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高轉速發動機的優缺點有哪些?

2017年11月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 27 ℃ 次

【Raboxer的回答(147票)】:

高轉發動機完全是帶著腳鐐跳舞的產物。

以前很迷戀NA高轉,覺得這才是王道,後來計劃給自己的發動機做藍印,做過一些計算。

如果可以擴大排量,如果可以用更輕的缸體材料,如果可以用增壓進氣,我才不打算讓發動機飆那麼高的轉速。為什麼呢?

評價發動機的動力有兩個指標,一個是扭矩,一個是馬力,設想一台單缸發動機,扭矩直觀地理解就是發動機單次做功沖程能爆發的力,馬力則是發動機在單位時間內能做功的次數(轉速)。

扭矩,90%以上取決於排量,美國人那麼沉迷大排量車不是傻大粗的表現,排量夠大,中高低轉速下扭矩都充沛,俗稱怎麼踩怎麼有,不考慮油耗的話,是最徹底最簡捷的發動機動力解決方案。

高轉發動機一般是場地賽用,是比賽就有規則,規則最重要的就是限制進氣形式(NA)、排量。這下好了,排量被限死,進氣密度也沒法提升,各大車隊只能在單位時間內做功頻次上下功夫了。這就催生出了高轉發動機。

先看缺點:

1、控制難:轉速範圍太廣闊,假定高轉發動機的轉速是從0-10000rpm,為一般街車0-6000rpm的近兩倍,通常powerband在整體轉速區域內的占比就很小了,車手需要精確控制轉速(俗稱的F1車手轉速不下12000轉),對變速箱、車手要求很高,日常駕駛非常不方便。

2、散熱難

3、磨損大:機油和軸承的torlerence一般是搭配著來的,最佳工況一般設定在powerband的溫度和壓力下,曲間以下的表現未必好,因而有些高端的比賽,哪怕不用,車隊也會把發動機一直保溫保存……此外哪怕有再好的潤滑設計,高轉下的磨損還是不可避免的。

4、缸體平衡難:5000rpm時的引擎平衡和15000rpm時的完全是兩個世界。做藍印幾乎要把缸體和所有運動件都精密測量加工一遍,譬如bore alignment,批量生產的民用車發動機,在微觀尺度上,各氣缸之間可能存在不平行,甚至與曲軸也不是精確垂直的,轉速低的時候可能沒什麼,這樣的發動機就可以直接出廠了,高轉下必須要再加工。其他曲軸什麼的就不展開講了

5、低速乏力和缸頭設計:兩個放在一起講,因為缸頭很大程度上決定了充氣效率,很難高低兩頭兼顧,要是照顧低轉放棄高轉,那設計高轉發動機是為毛呢?此外高轉下的氣門、氣門孔、凸輪軸又要做精密測量和加工,氣門彈簧要強化,避免valve floating撞活塞,等等。

6、燃燒不充分:高轉發動機一般採取大缸徑+短行程設計,但缸徑是越大越好嗎?火焰的傳播需要時間,如果缸徑過大,火焰可能就來不及傳播,當轉速過萬,這就是很現實很嚴重的問題了,哪怕精密設計燃燒室,或者用氣缸頭開槽的黑技術,也不能根本性解決。此外更大的缸徑帶來更大的熱損,也是減損效率的事。

(氣缸頭開槽技術)

7、進氣道設計難:高轉油門響應和低速進氣效率不可兼得,使用歧管設計的情況下,因為諧振和共鳴,低速充氣效率有時能過100%,但高轉最好用單缸直吸,低速就完全被放棄了。

8、有限的使用場景:適合連貫、高速的駕駛環境,拉力賽、城市駕駛、低速比賽等等完全不適用。

10、成本高:你看,幾乎所有的部件都要重新加工一遍,這個成本,海了去了。寶馬M,奔馳AMG(號稱純手作,物勒其名),還是法拉利,發動機價格很貴,但離真的藍印還是有一定距離的,轉速越往上走,成本呈指數級上升。

說完了缺點,來看看優點:

1、體積和重量:我覺得這是最大的優點,尤其是對F1這樣極端追求減重和降重心的賽事來說

2、科技感強:那可不是嘛,砸了那麼多錢

3、音效好:樓上提到的高轉天籟。不過這個涉及到美學就見仁見智了,也有人喜歡聽大排啪啪響的

4、容易吹出積碳?:沒仔細研究過這方面,有可能吧。但我覺得關注積碳還是關注燃燒效率才是根本,憑高轉發動機在低速下的燃燒效率,積碳更多還是更少很難說。

5、技術儲備:高轉發動機儲備了很多技術,在不久之後都極大提升了普通發動機的性能,這倒是真的。FIA現在嚴控F1的排量,也有倒逼小排量技術,將來反哺民用的意思。

6、壽命問題,很多人說F20C的壽命很長,其實不是因為高轉壽命長,是因為設計和平衡精良,硬件超過了工況。而一般的發動機,又不是企業招牌,廠商不會下那麼大功夫。F1是基本接近硬件等於工況的,一台發動機,壽命是半個賽季,那就照著半個賽季的工況去設計硬件,多了就是浪費。

