汽車發動機充氣效率與燃油經濟性有什麼直接關係呢? | 知乎問答精選

 

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汽車發動機充氣效率與燃油經濟性有什麼直接關係呢?

2019年04月07日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 7 ℃ 次

【whisperFlank的回答(2票)】:

假設題主已經瞭解四沖程發動機的基本運作原理。

提高充氣效率就是提高每次做工氣缸吸入的空氣體積,其中的有效作用就是增加吸入的氧氣量,發動機根據氧氣的量來判斷噴多少油。氧氣量多了,噴油多了,每次做功的實際能量輸出就大了,直觀的體現是發動機有勁兒了。

燃油效率的提升則是說燃燒同樣的燃油能做的功變多了,根據上段描述發現如果其他條件不變,勁兒大了還是因為燃油噴多了。所以單純說充氣效率的話跟燃油效率沒多大關係(當然如果充氣效率奇好或者奇差超過ecu的調整範圍的話另當別論,例如各種積碳堵住進氣管)。

從發動機外特性曲線(外特性曲線有三條線,扭矩/轉速、功率/轉速、比燃料消耗/轉速)其中的比燃料消耗曲線(比燃料消耗就是轉速/單位功率燃料消耗量的關係)可以從字面上看做燃油效率,從圖見比燃料消耗其實是與轉速有關的,以我的理解就是燃油效率與客觀限定的燃燒速度有關。每次氣缸吸入的油氣混合氣體積和濃度都是一定的(我記得是海拔XX高度最大油門開度,具體數忘記了請自行百度),該濃度的混合氣有一個正常燃燒時間(當然這個燃燒時間跟氣壓,氣缸形狀,燃燒開始前的溫度等等好多因素有關係),轉速越高給定的燃燒時間越短(因為做工沖程的時間變短了嘛),給定的燃燒時間越接近正常燃燒時間,燃燒過程也就越正常(生成物的總化學能最低,釋放能量=反應物總化學能-生成物總化學能),釋放的能量也就越多。同樣的燃料釋放能量越多,當然燃油效率也就高了。

不是熱能專業,化學也僅高中水平,解釋可能有偏頗,只是想在自己理解基礎上盡量說明白一些,歡迎指正。

【王碩的回答(37票)】:

文章是前前後後、斷斷續續補充出來的,所以前後文的邏輯可能看起來不是那麼好,內容可能有些重疊,諸位見諒。

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充氣效率和燃油經濟性沒有很直接的關係,其主要作用是為了提高發動機動力。

充氣效率這個和強制進氣是同一種手段,都是通過增加進入氣缸內的氧氣含量來提升動力。

發動機噴油是根據氧含量來噴油的,ECU收集氧傳感器的數據,判斷出會有多少氧氣進入氣缸參與燃燒,然後按照合適的空燃比(不一定是理論空燃比)噴油與空氣混合。

所謂的燃效指的是對燃燒能量的利用率。主流的手段是:稀薄燃燒、米勒/阿特金森循環、高壓縮比;其他的手段,比如減少發動機和傳動系統的機械損耗,把動力用在驅動車輛上;加入動能回收系統,在減速和制動的時候回收一部分動能,減少已經產生出來的能量的浪費等等。

而省油和燃效不是直接掛鉤的。省油與否,是以車來說的,因為你不能單獨騎著一台發動機在路讓跑。

一台發動機匹配不同的變速箱、不同的車型都有不同的油耗表現。

比如匹配一台只有800kg的輕量化小車和一台1.4噸的B級車,顯而易見驅動更輕的車輛,需要的動力更少,就更加省油。

(比如2.0的凱美瑞和2.5的凱美瑞,匹配的是同樣的車,同樣的變速箱。2.0發動機比2.5要更加先進,前者壓縮比更高,帶歧管噴射+缸內直噴雙噴射,其VVT-iW系統可以在低負荷下轉換成阿特金森循環,整體的燃燒效率比2.5發動機高。但是實際上2.0凱美瑞的油耗表現和2.5凱美瑞的油耗表現非常接近,就是因為2.0的動力弱,要喝更多的油來提供足夠的動力)

