从汽车诞生之日起,更大的输出功率、更快的加速时间慢慢的变成了衡量汽车性能最重要的标准。为了更强的动力,一代又一代的工程师付出了辛勤的努力,为我们留下一款又一款经典的汽车发动机。那么工程师们是按照什么思路去压榨发动机动力的呢?这篇文章带你简单了解一下。
这是发动机输出功率的计算公式,其中P代表发动机输出功率,T代表输出扭矩(或者力矩),N代表转数,9550是一个常数。我们大家可以看出,发动机输出功率是与扭矩、转数成正比关系的。因此,简单来说工程师想要榨取更大的动力,要么提高发动机转速,要么增大输出扭矩,要么两者都提升。我们纵观汽车发展历史,可以找到上述三种方案非常典型的实践。
以本田K20A、B16B为代表的自然吸气发动机都采用了提高转速的方案榨取动力。其中排量为2.0L的K20A发动机能在8000rpm的时候爆发225马力,排量为1.6L的B16B发动机能在8200rpm的时候爆发185马力的输出功率,即便放在今天来看性能依旧不俗。
然而这种方案却有着比较致命的缺陷:高转的功率输出取向导致发动机在低转速时输出功率非常弱,非常不适合日常街道驾驶;发动机在高转工作时发出的震动非常大,要抑制震动又需要额外增加配重,但即便是这样震动还是很大;高转的输出取向导致发动机零件磨损增大,另外还非常影响燃油经济性。
因此这种方案在民用车市场一直处于“非主流”的地位,即便是“技术宅”的本田也不得不在排放日趋严格的政策环境下放弃了这种方案。
但是这种方案并没有完全销声匿迹,相反,由于使用体积很小的小排量就能获得不俗的动力表现,因此在摩托车上成为了唯一方案。比如,大名鼎鼎的雅马哈YZF-R1摩托车,搭载了一台998cc(0.998L)的高转发动机,能在12500rpm时爆发182马力。
而且在规则限制下的赛车领域,高转发动机方案一直在创造着神线赛场,发动机排量上限被定在了1.6L,但是通过高转方案,F1赛车的最高转速可以达到19000rpm(规则限制在了15000rpm),输出功率可以超过恐怖的1000马力。
最早的增压技术主要应用在飞机上,1977年瑞典萨博(SAAB)公司将增压技术广泛运用于民用汽车领域,特别是效果更好的涡轮增压技术拉开了汽车发动机增压化的技术潮流。
随着欧盟颁布一系列愈趋严格的排放法规,以大众、奥迪等欧洲汽车制造商都走向了缩小发动机排量的道路。但是缩小排量势必会导致发动机进气效率下降,从而引起动力不足,因此给小排量发动机挂上一个涡轮,通过加压的方式提高小排量发动机的进气效率,从而增大输出扭矩似乎就是一完美的解决方案。
并且增压技术带来好处远不止这些,汽车厂商只需要研发少数几种排量的发动机,再打上不同的进气压力,就能覆盖全部产品线,这大大降低了研发和生产成本。
最为中国车迷熟知的增压发动机莫过于搭载在诸多大众车型上的EA系列发动机,其中搭载在奥迪S3上的EA888 2.0L涡轮增压发动机最大功率被标定到了290马力,并且在5400rpm时就能爆发,4.9秒就能实现0-100km/h加速。同时它还有着非常大的改装潜力,通过重写ECU程序可使输出功率得到大幅提升。
另外,三菱公司也是很早涉足增压技术领域的汽车厂商之一,其推出的Lancer Evolution(简称EVO)被无数车迷誉为一代神车。而让EVO享誉世界的一定是归功于它的那台4G-63发动机,原厂2.0L升涡轮增压发动机输出功率就达到了295马力,更凭借它深不可测的潜力被诸多发烧友改装到超过1000马力。
但是,涡轮增压技术最让人诟病的莫过于涡轮迟滞和可靠性问题。由于加压导致新鲜的空气产生高温,需要通过复杂的冷却系统才能进入气缸,造成了从节气门打开到发动机做功之间形成了较大的时间差(Turbo lag),非常影响驾驶体验。另外,涡轮增压发动机比自然吸气发动机安装了更多的零部件,这意味着潜在的故障点增多,同时涡轮运转时的高温、进气的高压对发动机散热、硬件在苛刻环境下的强度和耐久度提出了更高的要求,随着使用年限的增加发生故障的不确定性也随之增加。
扩大发动机排量一直以来是提升发动机输出功率最简单粗暴的方法。在不改变原本输出特性的基础上,通过增加气缸的容积从而提升发动机进气效率,使发动机无论在低转速还是高转速区间都有不错的扭矩输出,并且在高转速区间实现最大功率。
诸如通用、福特、克莱斯勒等美国厂商以及以北美为主要市场的日本厂商一直是大排量自然吸气发动机的忠实拥趸。在北美,各种搭载着动辄5.0L、6.0L的大排量V8发动机的经典车型也一直为车迷津津乐道,比较典型如搭载在福特Mustang上的5.0LV8发动机,能在6500rpm的时候爆发422马力,浑厚狂躁的排气声浪让人欲罢不能。即便是雅阁、凯美瑞这种家用“买菜车”也有搭载3.5L的V6发动机,与欧洲小排量增压的帕萨特、英速亚形成了鲜明的对比。
不过,大排量也不是美、日厂商的专利。在欧洲,法拉利同样也是排量自然吸气发动机的拥趸,要知道恩佐·法拉利老爷子可是说过“涡轮增压是给弱者准备的”这种话。与粗狂的美式大排量发动机不同,法拉利喜欢把转速设计得更高。比如,法拉利F12 Berlinetta搭载的6.3LV12发动机能够输出最大740马力,最大功率点被设计在了8000rpm。
然而,大排量自然吸气发动机的缺点也是显而易见的,硕大的发动机体积侵蚀了大量的空间,而扩大气缸体积也不像给涡轮加压那样省时又省钱。如今在欧洲和中国,扩大排量的方案似乎逐渐要被涡轮增压所取代了。
最后,我们能够准确的看出,无论是高转方案、增压方案还是大排量方案其实都只是获取更大动力的手段,在各自擅长的领域都发挥了重要的作用,没有谁比谁高端、先进一说。不过,你更青睐哪种方案呢?