為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

節油減排技術進步很多汽車愛好者對於大排量自然吸氣發動機(normally aspirated-簡稱NA)還有情懷,認為高級的汽車都應該使用這種發動機;似乎只有排量足夠大動力才會足夠強,油耗足夠高才能説明汽車級別高……然而這樣的觀點已經落伍了,可以説對內燃機的技術特點、混合動力以及電驅技術稍微有些瞭解的話,面對NA都會嗤之以鼻。

下面先從節油減排與發動機排量的關係進行解析,之後再分析電機與車輛性能的關係。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

發動機是否排量越大性能就越強呢?

如果單純討論NA,或單純討論Turbo,答案當然是排量越大性能越強;但是這兩種進氣技術都是內燃機的常見技術,所以同級車只要有使用相同發動機的選項就可以橫向對比,有趣的是主流代步汽車和性能車都以渦輪增壓發動機為主,只是自然吸氣還在湊着熱鬧。

參考對比:

Audi R8·5.2L-V10,456kw/570N·m法拉利 F8·3.9T-V8,530kw/770N·m這兩輛跑車應當是全球知名車型了,性能哪個更強呢?毫無疑問是排量更小的F8動力更強勁,百公里加速只需要2.9秒,R8還在3秒開外;這就説明了排量越大不見得性能越強,NA技術的大排量發動機基本只是油耗更高而已,那麼究竟是什麼因素實現小排量發動機能實現更強動力的呢?參考下圖。

圖1:渦輪增壓的結果

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圖2:富氧燃燒的概念

「NA+Turbo」等於渦輪增壓發動機,增壓機其實不是一種單獨類型的內燃機,概念只是在自然吸氣發動機的基礎上增加“渦輪增壓器”;增壓器的本質是空氣壓縮機,其動力來自NA運行中必然產生的排氣,排氣壓力是非常大的。不過NA是直接浪費了這個動力,增壓機則是利用排氣壓力來驅動壓氣機的渦輪以每分鐘數萬到數十萬轉的超高轉速運行;在進氣管道中高轉的渦輪會形成一股很強的吸氣壓力,發動機以不夠高的轉速即可讓增壓器達到高轉、高轉的增壓器以強勁的吸力即可吸入與排量等量的空氣並進行壓縮。

這是個提升性能的基礎,自然吸氣發動機只有活塞往復運行這一道吸力(渦輪增壓機也有),這道吸力只有轉速越高才能越大;所以即便是R8這種車也得到六千多轉才能達到最大扭矩——最大扭矩依靠與排量等量的進氣量和噴油量燃燒實現,也就是説6500轉之前的R8,它的動力都沒有達到5.2L的排量標準,動力差則是必然的結果嘍。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

重點:富氧燃燒是提升內燃機動力的基礎,燃油汽車即便在熱車狀態也達不到「充分燃燒」的程度,因為燃燒反應需要充分的時間,內燃機做功時間太短則無法燃燒充分。NA的燃燒充分性其實是非常差的,看似排量很大且噴油量很大,但大部分燃油都被浪費掉了;想要提高性能或降低油耗,方式無非是讓燃油的燃燒充分性提高,如何提高了?方式就是“壓縮空氣”,因為空氣被壓縮後會增加“體積相同”的空氣中的氧分子數量。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

燃油的燃燒是氧化還原反應,氧濃度越高(富氧)則反應的速度越快;也就是説只要通過渦輪增壓技術提高進氣量就能達到與排量標準的燃燒做功,進一步提高氧濃度則可以讓標準的燃油反應出更多的熱能——量化的概念是「扭矩」,扭矩×轉速÷9549×1.36=馬力;扭矩越大馬力(動力越強),反之在需要的馬力相同時,扭矩越大運行轉速越低,轉速越低油耗則越低,説白了渦輪增壓技術就是為提升扭矩、提升扭矩的目的就是為提升性能,對於普通代步汽車而言(涵蓋所謂的豪華品牌汽車)則為了降低油耗。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

第一節説明了大排量發動機的淘汰是必然的結果,只有原始的內燃機技術才會依靠排量來提升動力,先進的技術一定是依靠氧氣與燃燒效率來提升動力;不過舉例的這兩輛車有些不接地氣的感覺,下面再來看三台比較有代表性的代步車發動機吧。

2.5L-NA 135kw/240N·m(最大扭矩4000rpm)1.5T 136kw/288N·m(1500~3800rpm)2.0T 185kw/390N·m(1750~4000rpm)這三台發動機都應用於10-20萬區間的代步汽車上,哪輛車的加速感平順或不平順呢?

