發動機技術並不高深,其實就這3個作用

哈嘍哈嘍大家早上好!

對大多數的人來説,都會對一款車的發動機排氣量、馬力、扭矩這些名詞略知一二。可是當我們去了解一款車時,往往會被汽車廠商的那些不明覺厲的發動機技術宣傳搞得一頭霧水。

確實當今的發動機已經變得越來越複雜,可汽車廠商熱衷於將自己在發動機技術上的“成就”傳達給消費者,我們卻難以“get”到這些技術的功用。

在我看來,這些技術的功用大體上有三類:

1. 發動機用更少的油,得到更多的動力

2. 發動機的“呼吸”更順暢

3. 減少發動機負擔

那在我們瞭解到了這三大功用,那麼本文接下來的這10項發動機技術,理解起來其實就很容易了。

用更少的油

得更多動力

稀薄燃燒

舉一個不太嚴謹的例子,假設維持發動機最佳運轉區間需要1份空氣和1份汽油,但我們發現我們用2份空氣和0.5份汽油同樣能夠維持發動機的運轉,汽油少了空氣多了,發動機還能轉,車還能繼續走,油耗就這樣降低了,這就是稀薄燃燒的意義。

發動機技術並不高深,其實就這3個作用
對於汽油發動機來説,汽油與空氣有一個理論最佳比例,1kg燃料需要14.7kg的空氣才能完全燃燒,這個空氣與燃料的質量比就是空燃比,14.7:1。如果考慮燃油經濟性,就需要提高空燃比,讓空氣富餘,而空燃比大於14.7大的空燃比叫做稀薄燃燒。其目的就在於不影響發動機扭矩需求前提下增加空氣,減少燃油消耗,從而提升燃油經濟性。

缸內直噴系統

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缸內直噴顧名思義是在汽缸內噴注汽油,它將噴油嘴安裝在燃燒室內,將汽油直接噴注在氣缸燃燒室內,空氣則通過進氣門進入燃燒室與汽油混合成混合氣被點燃作功。

因為直噴精度高,容易對燃燒進行控制,且空燃比可以達到40:1(一般汽油發動機的空燃比是15:1),從而實現一部分稀薄燃燒的效果。

而且缸內直噴所噴出的汽油可以降低燃燒室温度,從而讓發動機的温度得到一定控制,得以進一步適當提升發動機的功率和扭矩。

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但是缸內直噴也存在弱點,採用缸內直噴的供油系統成本相比傳統的歧管噴射會更高,而且由於進氣門側缺少汽油的清潔作用,缸內直噴發動機比歧管噴射發動機更容易產生積碳。

燃油混合雙噴射系統

雙噴射系統是在缸內直噴的基礎上,在進氣歧管側又增加了傳統低壓的多點噴射系統。燃油系統根據發動機的不同工況,採取合適的噴射模式。這樣能夠實現更廣的噴射覆蓋面積以及更高的燃油霧化率,使噴射的燃油更多地參與燃燒,改善燃油經濟性,降低油耗和排放。

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當然相比於傳統的燃油單噴射系統,混合雙噴射會更加複雜,兩組供油系統會導致相應的成本上升,同時對於控制系統的要求非常高,十分考驗廠家的技術底藴,目前大多為一線大廠有搭載此項技術,比如豐田TNGA架構下的2.0/2.5升發動機,大眾的2.0T發動機(部分)、日產VC-Turbo 2.0T發動機。

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豐田的雙噴射技術稱為D4-S

高壓燃油噴射系統

高壓噴射系統一般由博世、德爾福等供應商巨頭提供,超高的燃油噴射壓力可以大幅度降低顆粒物的排放,減少噴射平均粒徑(SMD),改善混合氣均勻性,使得燃料的燃燒也會更加的充分,提升發動機的效率。

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長安汽車藍鯨發動機技術宣傳

雖然高壓噴射系統也有着不可避免的缺點,例如噴射噪音更大、對發動機的負載更大,但瑕不掩瑜,在效率的提升面前,這點影響微不足道。

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發動機“呼吸”更順暢

甚至按需“呼吸”

