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[发动机] 浅谈汽车发动机的各项性能指标

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

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浅谈汽车发动机的各项性能指标

刘明佳1,李东方1,王红英1,余颂彬1,王瑞平1,2

(1.济南吉利汽车零部件有限公司,山东 济南 250023;2.浙江吉利罗佑发动机有限公司,浙江 宁波 315800)


【中国汽车材料网】摘 要:发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点,并作为评价各类发动机性能优劣的依据。当然,衡量一台发动机质量的好坏,不能单从性能指标方面来考虑,要从动力性、经济性、可靠性、耐久性、结构工艺、操纵维修、成本核算等多方面综合的分析评价。但是,为了能够更好的使用发动机,并为改进发动机质量寻找途径,我们必须首先了解发动机的性能,了解发动机的各项性能指标,了解相关的特性曲线的含义。文章主要通过阐述发动机的相关性能指标,来引导消费者对发动机的性能进行更加全面、科学、准确的评价。
关键词:发动机;性能指标;动力性;经济性;可靠性;耐久性;评价

引言
每当我们提到汽车,我们首先想到的应该是动力总成,提到动力总成,我们首先想到的应当是发动机和变速器,但当我们提到发动机,我们首先想到的是什么,功率?扭矩?活塞数?排量?0-100Km加速度?对的,就是这些,但是我想说,这些仅仅是评价发动机的动力性好坏的一些参数,仅仅依靠这些参数来评价一台发动机,这是不科学的,不全面的,甚至有时候是会把我们引入歧途的。
本文主要通过阐述发动机的性能指标,来引导我们如何全面、准确、科学的评价一台发动机的性能。

1 发动机的性能指标
发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点,并作为评价各类发动机性能优劣的依据。同时发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。

1.1 动力性指标
定义:表征发动机做功能力大小的指标,一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力作为评价发动机动力性好坏的指标。
有效转矩:发动机对外输出的转矩,记作Te,单位为N·m。
有效功率:发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率,记作Pe,单位为Kw。
发动机转速:发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速,记作n,单位为r/min。
平均有效压力:单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力,记作Pme,单位是MPa。平均有效压力越大,发动机的作功能力越强。现在很多发动机都采用了涡轮增压,它的平均有效压力就要高于自然吸气的发动机。[1]
公式为 (1)
式中:Te——有效转矩,N·m
n ——曲轴转速,r/min

1.2 经济性指标
发动机经济性指标是指发动机的经济性要求,它包括有效热效率和有效燃油消耗率等。
有效热效率:燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率,记作Ƞe。
有效燃油消耗率:发动机每输出1kW的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率,记作be,单位是g/(kW·h)。[2]
公式为 (2)
式中:B ——每小时燃油消耗量,kg/h
Pe——有效功率,kW

1.3 强化指标
强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标,一般包括升功率和强化系数等。
升功率:发动机在标定工况下,单位发动机排量输出的有效功率称为升功率,记作N1,单位为Kw/L。升功率大,表明每升气缸工作容积发出的有效功率大,发动机的热负荷和机械负荷都高。[3]
公式为 (3)
式中:Pme——平均有效压力,MPa
N——曲轴转速,r/min
强化系数:平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。

1.4 紧凑性指标
紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标,通常用比容积和比质量衡量。
比容积:发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积。
比质量:发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量。(发动机干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。)[4]
显然,发动机的比容积和比质量越小,发动机结构越紧凑。

1.5 可靠性指标
评价可靠性的指标有首发故障行驶里程、平均故障间隔里程、主要零件的损坏率等。

1.6 耐久性指标
耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间。[5]通常用发动机的大修里程,即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。现在绝大多数的发动机的大修里程都在二十万公里以上,对于普通的家用轿车来说,终身不用大修是可以实现的。

2 评价发动机的误区
上文列举的发动机的8个性能指标大家应该都了解了,只有从这8个维度去评价衡量一台发动机的性能才是比较全面的,然而大家关注最多的却只有动力性能这一个方面,并且存在着很多认知上的误区,下面由我来进行阐述。