高轉發動機技術含量很高,但其實是事倍功半,放著華山纜車不坐,非要從後山爬上去。

你看,我花了那麼多心思,那麼多金錢,終於打造出了一台金燦燦亮閃閃的神級NA高轉,它以區區2.0的排量,有著220nm的扭矩,在轉速12000rpm時能爆發出300匹的動力! 真是太自豪了。

但殘酷的事實是,只花幾分之一的錢,一台2.0T或者3.0NA就能趕上它,假設車體和變速系搭配都合理,在中低速情況下完爆它也不是沒可能。 天馬山、珠海賽道,按馬力分組的賽事裡,這樣的慘事就經常發生……

【Null的回答(11票)】:

說點親身感受

高轉一般出現在自然吸氣上。

就拿目前手上這台Clio Rs來說, 2.0升N/A,8k紅線,最大馬力197匹7250轉,最大扭矩215nm 5500轉。

跟朋友的2.0T機頭(Gti,Opc)比 區別在於

優點:

動力增加線性,不突兀,有些情況如彎中更易操作

工作轉速區間大

高轉馬力下跌不明顯

聲浪更激情

缺點:

低轉扭力太低推背感弱

換檔轉速高油耗高

一般高轉機器配的波箱齒比更蜜,換檔更頻繁(累)

以上只是相對汽車發動機,有時間再來寫下機車的,真正的高轉發動機,如Honda Cbr250 Nc22 紅線是20000轉。

【笑道人的回答(5票)】:

蟹妖。

等遠山老兄指正。

與轉速相關的扭矩概念:

扭矩單位是N·m,發動機扭矩表示曲軸轉動的輸出力矩。

引擎的功率=2π×扭矩×轉速/60=扭矩×轉速/9.549同輸出功率的情況下,大扭矩低轉速,小扭矩高轉速。

同扭矩的情況下,轉速決定了輸出功率的大小。

——當然,最大扭矩的出現一定和轉速相關,可以查看車輛發動機工況圖。

高轉速的發動機優點:

1)小幅加速性明顯有力(同程加速,轉速提升更明顯);2)暢通路段更省油,對新手來說亦如是;3)最大轉速定額高;4)積碳易排出。

缺點:

1)合適的換檔時機要求轉速偏高,難把握;2)擁堵路段費油;3)拖曳力不強,做拖拽車起步時較吃力。

【盛世芳華的回答(4票)】:

高轉速發動機的優勢

1 增大發動機的強載係數,有效提高昇功率

2 使缸內混合氣形成更加充分

發動機轉速過高可能帶來一系列的嚴重後果,諸如

1 發動機磨損加劇

2 進氣時間短,減少有效充量

3 按曲軸轉角計算的燃燒時間減少,燃燒不充分

4 發動機的機械負荷與熱負荷均上升,影響到其可靠性與耐久性

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總體而言,單純一味的提高發動機轉速弊大於利。因此在較小程度改變發動機本身結構的前提下,增大發動機功率,通常採用增大其平均有效壓力的方式來實現。

【ZhMin的回答(2票)】:

缺點:

轉速高需要加強曲軸連桿等部分

氣門彈簧的反應也要夠快,得專門設計

活塞沖程不可能做長,以免活塞速度太快,對效率有負面影響

低轉速力道小是不可避免的

【負二的回答(22票)】:

對@笑道人 的答案做幾點補充:

要提升引擎的輸出馬力,就兩個辦法,第一是增大排量,第二是提升引擎的最大轉速,但是增大排量通常意味著引擎的體積和重量增加,以及增大油耗——哪個更經濟一目瞭然。最大轉速更高的引擎通常最大扭矩輸出點也會相應提升,也就是所謂的「高轉速引擎」了——高轉速引擎的實現基礎就是更短的活塞行程,但縮短活塞行程會導致一系列的問題(比如缸體空間不足,燃料燃燒不充分等),所以通常設計高轉速引擎難一些,科技含量高一些,成本也高一些。

另,高轉速引擎並不一定意味著低轉速區域「不給力」,引擎的扭矩輸出並不是線性的,高轉速引擎在低轉速區域也可以有幾乎等同於低轉速引擎的表現,實際上現在用來補償高轉速引擎在低轉速區域性能的技術已經很成熟了,就是大家耳熟能詳的「可變氣門正時/升程」技術——也就是大部分車廠稱為VVT的技術(少數廠也有自己的叫法,比如本田就叫V-TEC,但實質上大同小異)。人們普遍認為VVT是一種「省油」的技術,實際上這是一種誤解,省油的是高轉速引擎,VVT是用來補償引擎在低轉速時的表現的。

高轉速引擎與低轉速引擎在操控感上也有著非常大的區別,因為活塞行程短的緣故,高轉速引擎對油門的反饋比低轉速引擎更靈敏,當然也就有了所謂更佳的「操控感」——我們常聽說BMW的車「操控性好」,這是一個很重要的原因(但其實現在BMW在小排量車型上採用渦輪增壓技術之後,油門反饋靈敏的優勢已經不復存在,要真正的靈敏油門,記得選自然吸氣發動機)。

【CarLee的回答(0票)】:

以k20a為例子、四千轉以下感覺都是怠速

【地球人的回答(0票)】:

對於家用車,百害無一利!

城市工況轉速上不去,動力弱,油耗高!

標籤:-汽車 -發動機


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