還比如在車輛本身不變,理論上匹配CVT變速箱油耗會比匹配其他變速箱要低,無極變速箱在匹配良好的前提下,可以時刻使發動機轉速保持在合理的轉速,不會像階梯式變速器,出現在某個速度上,高一檔,轉速太低,只能多噴油耗住;低一檔又轉速太高,動力都浪費在發動機內耗上了。

另外,馬自達的創馳藍天發動機,通過高壓縮比與奧托循環、米勒循環切換技術得到了很不錯的燃效。在其高配2.5的阿特茲車型上有一套電機+超級電容的動能回收系統,其在市區一塊一慢的路況下,甚至比2.5L阿特金森發動機+電動機+E-CVT的混動凱美瑞要省油一點(源自「新車評網」的油耗對比測試,不過用的是老凱美瑞。電容比電池的充電效率更高,可以回收更多能量)。

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更新內容。

以上的回答,我主要的目的是想要說明提高燃效和提高燃油經濟性的不同。

燃效是對發動機說的,油耗是對車說的。

簡單來說,想要讓一輛車比原來更加省油,可以選擇提高燃效(改動發動機)也可以改動車身(比方說輕量化、換低滾阻輪胎等),還可以優化變速箱(鎖止效率更高的液力變矩器、更加聰明換擋邏輯、更快的換擋速度等)。

比如買回一輛車,你做了如下改裝:

把車身覆蓋件換成了碳纖維製品;家裡車多後排座椅用不到也拆了;都是市內開備胎也不用帶了;反正開不快就換了更窄的輪胎;既然要換不同規格的輪胎就乾脆換個輕量化鍛造輪轂。

【以上的改裝就是給車子減肥的動作,輪胎是讓車子移動摩擦力降低,不論舒適度,對車子的油耗當然是有優化的】

以下重點

除了輕量化車身,減少阻力等省油措施,該有就是動發動機和傳動系統。

更換高壓縮比活塞,增加發動機壓縮比;活塞本身還可以做成本比原廠更高的低摩擦塗層;換用鍛造的連桿和曲軸,用來對付高壓縮比更猛的燃燒,順便輕量化發動機活動部件,減少無用做功,同樣還有輕量化飛輪,輕量化皮帶輪等等;

以上的發動機改裝,是真的提高了燃燒效率,同時,也讓發動機動力更強了。

真正提高燃燒對減少能耗絕對是有好處的,但是減少油耗不一定只能選擇提高燃效。

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說到各種配氣技術對油耗的幫助。

在之前,發動機的設計是有特定的針對性的,是偏向低轉速高扭矩的低轉速發動機,還是偏向高轉速下表現的高轉發動機,這是在設計之初就要定下來的事情(當然,現在也差不多)。

針對於高低轉的差別,就需要對進排氣的管路設計、凸輪軸的高度和角度、氣門的設計、氣門相位的設定、發動機活塞頂部形狀的設計、發動機行程個缸徑的設計等等。

而可變氣門技術,其目的就是要讓一台發動機無論是高轉還是低轉都要有合適的表現。

因為,偏向低轉的發動機更適合日常駕駛,高轉發動機在高速巡航時的動力表現更好。如果發動機偏向低轉,在日常生活中,發動機不需要拉高轉速就可以提供充足的扭矩,便可以在這樣的使用工況中獲得不錯的燃油經濟性(轉速越高,發動機內活動部件的內耗就越大)。