2.1 发动机扭矩越大,提速越快、动力越强,是真的吗?
每当我们去4S店买车,我们经常会碰到下面的场景,销售人员总是会说“我们这款车的发动机扭矩很高,提速特别快,动力超强,你再看竞品车型A的扭矩,低这么多,开起来一定很肉,没劲,超车都费劲。”真的像销售员所说的那样吗?——显然不是。
发动机的动力性能有两个指标:扭矩、功率。扭矩意味着发动机从曲轴端输出的力矩;功率意味着发动机单位时间做工的快慢。[6]它们两者之间的关系是功率=扭矩×转速。那么到底哪一个指标更能说明发动机的动力性能呢?
在这里我们引入工况图与实际的加速成绩进行对比分析。


图1 大众途观18T发动机工况图



图1为大众途观EA888 1.8T发动机工况图,图2为末代2.4L自吸本田CRV的工况图。大众途观的最大功率:118kW;最大扭矩为250N·m;自吸本田CRV的最大功率:140kW;最大扭矩为222N·m。

图2 本田CRV 2.4L工况图


为何选择这两款车型进行对比?那是因为这两者是同时代车型、同级别车型、同样都是城市SUV,但一个是扭矩优先,一个是功率优先。
大众官方宣称1.8L EA888涡轮增压机型可以获得优于2.5L自然吸气发动机的动力水平且排放更低。也有很多车评人在评车的时候会说类似的话:“这台途观搭载的是一台1.8L的涡轮增压发动机,在1500r/min就可达到最大扭矩250N·m,有效降低了涡轮迟滞,并且这种强劲的扭矩输出将一直持续到4500r/min,这种爽快加速感,是自然吸气所给不了的。”
真的是这样的吗?我们来分析一下。
首先很多车评人说这台途观从1500—— 4500r/min一直维持250N·m的最大扭矩输出,这个结论是从工况图上得来的。但他们真的看明白工况图了吗?工况图的数据是车子在怠速状态下,将油门踩到底,直至发动机达到红区转速这个过程当中,输出扭矩与功率的变化曲线。我们平常在开车的过程当中,几乎用不到最大扭矩值,因为我们油门踩到底的机会实在太少了。所以许多车评人的这种说法是错误的。

2.2 扭矩跟加速性能到底有没有关系
扭矩跟加速性能有关系,但这里的扭矩指的不是发动机的输出扭矩,而是车轮上的输出扭矩。发动机的输出扭矩要经过变速箱再传递给车轮,变速箱一个很大的作用就是变速变扭。轮上扭矩的大小不仅跟发动机的输出扭矩有关,还与变速箱的传动效率、传动比、匹配的程度有很大的关系。所以,发动机的扭矩越大,车子提速越快,这种观点是错误的。例如重型卡车,扭矩特大,提速却非常慢。
发动机的最大扭矩平时开车用得到吗?先明确的给出答案——几乎用不到。这是为什么呢?
现在我们来看一下汽车行驶的工作流程:驾驶员踩下油门——ECU接收油门深度数据得知所需动力请求的大小——ECU根据程序设定计算出发动机所需实际输出的有效功率——ECU根据所需的有效功率值控制变速箱档位(传动比)、节气门开度(进气量)、喷油压力(喷油量)等。
以途观1.8T为例,如图1,当我们需要动力想加速的时候踩下油门,首先自动变速箱会先降档选择大的传动比,接着转速会一直攀升,但这台途观1.8T从4500r/min开始,扭矩就开始衰减,转速继续升高,由于功率=转速×扭矩,可知,4500r/min之后扭矩减小,转速继续升高,这时功率达到最大进入恒功区。由此可见,在我们最需要扭矩的高转速区域,发动机的扭矩反而在不断衰退,且衰退的速度非常快。
通过上面这个例子我们不难看出,发动机的最大扭矩只能反映出发动机的发力特性,涡轮增压发动机的特性就是涡轮介入提速的前段很猛,后段动力就开始不断衰减。
接下来分析一下本田CRV的工况图。这台2.4排量的自然吸气发动机在4400r/min时才达到最大扭矩222N·m,在4400r/min之前,扭矩攀升的速度较途观1.8T缓慢一些,这就意味着CRV的前段发力较为柔和,爆发力不如途观强。但在4400r/min之后,扭矩衰退的速度比途观慢很多,转速一直可以被拉到7000r/min达到最大功率140kW,反观途观1.8T,最大功率从6000r/min也开始衰退。这里有一个值得注意的小细节,CRV的扭矩特性曲线在2400——3000r/min之间时有一段小的恒扭区,3000——4400r/min这个阶段,扭矩突然又接着往上增长。之所以会有这个变化是因为在3000r/min的时候VTEC被激活并且介入,低速凸轮停止工作,高速凸轮介入继续工作,扭矩再次被释放。这就是本田的i-VTEC技术。
讲到这里大家一定会好奇,这两辆车到底哪个提速更快?下面就来看一看38号车评中心的实测数据,如图3所示。

