高转速发动机和低转速发动机

高转速发动机和低转速发动机 技术帖 网络上经常出现所谓高转速发动机还是低转速发动机好的争论 说发动机低转速好的 一方强调其扭矩大加速性好的优点 而鼓吹高转速发动机好的一方以一级方程式赛车为例 反问为什么最高级的运动车用高转速发动机 而在争论的背后 还隐藏着一个拿不到台面 的原因 到底是德国发动机好还是日本发动机好 因为一般的民用发动机来说 德国厂家 广泛采用的涡轮增压强调低速大扭矩 而日本的可变气门发动机一般在扭矩方面比不上德 国发动机 但是在功率标注上并不差于德国发动机 所以 说低转大扭矩发动机好的一般 自然被认为是德粉 而强调高转速又被划分到日粉行列中去了 我们这个帖子不是研究日 粉德粉 而是希望创造一个讨论技术的好环境 让大家畅所欲言 探讨为什么采用涡轮增 压和高转速两条不同路线 下面 首先向大家问一个问题 汽车变速箱的作用是什么 1 在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小 2 实现倒车行驶 3 实现空档 首先让我们来算一算 民用发动机的转速应当为多少合适 一般地 轿车的轮胎直径是 600 多毫米左右 拿日产的祺达来说 其轮胎直径是 621 毫米 这样 其轮胎周长是 3 14 0 621 1 94 米 如果以祺达的行驶时速 100 公里 小时来计算 那么其轮子的转速为 100 1000 米 60 分钟 1 94 米 859 转 分钟 祺达开到 200 公里的时速 这不可能 我们只是说明个道理 轮子的转速也就在 1700 转 分钟左右 300 公里时速轮子的转速也就是 2600 多转 分钟 我们一般都不能开到 那么快 而且轮子直径一般都大于 621 毫米 所以 车开 100 多公里 小时的时候 车轮子 的转速一般也就是 1000 转 分不到 我们一般的发动机最高转速都标称 6500 转左右 大大超过了这个数值 问题出来了 既然已经计算过了 一般用车时候 车轮子的转速很少超过 1000 转 分 那么发动机做到 一两千转 分钟不就行了吗 为啥一定要高转速发动机 这就引出了另外一个概念 扭矩 什么是扭矩 按照物理定义 扭矩 转动半径 X 力 在汽车传动轴上 以轮子圆心为中心 轮子半径 X 汽车行进的阻力我们叫阻力矩 而 发动机输出后经过变速箱输出轴传给车桥内驱动轴后传到轮子去的力矩我们叫动力矩 很 显然 理论上说 汽车匀速运动时 阻力矩和动力矩是相等的 实际上 由于传动过程中 的损失 动力矩要大于阻力矩 还是以祺达为例 该车的重量为 1100 公斤左右 对地的压力为 11000 牛顿左右 如果 按照地面的摩擦系数为 0 15 0 35 计算 那么匀速行使的时候其阻力为 1650 牛顿 3850 牛 顿 这个时候 车子所受的阻力矩为 轮子半径 X 轮子阻力 0 31 1650 牛顿 3850 牛 顿 511 5 牛顿米 1193 5 牛顿米 而我们从发动机查到的资料上看 祺达 1 6 排量的发 动机最大扭矩为 154 牛米 4400 转 显然 这远远小于正常驱动所需要的动力矩 那么我们怎么解决这个问题呢 问题回到原来了 汽车上的变速箱有什么用处 变速是根据齿轮咬合原理 用直径不同的齿轮互相咬合 将转动机械的原来输出速度调整 的过程 比如说 变速机的输入输出变比是 1 5 就是说在变速机输入端输入的速度是 1000 转 分钟的话 输出端的输出是 5000 转 分钟 这时候 输入转矩和输出转矩的比就是相反的 5 1 就是说 如果输入是 100 牛顿米的话 输出转矩是 20 牛顿米 这是变速箱转速提升 的情况 如果变速箱转速降低的 比如说是 5 1 就是说在变速机输入端输入的速度是 5000 转 分钟的话 输出端的输出是 1000 转 分钟 