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排气量究竟是什么?

车图腾·2014-12-25 08:01
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你现在买车时只看排气量?OUT了。

排气量究竟是神马?

“互动百科”是这样解释排气量的:活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸排量,如果发动机有若干个气缸,所有气缸工作容积之和称为发动机排量。

显然,这里说的排气量是气缸容积,与“排气”有麽关系?我想把自己的理解和大家共同分享(本文所涉及到的内容是建立在汽油发动机基础上的)。

1、排气量可以决定进气量吗?

要排气,首先要吸气。传统自然吸气发动机是依靠气缸内的活塞下降时形成负压把进气管内的含油气体(或者空气)“吸”入气缸的;大气缸吸得多、小气缸吸得少。

(1)理论进气量

我们以1.6L排气量的发动机为例计算了在不同气缸充气效率时每分钟所需要的空气数量:

表中的数据显示:由最小(暂时定为30%,请专家在帖子里告知实际情况)充气效率到最大充气效率需要的空气数量差别是巨大的。以2000转/分为例,充气效率是30%时每分钟需要480L空气、100%时就需要1600L空气,相差3倍多。如果发动机的转速足够慢,气缸充满气是一件很自然的事情;实际的情况是发动机工作时需要高速转动,加上较高的工作温度为吸进来的气体加温,达到常温密度的理论充气数量几乎不可能。

(2)实际进气量

对于自然吸气发动机来说,进气门和空气过滤器之间除了长长的管道(会产生死腔效应)以外还有一个油门(专业上叫做节气门),这些设计都会影响气缸充气效率。发动机工作时需要持续吸气,这些结构通过不同阻力形式在气门外侧的进气管内形成了一个阶梯型“负压”区(怠速时测量的进气管压力可以低至20千帕左右/大气压力是103千帕);当气门打开吸气时,气缸内的负压必须低于进气门外负压时空气才能被吸入气缸。现在大家明白了为什么进气管负压会减少气缸的吸气量,所以说自然吸气发动机永远也不可能吸满需要的空气量来输出更高的扭矩,总是处于半饥饿状态。

另一个情况是转速对吸气时间的影响,转速越快,吸气时间越短。伴随高转速的通常是高负荷,无法增加短时进气量是自然吸气发动机的另一个先天缺陷。简单计算一下就清楚,当发动机转速为1000转/分时,气缸每次吸气的时间只有0.03秒;当发动机转速达到6000转/分时,时间缩短到0.005秒。在这样短的时间内克服进气管负压所能吸进气缸的气会有多少?

我们常常看到相同排量的发动机输出的最大扭矩有差异,这种差异在很大程度上体现了不同发动机的吸气能力差别,吸得气越多、输出的扭矩也越大。

2、增压系统改变了“排气量”概念

为了解决自然吸气发动机进气管内的负压问题,研发人员在进气管内装了一个鼓风机(增压器),可以把气门处进气压力提高到大气压水平(103千帕)。有了增压器,气缸充气效率有望达到100%,大幅度提升了输出扭矩。

早期的增压器和现代增压器在进气原理设计上是有本质区别的,具体表现在输出扭矩的提升幅度和燃油消耗水平方面。我们可以从进气原理上把他们分为以下两种类型:

(1)补充型增压

针对进气管压力较低的情况使用增压器来补充进气压力是早期增压器设计的初衷,属于这一类增压器发动机的输出扭矩提高幅度很有限,比自吸发动机稍强点。老式的帕萨特1.8T、还有些使用了机械增压(S)等基本属于这个类型。由于补充型增压发动机的耗油量太高,目前家用车基本不再使用这类增压发动机,逐渐向“小排量+增压型发动机”类型过渡。我们可以从现在仍然在使用的一些增压发动机上看到补充性增压的痕迹,比如:长城1.5T发动机,它的输出扭矩(188Nm)比奇瑞一汽的2.0L自吸发动机输出扭矩(182Nm/184Nm)要高一些,体现出提高充气效率后增加了输出扭矩。从另一个角度看,补充性增压对提高扭矩贡献值的作用有限,一般在1.0-1.2之间;像长城1.5T发动机的扭矩贡献值=1.04、观致1.6T发动机的扭矩贡献值=1.12。