图3 38号车评中心的实测数据


综合上面的所有分析,我们不难发现,发动机最高扭矩大并不意味着加速性能一定好,而功率这个参数才更能反映一台发动机的动力水平。下面通过一个例子来更生动的说明扭矩、转速、功率之间的关系。
举个例子:一个人拿铲子挖土,铲子的大小就是扭矩,挖土的速度就是车子的转速,而功率就是单位时间这个人的挖土量。铲子小没关系,提高挖土的速度,相同时间内的挖土量差别就不会很大。
下面我们再挑选两款车型来验证上面得到的结论:大众第三代EA888发动机和本田1.5T L15BL发动机进行对比。
这两款车型分别是:大众迈腾330TSI 1.8T(搭载最新的第三代EA888引擎)和全新本田CRV(搭载 1.5T L15BL引擎)。
如表1所示,大众迈腾330TSI 1.8T搭载最新的第三代EA888引擎,最大功率:132kW;最大扭矩:300N·m;最大扭矩转速:1450——4100r/min;全新本田CRV 1.5T L15BL引擎,最大功率:142kW;最大扭矩:243N·m;最大扭矩转速:2000——5000r/min。
表1 大众第三代EA888 VS本田1.5T L15BL发动机参数对比


为什么选这两款车进行对比?因为这两款车的重量相同,CRV比迈腾略重100Kg,价位也相同,并且同样一个是扭矩优先,一个是功率优先。
通过对两款机型数据的观察,我们不难发现,大众的EA888在1450r/min就进入恒扭区,而本田的L15BL在2000r/min才进入恒扭区,从这里可以看出,初端爆发力依旧是EA888的优势。但大众的EA888在4100r/min扭矩就开始衰退,4300r/min进入恒功区达到最大功率132kW。反观本田的L15BL,虽然最高扭矩来的晚,但更持久,直到5000r/min扭矩才开始衰减,并且在5600r/min达到最大功率142kW。由此可以看出,本田的1.5T车型后段发力猛且更持久,并且得益于本田的CVT变速箱,可以遵循发动机线特性输出,当一脚地板油踩到底时,CVT变速箱可以实现在最大功率点5600r/min的持续变速变矩,使车子一直处在一个动力最强的状态。
现在我们再来看一下38号车评中心对这两款车的评测对比。

图4 大众迈腾0-100Km/h加速时间



图5 全新本田15T0-100Km/h加速时间


从图4、图5的测试结果来看,本田这台1.5T L15B系列发动机真的很强劲,无论是装载在思域、雅阁、CRV,甚至冠道上,都有着不错的表现。也印证了我们上面的观点,发动机最大扭矩只能代表发动机的出力特性,而最大功率才更能反映一台发动机的动力水平。
为什么涡轮增压发动动机的最大扭矩到高转速区就必须衰减呢?
因为涡轮增压系统,压值越大,产生的热量就越大,为了燃油经济性、保护发动机,以及不给冷却系统造成过大负担,通常在涡轮起压达到正压值之后,旁通阀便会打开,到达高转速区间时,旁通阀开度更大,使涡轮不给发动机提供较大压值。