这时候 输入转矩和输出转矩的比就是相反的 1 5 就是说 如果输入是 100 牛顿米的话 输出转矩是 500 牛顿米 这时候变速箱转速 降低转矩提高 汽车变速箱一般都是用来降低转速的 有了上面的结论 我们就可以得出以下的结论 汽车发动机的转速是能够满足直接驱动的 速度要求的 但是不能满足直接驱动时候的扭矩要求 直接驱动就是不经过任何机械直接 驱动车轮的方式 汽车变速箱的主要作用就是将汽车发动机发出的比较低的转矩提升 达到足以克服地面阻 力矩的水平 经过发动机输出的力矩 传到变速箱后 扭矩增大 再传给车桥内的变向齿轮组 俗称 尾牙 扭矩进一步增大 达到克服阻力矩的程度 变向齿轮组的比例是一定的 一般为 4 1 左右 就是说将速度减为 1 4 扭矩增大 4 倍 民用的变速箱最大变比为 3 3 1 左右 就是说 可以将发动机传来的扭矩增大 3 3 倍左右 这样 经过两级的扭矩放大 放大倍数就可以达到 13 左右 祺达 1 6 排量的发动机经过 放大后的传到轮子的最大扭矩就可以达到 154 13 2002 牛米 基本上就可以克服行进中 的阻力了 所以 汽车变速箱的正确叫法应当是 变矩箱 变速箱是我们为了克服内燃机扭矩不足的问题 加的一个装置 这个装置是要有机械损失 的 而机械损失的大小第一和传动方式有关 比如手动档 CVT 或 DSG 的就比液力耦合的 自动档效率高 第二就是与变速箱的传动比有关了 传动比越高 效率越低 所以 你经常可以看到 出租车一般用手动档不用自动档 有经验的出租车司机一般都是 车速起来后很快地换上高档位 其目的就是一个 为了省油 理解了这些后我们就能理解了 为什么民用发动机要大扭矩 因为同样重量的车在发动机 扭矩增大后 它的转速就可以降低 换言之 变速箱得变比就可以降低 效率提高 达到 省油的目的 而且 低速对于发动机气缸的磨损也要小一些 内燃机扭矩不足是个很大的缺点 英国的下一代护卫舰采用的就是柴电联合驱动的方式 用柴油机发电 然后用电动机驱动船舶 大家看 这个方式比用柴油直接驱动方式有能量 损失 但是之所以这么用 其目的无非要获得大的低速转动扭矩 提高总的效率 为此甚 至不考虑用变速箱 曾经看到过一篇文章 法国雪铁东公司为他们的 C2 混合动力车开发了一套混合动力系统 是由柴油机和电动机组成 大家知道 与汽油机相比 柴油机的特点就是扭矩大 加上同 样扭矩巨大的电动机后 它的低速扭矩达到了惊人的 780 牛米 你可能会问 那样的 小车用得着那么大的扭矩吗 这个不奇怪 我刚看到的时候也有这种疑问 但是看看我以 上的文字 你基本上能明白其中的道理了 获得大扭矩的是靠发动机结构实现的 扭矩和气缸的总的压力有关 而气缸的总压力是与 汽缸排量和燃烧的燃料种类 燃烧物质多少有关系 在气缸排量一定 燃料种类一定 压 缩比一定的情况下 主要与燃烧物质的多少有关 燃烧物质包括燃料和空气 这个比例基 本上也是一定的 就是燃料和空气比为 1 14 7 所以 我们能改变的是注入到发动机汽缸内的燃烧物质得多少 燃料的数量我们好办 加 油呗 但是光加油也不行 还要加相应数量的空气才行 如何加空气就是现在提高发动机 扭矩的最大的挑战 目前有以这么几种方法 1 可变气门方式 2 机械增压方式 3 涡轮增压方式 关于这几种方式 网上的文章铺天盖地 大家不难找到 我只想说明的是 从充气效率看 在中高速情况下 涡轮增压方式最高 低速情况下 机械增压式最高 可变气门充气效率 很低 如果大家认为我说的不对 我可以拿数据说话 大众 2 0TSI 扭矩 280 牛米 1500 5000 转 分 大众 1 4TSI 扭矩 220 牛米 1750 3550 转 分 本田的 2 0i VTEC 发动机 189 牛米 4300 转 分 本田的 1 8i VTEC 发动机 174 