可變氣門正時(VVT)/升程(VVL)

大家都知道,發動機的進排氣需要氣門的開閉來進行控制。這裏有兩個名詞:氣門正時和氣門升程。

簡單的説,氣門正時影響氣門開閉的時機,而氣門升程可以理解為氣門開閉的大小。

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在過去的很長一段時間裏,發動機的氣門正時、氣門升程是固定不可變的。這就造成了該升程不可能使發動機在高速區和低速區都得到良好響應,其結果是發動機既得不到最佳的高速效率,也得不到最佳的低速扭矩,但得到了全工況下最平衡的性能。

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可變氣門正時系統通過在凸輪軸的傳動端加裝一套機構,從而實現凸輪軸在一定範圍內的角度調節。

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也就是説,有了這樣一套機構,發動機的氣門的開啓和關閉時刻都可以進行調整。這樣使得發動機的高低轉速下都能獲得理想的進、排氣效率,這就是可變氣門正時技術開發的初衷。

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本田vtec系統就是VVL的典型例子

可變氣門升程的採用,使發動機在高速區和低速區都能得到滿足需求的氣門升程。從而改善發動機高速功率和低速扭矩。

米勒循環

對於市面上絕大多數發動機來説,採用的都是奧拓循環,奧拓循環的特徵就是壓縮比等於膨脹比。

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而作為可變氣門正時/升程的進階技術,米勒循環是將進氣門的關閉時間延遲到壓縮衝程的某個位置,這樣在關閉進氣門之前活塞已經離開下止點了,從而減少了部分負荷下發動機的泵氣損失。解決了採用節氣門負荷控制的奧拓循環時,發動機泵氣損失大、經濟性差等一系列問題。

當發動機的膨脹比大於壓縮比,在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能,達到提升發動機熱效率,降低燃油消耗,降低污染物排放等作用。

可變氣缸技術

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通用LSY發動機技術宣傳

作為可變氣門升程的進階技術,通過切換使用不同大小的凸輪,從而改變氣門的升程實現變缸,當完全關閉兩個缸的氣門,兩個的進氣門和排氣門的升程同時為零時,這兩個缸就停止了做功,最終減少噴油量。所以當一款四缸發動機切換到兩缸超經濟模式時,燃油經濟性可以提升至15%。

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當然,發動機可變氣缸技術一開始是用於多缸數發動機,當發動機處於高速低負載、穩態工況時,可變氣缸技術的效果更明顯。而在城市擁堵以及加速頻繁的路況下,這一技術是無法施展作用的。

更早進入狀態

再減少點阻力

缸蓋集成排氣歧管

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缸蓋集成排氣歧管

對於一般的發動機而言,排氣歧管是與缸蓋分開的。當排氣歧管被集成在缸蓋內之後,第一可以利用廢氣的高温使發動機快速暖機,集成在缸蓋內的排氣歧管,可以使流經缸蓋水路內的冷卻液更快速的升温,達到工作温度,幫助發動機更快暖機,從而儘快達到發動機理想工況,提升發動機效率;而在發動機高負荷時,冷卻液也可以對車輛的排氣起到降温的作用。當排氣温度降低之後,尾氣中的污染物含量會明顯降低,這有助於發動機滿足更嚴苛的環保法規。

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當然一些廠家的高性能渦輪增壓發動機,為了避免發動機系統的熱量累積過多,只在低功率發動機上使用缸蓋集成排氣歧管技術,高功率則使用傳統的缸蓋。

可變排量機油泵

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東風風神C15TDR發動機技術宣傳

可變排量機油泵,能夠根據發動機潤滑和冷卻需求調整泵油量,主動控制使機油流和壓力滿足發動機需求,從而消除過量機油流從而降低發動機曲軸上的負載,避免機油泵浪費過多的能量,以達到節省燃油的目的。與傳統的定量機油泵相比,可變排量機油泵一般能夠降低1%-2%左右的油耗。