3 自然吸气发动机和涡轮增压发动机的优缺点
自然吸气发动机与涡轮增压发动机究竟孰优孰劣的争论一直未停止,在现今市场上基本分成了两大派,但我认为其实他们各有优缺点,不一而足,自然吸气发动机的优点是涡轮增压发动机所没有的,涡轮增压的优点也是开自然吸气车子的人无法感受到的。我们完全没有必要将其定性的分为两大流派,甚至是成为剑拔弩张的两大对立阵营,我们要做的应该是以一种更加开放的态度去看待这两种技术,只有真正适合自己的,并且从自身需要出发的,且不盲目跟风的才是最好的。下面我们从前文提到的八个维度去评价一下自然吸气发动机和增压发动机。

3.1 动力性指标方面
说起动力性指标方面,那肯定是涡轮发动机加速表现更好。市场上的小排量涡轮增压发动机,利用空气压缩驱动涡轮来增加发动机进气量,来达到增加输出功率的目的,其优势特别体现在动力性方面。[7]
这是因为涡轮增压发动机有着自吸发动机所没有的更大的肺活量,我们知道肺活量大的人运动起来当然更有劲。现在,涡轮增压发动机动力一般和其排量1.3~1.5倍左右的自然吸气发动机的水平差不多。但这只是总体平均表现,实际表现是,涡轮发动机特别是在3000r/min后转速区间内的“后劲”会比自然吸气发动机强,部分出色的涡轮增压发动机更能提供令人兴奋的“高潮”。相对来说,自然吸气发动机的后劲即使有,来得也是温柔至极,没那么刺激的感觉。
但涡轮增压在这一方面也有缺点:那就是反应较滞后。虽然涡轮增压能够提升发动机的动力水平,但缺点也有不少,其中最明显的两项就是噪音大以及动力输出反应滞后。那是因为涡轮由于转子的惯性作用,叶轮对油门的骤时变化反应比较迟缓。从驾驶时踩油门提速的需求提出,到叶轮高速转动将更多空气压进发动机之间,存在一个时间差,而且这个时间在一些涡轮增压发动机上时间还不短。一般经过改良的涡轮也要至少1-2秒左右来增加或者减少进气的压力。[8]如果你要突然加速的话,瞬间会有提不上速度的感觉。

3.2 经济性指标
不少汽车厂商在宣传涡轮增压发动机时都提到了经济省油这个优势,但涡轮增压发动机到底是否省油这个问题相信确实令不少消费者都觉得困惑。
从大多数使用者的反馈来看,涡轮增压发动机谈不上特别费油,但是好像也谈不上特别省油,据笼统统计,大多数使用者反映一般会比同排量自然吸气发动机油耗稍微高出一些,但这同性能指标相对应的更大排量自然吸气发动机相比,油耗还是让人感觉放心多了。
通过对一些涡轮增压使用者的的了解,一般1.8T涡轮增压发动机油耗相当于普通自然吸气发动机2.0-2.4L排量的发动机。这也很正常,本来涡轮增压这一技术仅仅是在相同的汽缸体积内增加更多充气压力,以获得更好的功率和扭矩表现的。空气压力加大,汽油燃烧更为剧烈,汽油消耗也不会太小。所以依靠涡轮增压来达到省油的目的看来是不太现实的。不过如果是市区内行驶的话,在堵车严重或者红绿灯比较多的情形下,涡轮增压车型还是能够依靠较小的排量实现节油目的。这个道理很简单,自然吸气发动机的油耗是很稳定的,而涡轮增压发动机的油耗,是和它的工作状态,发动机与车辆自重的匹配,实际使用时的道路情况,驾驶环境以及驾驶方式等息息相关,涡轮增压系统工作得多,油耗就高,反之油耗就会小一些。[9]


3.3 强化指标方面
说到强化指标这一方面,我们明显的知道,涡轮增压发动机在涡轮介入工作时,各气缸会得到更大的充气量,这样,使得发动机进气效率更高,发动机做功速率得到很大提升,可以得到更大的扭矩及功率。[10]
同时,涡轮增压发动机在工作时,缸体的温度及燃烧反应更加恶劣,温度更高,燃烧更加剧烈,这样发动机的热效率得到显著的提升。所以,从强化指标这一方面来说,增压发动机还是有很明显的优势的。