牛米 4300 转 分 丰田的 2 0VVT i 发动机 190 牛米 4000 转 分 丰田的 1 8VVT i 发动机 174 牛米 4400 转 分 大众的涡轮增压发动机扭矩远远大于同排量的日本的可变气门发动机 说明涡轮增压发动 机的充气效率远远大于可变气门的发动机 明白了这个道理后 你就会得出结论 我们民用车需要的发动机扭矩是多多益善 因为这 样车的动力性和经济性就会更好 变速箱的结构也会更简单 从历史上看 发动机的扭矩曲线都是一代接一代的提高 而不是降低 一般人常犯的错误是 认为在某条道路都以某个同样的速度下行驶的两台不同发动机的车 的发动机转速是接近的 其实不然 我的 2 0TSI Tiguan 车在时速为 70 80 公里时 发动机 转速为 1400 1500 分左右 而我朋友的 CR V 2 4 车因为扭矩不足 需要更大得变比实现相 同扭矩 发动机就要转到 2000 2100 转 分 虽然因为 CR V 2 4 的扭矩小而使得气缸的每个 冲程耗费的燃料比我的少些 但是由于其转速高 发动机总的耗油量和我的接近 但是由 于我的 Tiguan 的减速比比 CR V 2 4 小 再加上我的 DSG 的效率比它的高 所以尽管车的重 量接近 但是我的耗油率 Tiguan 比朋友的 CR V 2 4 少了近 20 就我所知不是这样 F1 曾经用过涡轮增压 但是马力太大 速度太快 事故率高 所以 为了安全放弃了 就像是用条纹胎不用光面胎也是为了控制速度 说涡轮耐用度低纯粹胡 扯 F1 赛车引擎一轮一换的 关心什么耐用度啊 飞机都能用 车反而不能用了 是的 今天用自然吸气的高转速发动机 并不是由于涡轮增压发动机性能不佳 而是 因为太好 以至于人都可能控制不住的地步 为了安全起见 组委会取消了涡轮增压 发动机参赛的资格 谈正题 比赛中 赛车的平均时速是 270 多公里 赛车的最高时速是 360 公里左右 赛车 的轮胎直径是干胎 660 毫米 湿胎 670 毫米 按照我们昨天的计算方法 赛车轮子的 最大圈数是 2850 转 分钟 而 赛车发动机的最高转速都在 18000 转 分钟 还是昨天 的结论 赛车高转速的目的是为了获得大转矩 而不是为了获得高速度 赛车的转矩要求大吗 静态看是不大 赛车一般重量为 600 公斤左右 比民用汽 车小很多 但是大家不要忘记了 由于 赛车的高速性 以及为了高速稳定性采用的气 动外形 造成赛车再高速或者过弯时产生巨大的下压力 这些压力最后都作用到轮胎上 同时 由于巨大的加速需求 使得 赛车需要的实际扭力十分巨大 需要更好的大扭矩 发动机 前面我们谈到 自然吸气的可变气门发动机充气效率并不高 所以同样转速下的扭矩不如 涡轮增压式的 而 赛车组委会又不允许用涡轮增压式发动机 那么就要另辟蹊径解决 扭矩问题 我们说过 变速箱可以变矩 所以工程师们还是从变速箱上想办法 提高变速箱输入输出 端的齿轮比例 由于同转速下自然吸气发动机的扭矩不如涡轮增压式的 所以轮子端输出 相同扭矩的情况下 必须提高变速箱输入输出端的齿轮比例 这样一来 问题就归结到发 动机一边 必须是高转速的 打个比方 如果轮子的转速是 800 转 分钟 轮子阻力距是 1500 牛米 涡轮增压发动机输 出的扭矩是 200 牛顿米 那么变速箱得变比是 7 5 1 发动机转速就是 6000 转 分钟 而 另外一台自然吸气发动机的扭矩是 150 牛顿米 那么同样的轮子阻力距 同样的行驶速度 轮子转速相同 那么自然吸气发动机的转速就要达到 8000 转 分钟 变速箱变比就要达 到 10 1 所以 一级方程式的高转速发动机就是这么来的 昨天我们说过 民用车一档得变比大约是 3 3 1 左右 二档大约在 2 9 左右 据我查到的 资料 布朗 本田车队的赛车 2 