为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?

节油减排技术进步很多汽车爱好者对于大排量自然吸气发动机(normally aspirated-简称NA)还有情怀,认为高级的汽车都应该使用这种发动机;似乎只有排量足够大动力才会足够强,油耗足够高才能说明汽车级别高……然而这样的观点已经落伍了,可以说对内燃机的技术特点、混合动力以及电驱技术稍微有些了解的话,面对NA都会嗤之以鼻。
下面先从节油减排与发动机排量的关系进行解析,之后再分析电机与车辆性能的关系。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
发动机是否排量越大性能就越强呢?
如果单纯讨论NA,或单纯讨论Turbo,答案当然是排量越大性能越强;但是这两种进气技术都是内燃机的常见技术,所以同级车只要有使用相同发动机的选项就可以横向对比,有趣的是主流代步汽车和性能车都以涡轮增压发动机为主,只是自然吸气还在凑着热闹。
参考对比:
Audi R8·5.2L-V10,456kw/570N·m法拉利 F8·3.9T-V8,530kw/770N·m这两辆跑车应当是全球知名车型了,性能哪个更强呢?毫无疑问是排量更小的F8动力更强劲,百公里加速只需要2.9秒,R8还在3秒开外;这就说明了排量越大不见得性能越强,NA技术的大排量发动机基本只是油耗更高而已,那么究竟是什么因素实现小排量发动机能实现更强动力的呢?参考下图。
图1:涡轮增压的结果
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图2:富氧燃烧的概念
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「NA+Turbo」等于涡轮增压发动机,增压机其实不是一种单独类型的内燃机,概念只是在自然吸气发动机的基础上增加“涡轮增压器”;增压器的本质是空气压缩机,其动力来自NA运行中必然产生的排气,排气压力是非常大的。不过NA是直接浪费了这个动力,增压机则是利用排气压力来驱动压气机的涡轮以每分钟数万到数十万转的超高转速运行;在进气管道中高转的涡轮会形成一股很强的吸气压力,发动机以不够高的转速即可让增压器达到高转、高转的增压器以强劲的吸力即可吸入与排量等量的空气并进行压缩。
这是个提升性能的基础,自然吸气发动机只有活塞往复运行这一道吸力(涡轮增压机也有),这道吸力只有转速越高才能越大;所以即便是R8这种车也得到六千多转才能达到最大扭矩——最大扭矩依靠与排量等量的进气量和喷油量燃烧实现,也就是说6500转之前的R8,它的动力都没有达到5.2L的排量标准,动力差则是必然的结果喽。
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重点:富氧燃烧是提升内燃机动力的基础,燃油汽车即便在热车状态也达不到「充分燃烧」的程度,因为燃烧反应需要充分的时间,内燃机做功时间太短则无法燃烧充分。NA的燃烧充分性其实是非常差的,看似排量很大且喷油量很大,但大部分燃油都被浪费掉了;想要提高性能或降低油耗,方式无非是让燃油的燃烧充分性提高,如何提高了?方式就是“压缩空气”,因为空气被压缩后会增加“体积相同”的空气中的氧分子数量。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
燃油的燃烧是氧化还原反应,氧浓度越高(富氧)则反应的速度越快;也就是说只要通过涡轮增压技术提高进气量就能达到与排量标准的燃烧做功,进一步提高氧浓度则可以让标准的燃油反应出更多的热能——量化的概念是「扭矩」,扭矩×转速÷9549×1.36=马力;扭矩越大马力(动力越强),反之在需要的马力相同时,扭矩越大运行转速越低,转速越低油耗则越低,说白了涡轮增压技术就是为提升扭矩、提升扭矩的目的就是为提升性能,对于普通代步汽车而言(涵盖所谓的豪华品牌汽车)则为了降低油耗。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
第一节说明了大排量发动机的淘汰是必然的结果,只有原始的内燃机技术才会依靠排量来提升动力,先进的技术一定是依靠氧气与燃烧效率来提升动力;不过举例的这两辆车有些不接地气的感觉,下面再来看三台比较有代表性的代步车发动机吧。
2.5L-NA 135kw/240N·m(最大扭矩4000rpm)1.5T 136kw/288N·m(1500~3800rpm)2.0T 185kw/390N·m(1750~4000rpm)这三台发动机都应用于10-20万区间的代步汽车上,哪辆车的加速感平顺或不平顺呢?