(2)拓展型增压

通过增压来控制进气总量是现代增压技术的基本特征。所谓“小排量大扭矩增压发动机”的本质是弱化了自然吸气功能对气缸充气效率比重、强化了增压器对充气效率的主导作用。这里说的小排量并不是传统意义上的排量小,输出扭矩小,而是排气量和输出扭矩的落差超出了自然吸气和补充型增压的范围,这正是我写这篇说客的初衷。比如比亚迪1.5T增压发动机输出的扭矩(240Nm)远远超过比亚迪2.0L自吸发动机输出的扭矩(186Nm)就是典型的拓展型增压。它的特点之一是在减小气缸容积的同时扩大燃烧室容积、再一点就是通过增压方式大大提高了燃烧室容积的扭矩输出率:拓展型增压的扭矩贡献值通常在1.2以上。吉利1.3T发动机的扭矩贡献值=1.28、比亚迪1.5T发动机的扭矩贡献值=1.36、宝马2.0T发动机的扭矩贡献值=1.58。

3、压缩比也在左右排气量

吸进气缸的空气需要被压缩以后才能燃烧,细心的车友在选车时会关注到参数表中“压缩比”一栏,需要说明的是这个压缩比是“结构压缩比”,仅表示活塞上下运动形成的气缸空间容积改变比率。实际压缩混合气的结果是和充气效率相关的,所以,通过比较压缩比的具体数值来判断发动机性能也存在不确定性。

(1) 压缩比的作用和目的

压缩比的基本作用就是把吸入气缸的空气压缩到需要被点燃和快速燃烧的程度。对于发动机研发企业来说,压缩比可以称为“金指标”;很多企业对于压缩比的竞争会体现在小数点后,比如某款发动机的压缩比为10.5:1、竞争车型的压缩比就可能提高到10.8:1,像我在前面说客中谈到的13:1的超高压缩比对发动机来说就像是鹤立鸡群。自然吸气发动机的基本规律是:在最大输出扭矩相同时,压缩比越高所需要的燃油就越少(耗油量越低)。涡轮增压发动机的情况就不太一样了,还用压缩比来衡量的话过于肤浅,如果有兴趣的读者可以看我随后准备写的续集,将从燃烧层面解释压缩比的意义。

(2) 谁是压缩比的克星

既然压缩比越高越好,为什么企业不把自己的压缩比尽量设计高一些,超过马自达创驰蓝天13:1?问题是有一个克星,名字叫做“爆震”。当压缩比太高时,可以导致发动机出现提前燃烧,使压缩冲程正在上升的活塞运动受阻、严重时造成发动机损毁。所有汽油发动机的压缩比设计极限基本是以不发生爆震为准、也有一些高档发动机通过使用高辛烷值汽油(比如97#)来提高压缩比。通过改变喷油方式也是预防爆震提高压缩比的有效方法,创驰蓝天采用的缸内直喷方法在它的高压缩比设计中至关重要。在前面说客的回帖中有朋友谈到创驰蓝天的“可变压缩比”,我想抽时间专门写一篇可变压缩比的说客,顺便介绍一下欧洲人在涡轮增压技术以后有可能推出的下一代技术。

上述分析想要说明的问题是:如果我们还在用“排气量”判别输出动力大小和耗油量高低可能会造成很大的误解,所以在选车时需要认真比较最大输出扭矩具体是多少?实测耗油量具体有多高?想要深入分析嘛、就算一下扭矩贡献值。

(关于排气量的问题远比这样的简单分析要复杂得多,考虑到有些读者可能有兴趣了解更深层面的问题,我接下来会写一个续集(排气量深度分析)从混合气燃烧层面进行分析)

我们先通过这个图表看看从之家上找到的4款发动机各参数之间存在的“巧合”现象:

四款发动机的第一款(A)采用涡轮增压进气、其它三款是自然吸气。我们先简单分析它们之间的相同与不同之处:机型A的自然吸气能力只相当于1.5升自然吸气发动机(C)、燃烧室容积相当于1.6升自吸发动机(B)、燃烧室容积比2.5升自吸发动机(D)小89ml(50.1%)、最大输出扭矩又高了5Nm。