但是在高速巡航的狀態下,發動機的工作轉速會偏向更高的轉速,這樣會偏離發動機工作效率比較高的轉速區域,造成工作效率降低,只能燒更多的燃油來彌補。

如果設計的是一台偏向高轉的發動機,那情況就會相反過來。

設計中偏向低扭的發動機其最佳工作效率也會出現在低轉,設計偏向高轉的發動機,效率最高的時候會出現在高轉區域,發動機的燃效不是全轉速區域都一成不變的

而各種各樣的配氣技術為的就是讓發動機無論在高轉工作還是低轉工作都有相對來說不錯的表現,換一個方式來說,更先進的配氣技術讓發動機高效率的轉速區域給拓寬了

應該說,先進的配氣技術對一台發動機的最大效率不會有明顯的提升,但是因為拓寬了高效率的轉速區域,所以在日常使用的時候更容易讓發動機更多保持在高效率狀態,從而減少的油耗,提升的動力表現。

像現在流行起來的小排量渦輪增壓發動機。這類發動機的特點就是,發動機的最大扭矩可以媲美更大排量的自然吸氣發動機,同時最大扭矩在兩千轉以內就可以達到。

匹配這種發動機的車輛如果是在巡航時,保持渦輪在介入的狀態下,可以用比較低的轉速就可以提供充足的扭矩驅動車輛。這對於同功率的自然吸氣發動機來說,是一個優勢。因為同功率的自然吸氣發動機排量必然要更大,更大的排量就意味了更大的行程或者是更大的缸徑(或者兩個都更大),進而氣缸每一次的行程都會有更大的摩擦力。

(排量越小,發動機的摩擦內耗越少)

而且小排量渦輪增壓更低的工作轉速,就意味單位時間內氣缸上下移動的次數越少,也有利於減少單位時間內的摩擦內耗。

這兩點綜合起來就是小排量渦輪增壓在恆定的巡航工況(比如高速路上巡航)下比同功率自然吸氣發動機更加省油的原因。

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以上或許不太好理解,拿豐田混動系統上面的阿特金森循環發動機來說。

這種循環模式其原理就是,讓發動機活塞的做功行程比壓縮行程要長(也就是膨脹比要比壓縮比大,馬自達的米勒循環也是一樣的,豐田為了規避專利,把自己的的叫阿特金森,其實從實現的方式上來說,就是米勒循環)。

和同樣排量,同樣壓縮比的普通發動機來說(普通發動機用的是奧托巡航,發動機活塞的4個沖程移動距離是相等的)。

假設說明:(一下兩台發動機的缸徑相同)

奧托循環壓縮比是10:1,膨脹比也是10:1,活塞的行程都是固定的x毫米。

阿特金森/米勒循環,壓縮比也是10:1,活塞的行程也是x毫米,在做功的時候,膨脹比增加到12:1,活塞的行程增加到(x+y)毫米。

多出來這y毫米的行程可以讓燃燒爆炸的能量繼續作用給曲軸,這樣就直接提高的燃油利用率(燃效)。

看起來很牛逼,很高大上啊。其實該循環算是老技術了,但不幸的是一隻沒有得到發展,直到97年豐田把它用在混合動力系統裡,這種循環才真正得到發揚。一直到了現在,更高級的配氣系統,可以在發動機低負荷的時候,通過反吐出一部分進氣,主動的縮小壓縮比,從而進入阿特金森/米勒循環工作模式(壓縮比小了,膨脹比不變)。

我們在計算排量的時候,用的是活塞運行到下止點的時候氣缸裡的容積,奧托巡航中,壓縮比和膨脹比相同。但是在阿特金森/米勒循環中,排量計算的是膨脹比。

一台奧托循環發動機和一台米勒循環發動機做對比,假設其缸徑相同,其他的發動機技術水平相同的前提下。若兩台發動機的排量相同,那就說明兩台發動機的膨脹比是相同的,若膨脹比都是12:1,悲劇就發生了,奧托循環發動機的壓縮比也是12:1,但米勒循環發動機的壓縮比可能就只有10:1。

這樣對比是要說明,同排量下,奧托循環發動機動力比米勒循環發動機強得多。

實際上這樣的對比對米勒循環是不公平的(同排量發動機的對比)。如果是完全同樣的發動機技術水平的對比,應該是:

