会越夸张。说白了就是送到燃烧室的空气中的氧浓度越高,燃烧转化的【扭矩】就会越大!扭矩有什么用?²
②*【扭矩×转速÷9549×1.36=马力】
众所周知发动机的马力越大,汽车的加速能力就会越强,而且车速也会越高。所以大马力是很重要的“汽车素质”,但是实现大马力的最佳方式一定是「大扭矩×低转速」,因为发动机的转速越好耗油量或耗电量就会越大(费油)。普通代步汽车的转速往往都会限制在≤7000rpm的转速区间内,也就是说转速范围是相当的,那么哪种类型的扭矩大,而且能持续输出大扭矩就能实现“大扭低转·节油模式”,请看第三节。
如果增扭?
NA机型_玩排量
Turbo动力_玩氧气
NA发动机提升扭矩的方式非常原始,是利用转速的提升同步提高运行负压吸力,以吸入更多空气实现喷射更多燃油——理论空气燃料比为14.7:1,所以进气量越大喷油就会越多,燃烧更多燃油自然能产生更大的扭矩。
但是这种方式真的是很差了,因为扭矩的提升完全大量消耗燃油;而且扭矩只能跟着转速的增长而同步增长,这就决定了中低转速进气量小的范围内输出马力会很低。普通的2.0L-NA发动机只有100kw/200N·m的平均水平,最大扭矩往往要在4000/4500rpm区间才能爆发;这种机器相比涡轮增压机型有多大差距呢?
第二节说明了燃烧的概念:等量燃油面对更多氧气,其反应状态强烈就能转化出更大的扭矩。【涡轮增压器】说白了就是台空气压缩机,其功能是通过每分钟数万甚至十余万转的高速旋转涡轮,对吸入进气道内部的空气进行体积的压缩!空气被压缩的是分子之间的间隙,分子的数量并没有减少,于是压缩变小后的等量体积空气中,含有的各类分子(主要为氧分子)浓度就会增大!
下图1:压缩前后氧分子数量的增长概念
图2:氧浓度与燃烧火焰温度(热能)的关系
图3:富氧燃烧与正常浓度氧气燃烧火焰的状态差异
三种图片充分解释了什么叫做「涡轮增压·发动机」,以及【增压·增氧·增扭】的概念!扭矩的增长就能带来马力的增长,而且扭矩能够在很大的发动机转速范围内维持峰值输出;原因为涡轮的惯性质量是固定的,依靠内燃机运行中产生的排气驱动其运转,只要转速针对的排气压力达到标准就能涡轮达到最大转速(最大压缩空气能力)——直到因转速过高造成进排气受到影响扭矩才会开始下滑,普通涡轮增压发动机普遍能在1500~4000转之间维持最大扭矩。
标准:优秀的涡轮增压发动机扭矩标准
1.5T-缸内直喷发动机平均为270N·m(1500~4000rpm),超越主流2.5L-NA。
2.0T-缸内直喷发动机平均为370N·m(1500~3500rpm),超越主流3.0NA-V6。
有这么两台发动机作为参考也就足够了吧,那么通过增氧增扭的涡轮增压发动机,在燃烧火焰温度如此之高的前提下,其质量能够稳定吗?其实完全不用担心,因为今天的材料学技术与润滑油机油,可以做到让增压器的使用寿命与总成基本相当(增压器需要机油或机油+防冻冷却液辅助润滑散热)。
目前主流的华系、美系、欧系三大车系汽车都以这种内燃机为主,巨大的保有量也足以说明这种机器的稳定性了吧。所以选择燃油动力汽车应当以涡轮增压为首选项,因为只有这种机器能做到【低油耗·高性能】相对兼备!不过未来汽车最终还是会以电机为主,这种发动机的能量转化效率可高达95%左右,是内燃机热效率平均值的三倍左右哦!
总结&预测
2020/2025年内,纯燃油动力汽车的新车选项将会越来越少,因为十余一线车企都已经公布了在这一范围内的燃油车停产计划。取而代之的将会是「PHEV&REEV」插电混动或增程汽车,其中主攻快销车(相对低价汽车)的会是增程REEV;原理是利用内燃机以种地转速恒定运行发电,车辆以消耗电能为基础用电机驱动,这种模式会非常节油哦。
原理应该很好理解了,首先电机的转化率是内燃机的数倍,这就等于内燃机浪费了部分能量可通过高效电机给补偿回来。其次内燃机恒定转速运行肯定会节油,概念可理解为定速巡航驾驶时的油耗,总会比转速大范围波动的城市道路油耗低——增程系统稳定了内燃机的低转标准,这一标准的发电量可满足高效电机的消耗,这就是节油的原理。
所以未来的汽车电动化过渡期内会以两类混动为主(PHEV主攻性能车),最终都会成为纯电驱动。
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