汽車的動力系統已經經歷了五個階段,按照技術水平排名順序為:外燃機、內燃機、渦輪增壓、混合動力、電機。選車應當選擇自然吸氣(下文簡稱NA)還是渦輪增壓,首先要濾清動力和油耗,與扭矩功率和馬力的關係;掌握這個知識點之後,對於NA則不會保留任何幻想,未來動力元也一定是電動機。關於外燃機這裏就不多聊了,畢竟已經淘汰很長時間;內燃機是發動機的一種類型,汽車與摩托使用的均為四衝程機。
扭矩和馬力;都説扭矩大則加速快,馬力高則極速高,這種説法對嗎?扭矩×轉速÷9549=功率;功率×1.36=馬力;這就是三者的關係。扭矩可以理解為單次做功產生的能量(熱能),並通過內燃機活塞曲軸結構轉化出的機械能,也就是動力;扭矩確實可以理解為單次做功爆發力,四衝程機為曲軸旋轉兩次做功一次,曲軸的轉速就是“發動機轉速”的概念。但是因做功轉化動能的過程存在熱能損耗,所以還要除以常數才能得出功率——功率就是單位時間內(1min)做功的總量,是每分鐘「爆發力之和」的概念。
重要知識點:扭矩和轉速是相乘的關係,那麼在轉速相同的前提下,扭矩大則功率高且馬力大;公制馬力的驅動力標準是恆定不變的,也就是1PS=驅動75kg物體以一米一秒的速度運動。所以扭矩大則馬力大,而轉速高同樣能讓馬力足夠大,反之極限轉速低則馬力極限也會低;柴油發動機加速能力很弱的原因,正是因為轉速被限制在平均≤4000rpm的範圍內,而汽油機則是在≤7000rpm的範圍內,加速時汽油機的每個前進擋都能拉昇到7000轉,這就要比柴油機只能拉昇到4000轉的加速能力強——結論則是扭矩決定中低車速區間的加速能力強弱,功率高低決定中高車速區間加速能力的強弱(持續性),所以功率扭矩都很重要,這就是分析自然吸氣和渦輪增壓哪種好的基礎。
NA是怎樣“吸氣”。什麼是自然吸氣呢?吸氣當然需要負壓力,就像拉針筒的手柄時,針筒內雖然什麼都看不到但也吸入了空氣;不相信的話用手指堵着噴孔,拉手柄時能感覺到明顯的吸力。自然吸氣發動機主要是通過活塞在氣缸內往下運動的過程產生負壓力吸氣,實際原理就和針筒拉手柄是一樣一樣的;其次則是在排氣衝程中同時打開排氣門和進氣門,利用排氣負壓力增加吸氣的能力。活塞吸氣時一定是往下運動的速度越快則吸入的空氣越多,怎樣才能提升活塞的往復運動的速度呢?
答案其實很簡單,那就是提升發動機的轉速;活塞是通過連桿與曲軸連接,做功時為活塞推連桿並使曲軸旋轉、不做功時則是曲軸選裝的慣性力帶動活塞往復運行,以完成吸氣、壓縮和排氣的動作。所以曲軸轉速越快則活塞往復運轉的速度也會越快,吸氣也就會越強;NA機型只能依靠拉昇轉速提升吸氣,這是要被淘汰的核心因素!——因為吸力越強進氣量才會越大,噴油量按照進氣量計算(空燃比14.7:1),這説明了什麼呢?參考下圖。
這是一個標準的自然吸氣發動機的動力曲線圖,其中扭矩曲線就像過山車,只有一個最高的轉速節點實現了最大扭矩;假設這是一台2.5L-NA發動機,在最大扭矩的轉速之前和之後,這台發動機實際上都不算是2.5L,因為進氣量完全沒有2.5L(升),噴油量當然也不會是標準值。進氣噴油量的大小直接決定「扭矩」,所以這種發動機的最大扭矩實際上只能在一瞬間之間出現;即使你感覺車輛的排量不小、動力不應該很差,但是實際上這種發動機的動力在中低轉速區間就是很差,因為扭矩是爆發力、扭矩決定功率、功率決定馬力,沒有大扭矩何來強動力呢?