档变比大约达到 6 1 左右 一档更达到了惊人的 9 1 当然 民用车还有 4 1 这样一个 尾牙 变比 一级方程式有没有 有多少这资料上没 有 所以我不能回答一级方程式赛车总变比这个问题 但是从我上面的介绍大家应当能想 到 应当不小于民用车变比 答案出来了 一级方程式赛车自然吸气式发动机的高转速一样是为了获得高扭矩 我这里有个数据 布朗 本田赛车发动机功率大约 920 马力 最高转速 19000 转 分钟 你可以算出这个时候的扭矩 339 牛顿米 与民用发动机涡轮增压发动机比 这个数据并 不突出 尤其是作为比赛用顶尖发动机 宝马民用的 3 0 升双涡轮增压发动机就可以达 到 400 牛米 按照扭矩 体积计算的话 和本田顶尖的自然吸气式高转速发动机相差无几 所以 涡轮增压发动机的充气效率远远大于自然吸气式发动机 涡轮增加就不一样了 宝马曾经为一级方程式开发车一款涡轮增压发动机 排量为 3 0 升 功率大约为 1200 马力 最高转速为 11500 转 分钟 经过计算后的扭矩为 731 牛顿米 这还是 20 多年前宝马的数据 综上所述 涡轮增压发动机和自然吸气发动机就好像是一大一小两个人在赛跑 大个子的 步伐大 但运动节奏慢 频率低 小个子步伐小 但是脚登得快 频率高 二者都 有可能跑得很快 就像世界上既有像博尔特那样的大个子世界冠军 也有像意大利的门内 阿那样的小个子世界冠军 至于说到耐用性 其实我们看到了 与普通发动机相比 无论是涡轮增压还是可变气门高 转速 都对发动机造成了损害 涡轮增压是将更多的燃油和空气打入汽缸内 那么导致在 同样大的空间里发热量更高 冲击更大 而且涡轮叶片的旋转速度也很高 对机械造成损 害 而高转速发动机由于活塞运动节奏加快 与气缸体摩擦的次数增加 而且变速箱变比 大 效率也低 同样造成了变速箱的磨损 所以我们看到 性能的提高都是以牺牲机器的寿命实现的 这是没有办法的事情 难怪一级方程式发动机的寿命只有一次 现在规定提高了 也只有三四次左右 当然 随着材料科技的进展 现在已经能保证在车的寿命期内完好无损 我说的是同样使 用先进科技材料 那么旧的技术发动机的寿命应当比新技术发动机寿命长 寿命长短是个 相对问题 关于大扭矩发动机节油的问题 美国销售的两款汽车可以做个证明 在美国销售的两款车 本田的 CIVIC2 0Si 和大众的 GTI 2 0T GTI 2 0T 重量 3100 磅 功率 200hp 5100rpm 燃油经济型 城市 高速 21 31pmg 平均 25mpg 压缩比 10 5 1 CIVIC2 0Si 重量 2890 磅 功率 197hp 7000rpm 燃油经济型 城市 高速 21 29mpg 平均 24mpg 压缩比 11 1 两者的价格相差不多 发动机功率也接近 都是 6 速手动档的 有一定的可比性 照理说 CIVIC2 0Si 重量比轻 7 左右 发动机功率更小一些 压缩比也更大一些 应当比 大众的 GTI 2 0T 省油 但是实际上 是大众 GTI 2 0T 更省油 为什么会如此呢 原因还是 在于变速箱得变速比 由于大众的 2 0T 发动机在 5100 转 分钟的时候就达到最大功率 所以其低速扭矩大于 CIVIC2 0Si 发动机 这样大众变速箱的变速比就比 CIVIC2 0Si 的低 所以在重量更重的情况 下 还比日本车更省油 但是 好像还是大个子的获得世界冠军的机会更多 毕竟世界上只有一个小个子门内阿 技术派的聚会技术派的聚会 试驾速腾试驾速腾 1 4TSI DSG 图 文 郭垚 小排量往往具有优异的油耗表现 但动力性尤其是低转扭力远远无法 与大排量相比 那么如果搭配涡轮增压 再将 DSG 应用其中呢 或许这就是我们期待国 产速腾 1 4TSI 的原因 这种等待多少有些漫长 不过还好 