奧托循環發動機和米勒循環發動機的壓縮比都是12:1,如此,奧托循環發動機的膨脹比也是12:1,但米勒循環發動機的膨脹比可能已經達到14:1。米勒循環做到了比同樣技術下的奧托循環更高的燃效。

比如普銳斯上用的1.8L自然吸氣阿特金森發動機,功率僅有99匹,比1.6L的普通自然吸氣發動機還要差。自己車上用一台1.8L的發動機,動力連人家1.5L發動機的動力都不如,那是怎樣一種蛋疼的感受。

所以米勒循環發動機沒有得到發展。

不過混動的到來,彌補了這個缺點,電動機可以提供強勁的扭矩,而需要發動機工作的時候,發動機不需要不停的變速工作,發動機工作的時候只需要保持在最佳燃效的轉速區間就行。豐田這整套動力系統的燃油利用率高得驚人。配合普銳斯的195寬低滾阻輪胎和低風阻車身,1.4噸的普銳斯百公里油耗僅僅有4L。

另外據說第四代普銳斯會用新的第3代混動系統,該系統上的1.8發動機燃效可以達到40%,會成為目前燃效最高的量產汽油發動機。

再到現在,馬自達的創馳藍天技術發動機和豐田新發動機上的VVT-iw技術,可以讓發動機在奧托循環和米勒循環之間切換,需要動力就用奧托循環,不需要動力,就變成米勒循環省油。

【何先生的回答(1票)】:

謝邀

看了幾個回答,跟我的理解不一樣,我來說說我的看法

我也沒聽說過「燃效」這個詞,如果有誰看到了請告訴我

充氣效率,也有說充量係數的,反應的是進氣過程的完善程度。是衡量發動機氣缸,氣道,氣門這三者組成的系統(pumping device)的泵吸能力的指標。

確實,你說的可變配氣系統技術,可變氣門正時,可變氣門升程,可變歧管長度等,都是能夠在發動機不同的工況下實現不同的變化,以達到降低進排氣阻力,減少所需泵氣功,以最大程度的滿足發動機對進氣的需求。

先來看看充量係數的定義:

內燃機每循環實際吸入氣缸的新鮮充量m1與以進氣管內狀態充滿氣缸工作容積的理論充量m2之比。

然而當我們討論充量係數的時候,一般指的是在發動機節氣門全開的時候,這一點很重要。

對於汽油機,在部分工況,也就是節氣門沒有全開的時候,缸內廢氣殘餘係數很高,因此不去談論什麼充量係數。

影響充量係數的指標很多,比如

燃油的性質(主要是揮發性);氣道的熱輻射對進氣的加熱;進排氣系統壓力差;壓縮比;轉速等等。

從理論上來講,發動機換氣是要耗功的,因為發動機在泵氣吸氣;如果說充量係數高意味著進排氣阻力小,那麼吸入同樣的空氣,耗功則少一些;從這一點來講,充量係數好像跟燃油經濟性掛的上鉤。

而一般而言,充量係數高僅說明發動機換氣系統的屌不屌,並不與燃油經濟性扯上關係。

但是發動機還是在不遺餘力的提高充量係數。

因為一方面是降低了泵氣損失,另一方面是發動機「肺活量」大了,潛在的最大engine power也更大。

可以有進一步交流

【侯旭升的回答(10票)】:

從來都沒有以後也不會有「燃效」這個詞!

從來都沒有以後也不會有「燃效」這個詞!

從來都沒有以後也不會有「燃效」這個詞!

每循環多進氣就可以多燒油,多燒油就可以多做功,做功增加而摩擦功基本不變,所以可以提高發動機的燃油經濟性。其實提高容積效率就相當於增壓,不過增壓壓力沒有渦輪增壓或者機械增壓那麼高就是了。

另外,任何提高發動機容積效率的措施都可以看作是提高進氣壓力,因為容積效率高,近氣門關閉時關在缸內的氣體量就更多,活塞上方的壓力高,活塞下行時作用於活塞上下表面的壓力差增大大,可以降低發動機泵氣損失。

因為增壓壓力低,所以穩態的節油效果沒有渦輪增壓那麼顯著。

所以結論是:提高容積效率,理論上與提高內燃機燃油經濟性有關係。

最後再說一遍,從來都沒有以後也不會有「燃效」這個詞!