这个结果解释起来比较困难。如果想真正理解发动机还需要从燃烧层面来分析排气量、进气方式、压缩比和点火提前角等等设计源头。

汽油发动机是一个通过点燃汽油产生热量推动活塞运动的扭矩生产装置。先将汽油和空气按照约1/15的重量比混合形成混合气,再把混合气压缩到燃烧室内进行燃烧。这张燃烧示意图表示了混合气的燃烧过程:

我们从三个方面来分析这张图。一、燃烧时间:从开始燃烧放热到压力升到最高值仅有约20°曲轴转角、按800转/分的速度计算全过程约3.3毫秒,如果把一秒钟分成1000份,只占3份!如何使混合气在这3.3毫秒内尽量燃烧是问题的关键。二、气缸压力:从着火延迟期(1)开始到曲线顶点处(3)是燃烧产生的最高压力;燃烧产生的压力越大顶点就越高、输出的扭矩就越大。三、燃烧室容积:如果燃烧室越小、产生的压力越高,就表明燃烧室的利用率越高和越省油。

一、燃烧时间

燃烧是一件司空见惯的事,如此短的时间内完成燃烧相当于微型定时爆炸,必须条件是混合气内的燃油分子被挤压到足够的密度。

1、进气方式

无论使用自然吸气还是增压辅助吸气,当进气门关闭以后,整个过程就结束了。进气多少和燃烧时间没有必然关联,所以增压不一定是左右燃烧事件的关键因素。

2、压缩程度

当进气门关闭后,活塞开始上行压缩混合气(空气),升到上止点时混合气的体积最小,其中的油分子密度也最高。压缩程度也称为压缩比,每一款自吸发动机都在追求高压缩比;压缩比增高就容易发生“爆震(一种混合气提前燃烧现象)”,我们只能把压缩比设定在低于发生爆震的压缩程度。因为压缩后的混合气要满足点火要求,所以压缩程度和燃烧时间相关。但是我们仍然无法用压缩程度来解释机型A和其它机型的那些巧合,机型A的压缩比只有9.5,是最低的,其它三款都高于10.2。结合机型A涡轮增压增加了进气量、压缩后的混合气体积和机型B一样(燃烧室都容积一样),但是输出扭矩比机型B高了86Nm(56%),还是解释不了。我们只能推测机型A的混合气被压缩到燃烧室后其中的油分子数量比机型B高。

3、油分子密度

压缩比代表了混合气被压缩的程度,制约压缩比的主要因素是爆震,引起爆震的原因是混合气提前燃烧,引起混合气提前燃烧需要混合气内的油分子密度足够高和温度也高。这样的推论可以得出这样的结论:机型A的混合气被压缩过程中温度低于机型B。机型A在使用涡轮增压的同时还使用了缸内直喷技术,也就是等空气吸入气缸后再喷入汽油。发动机的正常工作温度是90°左右,汽油箱内的汽油和气温基本一致,当汽油喷到空气中由微粒转化成气体时,可以吸收热量降低环境温度。现在清楚了,机型A在增加气缸充气量的同时,还通过缸内直喷来降低了被压缩混合气的温度,结果是使油分子密度更高的混合气在压缩的过程中没有发生爆震。

高密度的混合气在单位时间内参加燃烧的油分子数量较多,有利于产生更多的热量来推动活塞做功。

二、气缸压力

“燃烧产生热量越多、气缸内的压力就越高、输出的扭矩就越大”是每个研发工程师都清楚的小儿科知识,怎样用最少的燃油生产最大的输出扭矩又是世界最顶级专家冥思苦想的难题。

燃烧示意图中的压力曲线表明:从着火延迟期1开始到后燃期3开始的短暂时间内压力的升高程度决定了输出多大扭矩,如何在这段时间让混合气尽可能多地燃烧正是设计难点。我们看看研发人员做了那些努力:

1、提高压缩比

这里说的压缩比包括了自吸发动机气缸容积变化产生的“结构压缩比”,也包括增压发动机实际压缩气体产生的“实际压缩比”。机型D是自吸发动机,属于“结构压缩比”(10.4),尽管比机型A的“实际压缩比”(9.5)高0.9,最大输出扭矩却低了5Nm。为什么?最合理的解释应该是机型A的混合气被压缩到点火前时燃油分子密度比机型D高,导致混合气的燃烧速度加快,在火焰传播期燃烧的绝对油分子数量比机型D要多。