一般观点是认为2.5L加速平顺,因为最大扭矩只有在4000转这一瞬间才能达到峰值,假设800转起步则800-3999rpm的扭矩都在线性的升高,转速也在线性的升高所以平顺;这样的观点是没有错的,但也这是了解些皮毛才会这么认为。且不论其代步转速区间因扭矩小而造成的动力极差的问题,以及想要体验很一般的动力就会很费油的问题(用于紧凑级车破百12-14秒),它能实现的平顺剩下两台发动机同样能实现——原因很简单,因为转速的升高是线性的。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
决定加速是否平顺的核心因素不是扭矩,而是「马力曲线」(功率)。
扭矩和转速是相乘的关系,那么只要转速的上升是线性的,马力的曲线当然也是线性的;以第一台1.5T发动机为例,其涡轮增压器的介入(开始运行)转速为1000转,在1000-1500转区间为增压压力的线性提升、也就是扭矩的线性提升——在这个范围内特点与自然吸气发动机相同、但是扭矩还是会因增压器的相对低效率运行而大幅领先——到发动机转速1500转时、涡轮增压器达到最高转速,也就是增压压力达到最高,在1500-3800rpm区间转速不变,扭矩也就不变了。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
那么这台发动机在1000-1500转之间是线性动力增长,是“扭矩+转速”的同步增长;而在1500-3800转的范围内,是扭矩不变、转速增长,单纯的转速提升自然会非常平顺,这与带着扭矩波动的自然吸气发动机要更加平顺,所以从来不存在涡轮增压发动机不平顺的说法——绝大多数适应了代步汽车NA动力的司机,会感觉涡轮增压发动机“顿挫”“冲”等等,原因只是初期没有适应越级提升的动力、说白了就是适应了动力羸弱的汽车而不了解性能车的加速感罢了。
还别不服气,这还就是事实,而且就是淘汰普通3.0-4.0L-V6或八缸的所谓大排量高性能车的原因;绝大多数3.0L的发动机还不如优秀的1.5T扭矩大,功率高一些但优势也不突出;2.0T的最高标准可以达到≥205kw/400N·m,4.0L-V8也就是这个标准喽。那么相当的动力水平选择只有油耗高这一个特点的NA,这不是疯了吗?所以各大车企都不再用这种发动机,只有些技术落后的老旧车型还在用这种技术门槛低、制造成本低的机型。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
最后可以再来了解一下电动机,很多使用3.5T-5.0T的超跑车,百公里加速时间还在3-5秒之间;然而电动汽车和插电混动高性能车,以2.0T多引擎系统即可达到相当的水平。比如比亚迪汉DM这辆轿车,作为两吨重的中大型轿车超过大部分超跑500公斤左右,但是百公里加速可以达到4.6-4.7秒,这是如何做到的呢?
原因正在于后桥装备了一台「后置后驱」的永磁同步电机,功率达到180kw;这台电机在起步加速瞬间即可爆发最大扭矩,上述1.5-3.9T没有一台能做到;这是动力电池组在起步瞬间即可往电机输入最强电流的结果,而电流的速度相当于光速,最大扭矩刹那间即可形成。所以初段加速的爆发力非常强,后半段加速内燃机才开始主要发力,这样的组合以“优势互补”的方式、通过内燃机与电机的搭配可以轻松实现超跑的性能,有了这种技术还有必要用什么大排量NA吗?
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
电机恒扭矩、依靠转速提升车速的直驱模式,这又是任何内燃机都比不了的线性,这就决定了大排量自然吸气发动机和涡轮增压发动机都没有了什么探索的意义;在后燃油车时代中,内燃机这是作为辅助动力元存在,或者作为增程器来使用,这种落后的发动机已经没有什么研发的必要性了,所以很多车企都停止了对内燃机和变速器的研发投入。
在汽车全面转型电驱之前,性能车只需要混合动力或电动汽车,混动是兼顾高性能和续航里程的选项;一旦充电便利性问题解决,动力电池组的成本进一步下探且密度稳步提升,内燃机被淘汰也只是一瞬间而已。
为什么1.5-2.0T会成为黄金排量,大排量发动机的淘汰是因为什么?
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2021-06-16

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