【泡泡先生的回答(0票)】:

沒有關係。

吸多少氣,噴多少油,做多少功。

簡單明瞭。

【shawnX的回答(0票)】:

瀉藥

占坑

有空更

【逼逼叨的回答(0票)】:

瀉藥

印象中以前的討論裡中提到過熱效率這個詞,然而它並非燃燒效率。

汽油機的燃燒效率是隨著工況改變的,比如剛啟動的時候汽油味很大,跑起來就好多了。而你問的問題應該是做功的情況。

大家都知道汽油機是靠燃燒燃料釋放的熱能做功的,目前的技術噴油量已經完全由電腦控制了,在理想狀態下燃燒效率很高,完全可以達到90%以上。換句話說幾乎所有的燃料都被燒掉了,沒有殘留。

而熱效率就不同了。眾所周知汽油機在燃燒的時候是需要散熱的(比如有冷卻系統),而這些熱量基本來自汽油燃燒釋放的熱能。目前人類的能力只能把37%的熱能轉化為動能,其他的都無法利用。不過目前好像豐田把熱效率提升到38%了。

綜上,其他各種形式都只是通過燒更多的油來獲得更多的能量,僅此而已。

那為什麼要推行渦輪----對於非專業人士我建議咱們就認為它可以降低非做功燃燒時的損耗吧,比如怠速時。

哦,另外,改變進氣排氣條件也只是單位做功時參與的油料可以比改進前更多(而非更高效),因為你懂的混合氣過濃是無法點燃的,所以還是那樣,很遺憾,目前的玩法只是實現了在更小的氣缸中燒掉更多的燃料,而非通過提升單位燃料獲取更多的能量(或轉化更好)來實現。

【知乎用戶的回答(0票)】:

隨便找本本科級別的內燃機教材,保證讓你跟人吹發動機技術3天不帶重樣的

【劉澤然的回答(1票)】:

油燒的好不好和單位時間吸進去多少氣兒沒啥關係啊

【卞老闆的回答(1票)】:

進氣多和能不能把油燒乾淨沒有必然聯繫,一台發動機充氣效率越高相同條件下氧含量越多,油就可以噴的越多,扭矩就可以變大,但是油能不能完美混合嘛你懂的

【土豆的回答(0票)】:

從數學表達式來說,FE(Fuel Economy)與車速、燃油密度、燃油質量流量、發動機熱效率、發動機燃燒效率、發動機機械效率、燃油低熱值、傳動系統效率和驅動力有關,與容積效率無關。

其實容積效率也不是一個真正意義上的效率,因為其值可以大於1

【吶喊的蝸牛兒的回答(0票)】:

我決定簡單粗暴的上幾組公式來解決您的問題,如有紕漏輕拍。

首先,如上圖所示,容積效率的概念一定是基於四沖程發動機,這個毋庸置疑。容積效率的增加主要依靠增加空氣流速來實現,也就是每個單位時間的進氣量。

那麼接下來,經過一系列的推論和計算(跳步跳的有點厲害,但是結果更直觀),我們得到了容積效率和扭矩T以及bmep(brake mean effective pressure)平均有效制動壓力的公式,其關係均為正比。扭矩很好理解,bmep的概念可以理解為,活塞在壓縮和膨脹兩沖程內所產生的所有功,減去活塞內部因內部空氣壓力、氣體進氣慣性及運轉一些零部件必須要損失的功,最終能夠傳到傳動軸上的所有功的平均值。(bmep=Lc/Vd),Vd為 piston displacement volume,即位移容積。

也就是說,在不增加燃油的情況下,容積效率的增加可以增加扭矩,並且可以增加傳輸到傳動軸上的功,即達到增加燃油經濟性的效果。

標籤:-汽車 -發動機 -汽車發動機 -內燃機 -車輛工程


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