2、改善点火方法:

也有企业通过改善点火方法来提高气缸压力。设计原理是增加火花塞的点火电极(双电极、三电极)、增加火花塞电压和双火花塞等。

(1)增加电极数量

这组火花塞从左到右分别为单电极、双电极和电三极。这样的设计可以保证每次产生有效电弧光的概率上升,双电极和三电极火花塞可以扩大电弧光的范围,通过一次点燃更大范围的混合气来加快燃烧速度,提高有效气缸压力。

(2)双火花塞

单火花塞点燃混合气后出现的是由点到面的扩散方式燃烧,从中心火花塞处到燃烧室周围需要一定时间。双火花塞可以由两个点向周围扩散,大大提高了单位时间内参与燃烧的混合气数量和气缸内压力,目前已有个别车型投入使用。

(3)提高火花塞电压

市场上有一种装在点烟器上的“节油器”,原理就是通过提高点火电压来增加电弧光强度,加快燃烧速度。

3、HCCI

HCCI是一种新的汽油发动机燃烧技术,通过压缩汽油产生自燃。HCCI有两个特点:一是需要高空燃比的稀薄混合气、二是分布在全燃烧室内的油分子几乎可以同时被压燃。由一到两个着火点开始燃烧到全燃烧室需要一定时间,而整个燃烧室内同时出现无数个着火点到整个燃烧室的混合气被烧完几乎瞬间就可完成,所以HCCI的最大特点就是使用最少的燃油生产出最大的扭矩。HCCI的热效率可以达到柴油发动机的水平。

HCCI需要非常精确的设计和控制系统,目前仅有极少数车型开始使用这种方式,普及到一般车型还需要时间。

三、燃烧室容积

什么是燃烧室?

广义来说,整个汽缸都可以称为燃烧室,因为燃烧的全过程是在整个汽缸内完成的;狭义地讲,燃烧室是活塞上升到上止点时和气缸顶部构成的空间;所以说,燃烧室是一个临时结构。我们结合开始的发动机参数继续分析。

1、燃烧室容积和燃油消耗的关系

发动机就是一个通过燃烧燃油来生产动力(扭矩)的机器,用最少的汽油生产出最大的扭矩是发动机研发的终极追求。一方面机型A的燃烧室容积=176ml、机型D的燃烧室容积=265ml,另一方面机型A生产了240Nm的最大扭矩、而机型D生产的扭矩还少了5Nm(235Nm),显然,机型D多使用了89ml压缩混合气还少生产了5Nm的扭矩。这是为什么?

2、扭矩贡献值

扭矩贡献值是一个与进气方式、输出扭矩和燃油消耗率三个参数密切相关的数值,表示每毫升燃烧室容积所能生产的扭矩。燃烧室容积限定了燃油(混合气)数量,输出的扭矩越多,代表燃烧室容积的利用率越高,燃油的转化效率越高。

扭矩贡献值=最大输出扭矩/燃烧室(总)容积

我在前面的说客中汇总过几类发动机的扭矩贡献值,基本情况是:自吸+进气管喷射发动机≈0.8-1.0、自吸+直喷发动机≈1.0-1.2、涡轮增压+进气管喷射≈1.0-1.3、涡轮增压+直喷≈1.2-1.74。由此可见,技术越先进的发动机扭矩贡献值越高。

我们再回到本文开始的图表中看一下四款发动机的扭矩贡献值、排气量、压缩比和燃烧室容积的区别:机型A=1.36、机型B、C、D≈0.9,机型A用了机型C的气缸容积(1.5L)、机型B的燃烧室容积(176ml)、获得了高于机型D的最大输出扭矩(240Nm)。扭矩贡献值是最本质的区别。

增压辅助进气系统正在改变人们对排气量和压缩比的认识,“扭矩生产器”的概念可以使研发人员把高深莫测的发动机技术变得简单易懂,不过,现阶段的增压辅助进气系统同样存在着各种问题,比如技术水平差异、转速依赖、非主观调节和全程介入等问题仍然需要研发人员去优化和解决。

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