一般觀點是認為2.5L加速平順,因為最大扭矩只有在4000轉這一瞬間才能達到峯值,假設800轉起步則800-3999rpm的扭矩都在線性的升高,轉速也在線性的升高所以平順;這樣的觀點是沒有錯的,但也這是瞭解些皮毛才會這麼認為。且不論其代步轉速區間因扭矩小而造成的動力極差的問題,以及想要體驗很一般的動力就會很費油的問題(用於緊湊級車破百12-14秒),它能實現的平順剩下兩台發動機同樣能實現——原因很簡單,因為轉速的升高是線性的。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

決定加速是否平順的核心因素不是扭矩,而是「馬力曲線」(功率)。

扭矩和轉速是相乘的關係,那麼只要轉速的上升是線性的,馬力的曲線當然也是線性的;以第一台1.5T發動機為例,其渦輪增壓器的介入(開始運行)轉速為1000轉,在1000-1500轉區間為增壓壓力的線性提升、也就是扭矩的線性提升——在這個範圍內特點與自然吸氣發動機相同、但是扭矩還是會因增壓器的相對低效率運行而大幅領先——到發動機轉速1500轉時、渦輪增壓器達到最高轉速,也就是增壓壓力達到最高,在1500-3800rpm區間轉速不變,扭矩也就不變了。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

那麼這台發動機在1000-1500轉之間是線性動力增長,是“扭矩+轉速”的同步增長;而在1500-3800轉的範圍內,是扭矩不變、轉速增長,單純的轉速提升自然會非常平順,這與帶着扭矩波動的自然吸氣發動機要更加平順,所以從來不存在渦輪增壓發動機不平順的説法——絕大多數適應了代步汽車NA動力的司機,會感覺渦輪增壓發動機“頓挫”“衝”等等,原因只是初期沒有適應越級提升的動力、説白了就是適應了動力羸弱的汽車而不瞭解性能車的加速感罷了。

還別不服氣,這還就是事實,而且就是淘汰普通3.0-4.0L-V6或八缸的所謂大排量高性能車的原因;絕大多數3.0L的發動機還不如優秀的1.5T扭矩大,功率高一些但優勢也不突出;2.0T的最高標準可以達到≥205kw/400N·m,4.0L-V8也就是這個標準嘍。那麼相當的動力水平選擇只有油耗高這一個特點的NA,這不是瘋了嗎?所以各大車企都不再用這種發動機,只有些技術落後的老舊車型還在用這種技術門檻低、製造成本低的機型。

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

最後可以再來了解一下電動機,很多使用3.5T-5.0T的超跑車,百公里加速時間還在3-5秒之間;然而電動汽車和插電混動高性能車,以2.0T多引擎系統即可達到相當的水平。比如比亞迪漢DM這輛轎車,作為兩噸重的中大型轎車超過大部分超跑500公斤左右,但是百公里加速可以達到4.6-4.7秒,這是如何做到的呢?

原因正在於後橋裝備了一台「後置後驅」的永磁同步電機,功率達到180kw;這台電機在起步加速瞬間即可爆發最大扭矩,上述1.5-3.9T沒有一台能做到;這是動力電池組在起步瞬間即可往電機輸入最強電流的結果,而電流的速度相當於光速,最大扭矩剎那間即可形成。所以初段加速的爆發力非常強,後半段加速內燃機才開始主要發力,這樣的組合以“優勢互補”的方式、通過內燃機與電機的搭配可以輕鬆實現超跑的性能,有了這種技術還有必要用什麼大排量NA嗎?

為什麼1.5-2.0T會成為黃金排量,大排量發動機的淘汰是因為什麼?

電機恆扭矩、依靠轉速提升車速的直驅模式,這又是任何內燃機都比不了的線性,這就決定了大排量自然吸氣發動機和渦輪增壓發動機都沒有了什麼探索的意義;在後燃油車時代中,內燃機這是作為輔助動力元存在,或者作為增程器來使用,這種落後的發動機已經沒有什麼研發的必要性了,所以很多車企都停止了對內燃機和變速器的研發投入。

在汽車全面轉型電驅之前,性能車只需要混合動力或電動汽車,混動是兼顧高性能和續航里程的選項;一旦充電便利性問題解決,動力電池組的成本進一步下探且密度穩步提升,內燃機被淘汰也只是一瞬間而已。

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