3.4 紧凑性指标
谈到紧凑性指标这一方面,其实,增压发动机和自然吸气发动机各有各的优势,因为增压发动机要达到要求的功率及扭矩可以是更小的排量的发动机,这样,它同大排量自然吸气发动机相比,可以得到更小的体积,但同时,由于增压发动机的增压器、废弃涡轮增压器等结构的设置,使得其的体积可能会有所增加,但是,在现在涡轮增压技术的飞速发展之下,涡轮增压系统的体积越来越被精简以及优化,从紧凑性指标上来说,涡轮增压发动机和自然吸气发动机相比,差了一点,但是,会被技术所弥补的。

3.5 可靠性指标
一谈到可靠性指标,那么不得不提自然吸气发动机最大的优点:技术成熟,稳定性较高。
涡轮增压发动机有着涡轮迟滞这类型动力系统的硬伤。而自然吸气的发动机比较容易做得完善,又因油品要求低、结构简单、维护简单、扭矩分布均匀、提速线性、工作温度低等特性,在平顺性、耐久性、稳定性、安全性上比涡轮增压发动机来得更有优势。[11]
但这只是一个方面,汽车工业有着汽车工业的追求,大家希望让发动机有更大马力,更省油,更有驾驶乐趣,所以这才有了不断改进的自然吸气发动机,以及涡轮增压技术的出现和应用。再说任何技术都是从无到有,不断发展,不断完善的,如果我们只着眼于技术可靠,那么我们的产品都不需要更新换代了。

3.6 耐久性指标
由于涡轮工作时会给发动机带来更高的燃烧温度、更大的燃烧压力,所以理论上说它的寿命不如自然吸气发动机来得长久。
涡轮发动机在使用时要做到“延时熄火”,这是因为涡轮增压器在正常工作状态下能获得充分冷却,不会有问题,但是停车熄火断电后,冷却系统就不能对涡轮增压系统继续进行冷却,而此时涡轮叶片仍然会因为惯性而高速转动,轴承就容易高温受损。这种损坏可能是瞬间的,也可能是微小的,但会日积月累缩短涡轮的工作寿命。针对这个问题,日常驾驶涡轮增压的车,最好每次停车后做到延迟几分熄火,以便于让处于高温状态的涡轮叶片轴承获得冷却和润滑,以达到延长轴承寿命目的。这是涡轮跟自然吸气发动机最大、也差不多是唯一的使用方式上的区别。过去不少拥有涡轮车的车主会自己加装一个延时熄火装置(称为TurboTimer),而大众TSI涡轮发动机现在原厂已配有自动延迟冷却系统,用户已完全不用管延迟熄火的问题,相信这一技术在涡轮发动机中也会日渐普及。[12]
涡轮增压和自然吸气两种发动机技术,两者之间追求的东西本来就不一样,前者要的就是低排高效,而后者则注重稳定平顺,这样直接也形成了两者间技术上的差异。[13]
总而言之,无论是自然吸气还是涡轮增压,都是科技进步发展的优秀产物,存在就有其自身不可磨灭的功勋,至于如何选择,可以根据自己平时的驾驶习惯选择,适合自己的才是最好的。

4 结语
(1)本文介绍了如何客观全面的评价一台发动机,需从发动机的性能指标着手,从动力性、经济性、紧凑性、耐久性、技术可靠性等方面全面进行评价,不能只着眼于片面而忽略整体;
(2)本文从第三者旁观的角度,阐述了顾客买车时的相关误区,以及4S店的一些错误观点,并收集资料进行论证,引导客户正确的购买汽车;
(3)本文从发动机的性能指标入手,粗略评价了增压发动机与自然吸气发动机的优缺点,并提出涡轮增压发动机与自然吸气发动机各有长处,应正常看待这两类发动机,取长补短,共同发展。

参考文献
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