同時轉速越高耗油量越大,這是沒有爭議的;NA機型的中低轉速動力普遍很差,這是對≤3.0L-V6 NA的評價,3.5-4.0L的動力感受尚可,真正能感覺到澎湃的是6.0-8.0L V8的標準。但是這些大排量機型的耗油量極高且車輛價格高,保有量比較多的主要是≤2.5L,最大扭矩普遍低於250N·m,中低轉速區間200N·m左右。這種扭矩水平實在是過於低了,代步加速不拉起轉速必然加速緩慢,這會影響其他車輛的正常高效通勤;所以駕駛這種車的時候不得不頻繁拉高轉速,按照TURBO車輛的習慣駕駛的話,2.0-2.5L的汽車可以輕鬆達到13-15L/100km的耗油量,而且會因總是拉高轉速而有較大的噪音,這些都是淘汰自然吸氣發動機的核心因素。(NA因製造成本低廉,適合入門級廉價汽車)
渦輪增壓有什麼亮點。正壓壓氣。壓縮空氣。NA是單純依靠活塞往復循環吸氣,渦輪增壓則在自然吸氣的基礎上,再加上一路「正壓壓氣」——增壓器的本質或別名就是“壓氣機”,這種壓氣機以高速選裝的渦輪(每分鐘數萬甚至十幾萬轉)主動且持續的吸入空氣,並將空氣“壓縮變小”之後送入內燃機氣缸。壓氣機的動力來自內燃機運行中的排氣氣流——自然吸氣發動機運行中也會有排氣,渦輪增壓技術只是利用了這種被NA浪費掉的尾氣。要知道小排量的內燃機每分鐘也會排出數百升的尾氣,由此可見在狹窄的排氣歧管裏有多強的氣流吧;那麼在進氣歧管引出一條管路,利用氣流驅動渦輪運轉,這種廢氣利用的技術自然是不增加油耗且能夠形成一路正壓進氣系統了。
由於低轉速的排氣量已經很大,所以低轉速的渦輪就能達到很高或最高的轉速,隨即而來的就是最強的吸氣能力;那麼渦輪增壓機就能在很低的轉速節點實現與排量相同的標準進氣量,進氣量的下降(涵蓋自然吸氣)都是在高轉速區間開始下滑,也就是説渦輪增壓機能夠從低轉速到中高轉速區間內——一直維持最大扭矩。這是一台中等水平的1.5T發動機的動力曲線圖,扭矩可以在1500-4000rpm區間維持峯值;重點是其扭矩已經有270N·m,而2.5L NA的最大扭矩不到250N·m且只能在4000rpm左右的某個節點實現峯值。1.5T·1500rpm是270N·m,2.5L·1500rpm可能連170N·m都沒有,相同轉速的馬力能一樣嗎?這就説明了2.5L NA的發動機實際上連1.5T的動力水平都不如了,但是耗油量卻要高得多。至於渦輪增壓能讓小排量發動機實現扭矩的大幅提升,原因是因為正壓壓入的空氣不僅量是標準的,而且經過了壓縮。
空氣中的氧分子是燃油的助燃物,固定量的燃油與氧濃度低的空氣反應的燃燒速度慢,反之與高濃度氧氣的燃燒速度快;內燃機即使在熱車時也做不到充分燃燒,所以只有燃燒速度快才能讓等量的燃油、在固定時間內轉化出更多的能量(熱能)。自然吸氣吸入的是常壓的低氧濃度空氣,燃燒速度當然慢;反之渦輪增壓壓入的是高氧濃度空氣,燃燒速度當然快。所以相同排量的渦輪增壓機的扭矩可以高一倍,排量小一些也能重合或更高!——自然吸氣提升動力是“玩排量”,這是原始且落後的方式;渦輪增壓提升動力是“玩氧氣”,對於內燃機而言則要先進很多。要知道所有柴油發動機都用渦輪增壓技術,公路上奔馳的大卡車和客車沒有例外,商用車時最需要節油和爆發力的,這就足以説明哪種技術先進了。
最後再瞭解「電機」的特點吧:恆扭矩。恆功率。電機比最優秀的渦輪增壓機的爆發力都要強,因為電機並不是通過燃燒來轉化動力。動力電池包將電流輸入到電機,在電機的電磁線圈上形成電磁場,磁場與懸浮固定的轉子永磁體互斥;以同極相斥、異極相吸的原理使得轉速運轉以輸出動力(扭矩),轉化過程中沒有接觸磨損和噪音振動。不過更重要的是電池包可以在起步瞬間以最大電流放電,形成最強的電磁場以轉化最大扭矩;而電流的傳輸速度是僅次於光速的,所以電機起步就能實現最大扭矩,動力感受要好太多。至於很功率則是缺點,轉速過高時的電機也會想內燃機一樣出現扭矩下降;但是電機的轉速極限是非常高的,因為運行中沒有磨損和振動,所以不用擔心NVH會影響車輛的品質。電機的轉速可以達到1.5-2.0萬轉(每分鐘),F1方程式賽車的內燃機也就是這個水平,然而噪音和油耗都是巨大的。
可是電機以高轉速運轉的電耗也沒有多高,因為電機不像內燃機一樣存在冷卻、進排氣和機械結構運動的各種動力損耗;電機的“熱效率”可以達到95%以上,而內燃機平均能達到30%也就算了不起了。所以電機是一種非常理想的汽車發動機,在動力電池儲能沒有突破之前,加入電驅系統的插電混動汽車有效提升了純燃油動力汽車的動力並降低了綜合油耗;在動力電池成本降低之後,內燃機的時代也就算結束了,但在此之前應當會先淘汰自然吸氣發動機。