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發動機缸孔塗層

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福特EcoBoost發動機技術宣傳

在新型發動機中,鋁合金的發動機缸體早已取代鑄鐵缸體。然而鋁合金缸體的耐磨損性能較差,造成發動機在工作過程中,氣缸壁面容易磨損。另一方面,鑄鐵和鋁的熱容性特徵是不同的,這也直接影響了鋁質發動機缸體的耐用性。而為了提升鋁質發動機缸體的耐用性,發動機缸孔塗層技術也應運而生。

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發動機缸孔塗層的原理是利用熱噴塗技術在鋁製發動機氣缸內壁噴塗一層耐磨塗層,經過缸孔塗層處理後,塗層表面的平滑程度可以降低至25%,並能夠加強缸孔表面的強度,提高熱傳導能力,最終減少損耗達到降低油耗和排放的目的。

發動機熱效率?

有何作用?

以上這些技術説白了,最終的目的是提升發動機的熱效率。

熱效率的定義為實際轉化成驅動力的能量(機械能),和消耗燃料的當量熱量總和的比值,也就是説,燃燒等量的燃料,產生越多驅動力,熱效率就越高,這也是衡量發動機技術水平的一個重要數據。

同等排量下這個比值越高發動機動力越高,同時油耗、排放更低。目前大多數的發動機上,只有一半都不到的燃料能被真正地轉化為機械能被加以利用,普遍最高熱效率為30%-40%左右,而目前能夠量產的汽油機最高熱效率能達到43%。

值得注意的是,發動機的熱效率並不是一成不變的,它是隨着發動機工況而不斷改變的。最高熱效率只是一個點,決定實際熱效率的,是熱效率分佈,並通過傳動系統匹配來共同決定。

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如果高燃效區間足夠寬廣,並且能夠大範圍地覆蓋日常使用工況,那麼這款發動機的實際省油的能力就越強,反之,如果高燃效區間達成條件苛刻,那這款發動機的實際油耗可能並不理想。

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比亞迪發動機技術宣傳

所以在發動機排量相近的發動機進行比較時,廠家標稱的發動機最大功率、最大扭矩以及熱效率越高;最大扭矩轉速越低,轉速區間越寬泛,往往意味着這款發動機的相對“能力”更強,技術水平相對更高。但並不意味着這款發動機的整體表現就更好,因為這些參數往往是一個最高點,還要結合發動機的特性曲線圖來具體分析。

用上了新技術

可靠嗎?

其實得益於計算機仿真模擬的強大,以及計算機算力的提升,基於模型開發優勢是可以在算法開發階段就可以驗證算法是否合理,而不必要等到嵌入式台架或者實車驗證,節省了大量的時間,使得汽車的研發效率大大的提升。你也可以簡單的理解為,現在的汽車設計離不開計算機仿真應用的強大。

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發動機運轉模擬

而且內燃機發展到今天,經驗已經積累了很多,無論是整車研發還是動力系統的研發,從設計到生產到試驗,每一步都有跡可循,每一個階段工程師都會盡全力去確保發動機的可靠性和耐久性。

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所以從目前來説,這些面向市場的發動機已經很難出現結構性的缺陷了,行業整體發動機故障率的降低,也使得車企對車主提供的質保里程以及年限變得越來越長,甚至有一些自主品牌推出了動力總成終身質保的政策,這也是自信的體現。

當然本期的這10項發動機技術更多在提升效率的層面,而還有很多發動機的技術是為了輕量化、小型化以及提升耐用性的設計,本篇文章也就不一一列舉了,而接下來我還會酌情更新其他方向的發動機技術給大家的,歡迎討論~

-End-

圖文編輯:曾凡

各位好呀,我是曾凡,一名狂熱的汽車愛好者,難以抗拒大排量發動機的魅力,你呢?歡迎討論~

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