想最大限度榨取引擎馬力?熱效率與熱循環必須重視

在《引擎管理》這個系列中,我們會針對國內玩家常遇到的一些問題和盲區進行講解,旨在讓大家瞭解ECU程序是如何控制引擎工作的,以及在改變了引擎的硬件後應該對ECU程序進行什麼樣的修改。

學好知識,科學改裝是保證車輛壽命和獲得改裝樂趣的必由之路。

希望大家能夠更懂車,誰也不想每天住在修理廠。

引擎管理是個非常複雜的問題,無法通過幾篇文章徹底説明白。

所以系列文中的內容比較多,但都不太深入,如果有什麼想表達的觀點,歡迎在文末留言,我們一起討論。

想最大限度榨取引擎馬力?熱效率與熱循環必須重視
Author / 蟹爪朝天

熱循環

在傳統的奧托循環中,每個衝程都是相同的時間和活塞行程。

而在阿特金森循環中,進氣衝程量比做功活塞行程短一些。也就是説缸內氣體的壓縮比小於膨脹比。

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圖中黃色區域為奧托循環,加上橙色區域後即為阿特金森循環。

在1點是奧托循環的下止點,此時缸內的容積最大、壓力最小。活塞移動到上止點(2)時,缸內容積最小、壓力較大。點火後的一小段時間內,缸內容積幾乎沒有增大,但壓力增大了許多,達到(3)。

隨着做工衝程的進行,活塞移動到下止點(4)時,缸內容積最大、壓力較低。在排氣門打開後的一小段時間內,缸內容積幾乎沒有減小,但壓力減小了許多,達到(1)。

黃色區域圍成的面積即為整個循環中所做的功。在阿特金森循環中,更長的做功衝程產生了額外增加的橙色區域。部分原本隨着廢氣排出去的能量被更好的利用了。

阿特金森循環的引擎早在1882年就有了設計雛形,但由於結構過於複雜,直到1997年才首次應用於Prius的1.5L引擎中。

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在這款引擎中,進氣門有較大的遲閉角。在壓縮衝程的前段時間內,部分混合氣從進氣門排出。這就相當於改變了壓縮衝程的活塞行程量,使其小於做功衝程的活塞行程量。

阿特金森循環的缺點是:較小的有效進氣容積、較低的壓縮比導致較差的動力、較低的排氣壓力導致掃氣效果較差。

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由於兩種循環的機械結構幾乎沒有區別,只是正時不同。

所以可以通過可變正時系統讓引擎在較低負載時使用阿特金森循環,而在較大負載時使用奧托循環。如馬自達2.0L Skyactiv-G、豐田2.0L VVT-iW等引擎。

提高熱效率

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提高壓縮比是自吸引擎改裝中的重要環節,駕駛感受表現為:在全域轉速內,扭矩都增大了。引擎的壓縮比越大,整個循環中壓差也就越大,在這個循環中做出的功也就越大。

但在增大壓縮比時,有兩件事及其最重。

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一是,要注意活塞頂和氣門、火花塞之間的距離是否足夠。二是,要嚴格控制爆震。距離是否夠大,通過簡單測量就能判斷出來,但爆震的確定不是那麼容易。

在一些老款爆震計數器上,判斷噪音是否為有害爆震的閾值是需要自己根據經驗設定的。在一些Log記錄儀、ECU編寫器上,這個閾值可以沿用原廠的,也可以自己設定。由於活塞、缸蓋等硬件的改變和其噪音特徵的改變,原廠標定的閾值數據未必適合新組的引擎了。

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是否適合?該如何重新設定閾值?這應該是按主機廠台架試驗的標準流程做,一般玩家和改裝店很難精確判斷。

缸內直噴比歧管噴射更有利於降低缸温,控制爆震,以及提高壓縮比。

在燃料噴射到新氣中之後,一部分燃料會吸熱蒸發。在歧管噴射引擎上,這部分燃料的降温效果主要貢獻給了歧管壁。在缸內直噴引擎上,這部分燃料的降温效果主要貢獻給了活塞頂、缸壁等核心部件。

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導熱損失

分層噴射有一個好處,就是可以噴出混合氣雲。

缸內的新氣、混合氣雲、殘餘廢氣的混合並不均勻。於是在燃燒的過程中,並不參與燃燒併產生熱量的部分氣體會阻礙核心氣體熱量向缸壁的傳導,進而減少熱損失。雖然這種效果並不大,但也還是有一些。

Lambda=1.0

由於排放的原因,原廠車型一般會將Lambda儘量設定在1.0附近。但此時,由於火焰鋒面傳播速度的原因,整機熱效率並不高。如果可以單純考慮熱效率的話,Lambda>1.0會更好一些。

泵氣損失(Pumping Losses)

泵氣損失主要發生在吸氣和排氣衝程。

活塞下行,缸壓降低,吸入新氣。在這個過程中,為了克服氣流的各種阻力和活塞兩側的壓差,這顆活塞是費力的。活塞上行,對抗剛剛燃燒完或正在燃燒過程中的高壓廢氣,廢氣排出。

這兩個過程都會消耗曲軸功率,其損失為泵氣損失。

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對於缸內直噴引擎來説,在節氣門開度大且廢氣再循環比例高且均勻噴油的情況下,進氣歧管壓力就會更高一些。這樣有利於減少活塞兩側的壓差,減少泵氣損失。

摩擦損失(Frictional losses)

摩擦損失主要是指活塞環和缸壁、氣門和油封、曲軸和軸瓦等摩擦副上的損失。

鍛造活塞的熱漲係數比較大,所以在使用了鍛造活塞時,需要將活塞環和缸壁的間隙設計的大一些。除了可以避免高温卡滯之外,還可以減少摩擦損失。

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有些技師也會為了減小這部分摩擦損失,而將活塞環和缸壁的間隙設計的比較大。但這樣會導致活塞環對缸壓的密封性降低,機油消耗率也會變大一些。

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