大众为我们提供了一批产自墨 西哥的 1 4TSI DSG 车型 这批速腾曾为奥组委服务 由于其产地的原因 与国产的速腾 1 4T 在外观上以及配置上会稍有不同 而重点在于其装配的 1 4TSI 发动机以及 7 速 DSG 变速器 1 4TSI 版的速腾与目前在国内正在销售的没有区别版的速腾与目前在国内正在销售的没有区别 单从外观来说 这款 1 4TSI 版的速腾与目前在国内正在销售的没有区别 带有镀铬设 计的 U 型前脸 是大众这几年提倡的家族化风格 紧凑的车身线条 依旧简洁明快并赋有 动感 如果不在车尾处发现了那低调却又抢眼的 TSI 标识 我可能只会把这款速腾当作一 辆普通的奥运官方用车 对于速腾的内饰什么样子 相信许多人都非常清楚不必赘述 大众车内传统的布局风 格 使我很容易地找到每个功能键的位置在哪 不用刻意地去熟悉 这款速腾 1 4TSI 的主 驾驶席的座椅是采用电动调节 并带电动调节的腰部支撑 而副驾的座椅则完全需要手动 调节 也许从这点上我们可以看出 驾驶者之车 的精神仍旧延续在它的身上 TSI 发动机在低转速时即可产生高扭矩 从官方给出数据来看 这款将在国内推出的直列四缸 1 4TSI 涡轮增压燃油直喷发动机 在 经过调校后 在转速达到每分钟 5000 转时 其最大功率要比欧版 1 4TSI 发动机多 6 千瓦 达到 96 千瓦 当转速维持在每分钟 1750 转至 3500 转之间时 可爆发出 220 牛米的最大 扭矩 该数值与速腾 1 8T 的最大扭矩相同 0 100 公里每小时的加速时间为 9 8 秒 综合 路况的油耗为 6 3 升 在我们进行的 0 100 公里每小时的加速测试中 时间基本上都维持在 10 秒至 10 2 秒之间 偶尔起步时还会发出响胎的声音 的确 这款 1 4TSI 发动机带来的加速感是值得称赞的 虽然在起步时由于排量原因让人感到有些吃力 但从转速指针划过 1750 转后 强烈的加速 感就源源不断地涌出 直到 3500 转以后才会感到略有衰减 该发动机在中前段的加速表现 最为出色 另外 由于采用了燃油直喷的技术 涡轮增压在工作时爆发出的强大动力不会 让人感到突兀 不适 而且 在 1750 3500 转区域之间产生的最大扭矩 恰巧符合大部分 欧洲人 3000 多转换档的习惯 又照顾到多数国内司机低转速换档的习惯 这样的设计基本 上可以很容易地使发动机保持在最佳的工作状态 在一般情况下 虽然不是所有司机都会在 2500 3000 转区域之间换档 但大多都会在 2000 转以后才会换档 如果以这样的转速换档用在 1 4TSI 发动机上 自然会很轻易地使发动机 处于最兴奋的状态 不过在 7 速 DSG 双离合变速箱的控制下 正常行驶时的转速基本上都 处于 1500 转左右 使车辆以最经济的状态工作 缸内直喷和增压技术的应用实现了动力的 提升 最明显的优势特征在于 TSI 发动机在低转速时即可产生高扭矩 并在一个很宽的转 速范围内保持最大扭矩输出 动力输出持续饱满 为驾驶者带来更多驾驶乐趣 然而 却 不再以高油耗和高排放为代价 实现了节能 环保 动力的多重收获 采用缸内直喷和增压技术而不是通过加大排量来提升发动机动力 是发动机技术发展的方 向 并且符合节能环保的要求 首先 在城市中走走停停 发动机最主要的工况集中在中 小负荷 那么大排量发动机要经常把节气门开度放在很小的位置 造成巨大的泵气损失 而此时涡轮增压器不参与工作 TSI 发动机就相当于一款排量低的发动机 显现出节省燃油 的优势 而在高负荷时 TSI 发动机则通过涡轮增压增加进气量 从而产生更高的动力 达 到与大排量发动机相同甚至更优的动力性能 其次 发动机排量减小可以有效降低发动机 的体积和重量 对于整车布置和降低油耗都有直接的好处 7 DSG 可匹配