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是自然吸气没落还是各种增压无敌(1)
是自然吸气没落还是各种增压无敌[导读]2014赛季F1赛事将重回涡轮增压时代,涡轮(机械)增压的时代似乎已势不可挡,那么自然吸气发动机时代真的结束了吗?显然事实并非如此!

  最近揭晓的2014年度沃德十佳发动机大奖,只有三款自然吸气发动机入选,看起来自然吸气发动机似乎已经没落了。

  如今坚持开发自然吸气汽油发动机的汽车厂商也确实越来越少,曾经对涡轮增压技术不屑一顾的宝马在并不算长的时间里就已经变身为涡轮增压发动机汽车品牌新科状元,M-POWER更是清一色的倒向了涡轮增压技术。

  排气量在1-3升的涡轮增压发动机之所以变得越来越普及,主要原因是自然吸气发动机想要获得比较强的动力和扭矩输出,就需要比较大的排气量,这么一来油耗、污染物排放就很难满足全球日益严格的环保标准要求。而单纯的减小自然吸气汽油发动机的排气量,在动力和扭矩输出方面又很难取得太大突破,可以在最常见的城市行驶环境中,实现低油耗和高扭矩输出的小排量涡轮(机械)增压汽油发动机,自然成为众多汽车厂商的新宠。

  自然吸气汽油发动机并不是无法获得比较强的动力输出,F1赛车发动机就曾通过超过13:1的压缩比和接近每分钟两万转的惊人转速,获得了每升排气量输出超过221千瓦(300马力)的惊人动力。

  量产车中除了排气量动辄超过3升的高性能跑车以外,配备中、小排气量高性能自然吸气发动机的车型,恐怕大家也都有过一定的耳闻。

  不过这类高性能自然吸气汽油发动机都有一个通病,那就是实用动力和扭矩输出转速都集中在至少每分钟3000-4000转以上,城市行驶环境中实用性其实并不高。借助赛车技术开发的高性能自然吸气汽油发动机,由于压缩比和工作转速都很高,发动机燃烧室温度和单位时间内的废气排放量自然就会相对较高,在废气排放控制上不仅难度更大,成本也更高。即便在成本控制方面相对较宽松的高性能跑车领域,坚持采用自然吸气汽油发动机技术的厂商也已经屈指可数。

  难道中、小排气量自然吸气汽油发动机就没有未来了吗?在马自达的SKYACTIV(创驰蓝天)技术问世之前似乎有这种可能性存在。高转速、高压缩比、延长气门开闭时间、提高气门升程等多合一的赛车化技术显然已经不合时宜,在最常见的行驶环境中,为每一位驾驶者提供随心所欲的畅快驾驶感受,并拥有非常理想的燃油经济性,无疑成为未来自然吸气汽油发动机发展的新趋势。

  一些动力输出并不是很强劲的中、小排量涡轮增压汽油发动机,可以在很低的转速输出大部分扭矩,这确实是自然吸气汽油发动机难以做到的。不过并不意味着这种现象可以覆盖更广阔的转速范围,随着发动机转速的提高,扭矩输出也会随之下跌,后劲不足的缺陷才会浮出水面。

  高性能涡轮增压发动机虽然可以通过可变气门正时系统、双涡流(如今在国内已被广泛称为双涡管)排气壳体、轻质排气侧叶片和滚珠轴承涡轮增压器等技术,来减少“涡轮迟滞”现象对低转速扭矩输出的负面影响,但真正取得实质成果的这类车型,也极少有平民百姓可以负担得起的。涡轮、机械双增压技术看似完美无缺,但是成本高、可靠性低、结构复杂、重量大的缺点,使其前途并不算光明,普及的可能性也难以存在。

  在这个增压汽油发动机大跃进的时代里,能静下心来探索自然吸气汽油发动机新生的车企,目前看来也只有马自达一家。之所以会形成这样的局面,恐怕是很少有车企敢于冒这么大的风险。

  一向行事谨慎的丰田汽车虽然对涡轮增压技术已经失去兴趣多年,但是在海外市场已行销十余年配备D-4、D-4S缸内直喷、双燃油喷射技术自然吸气汽油发动机的车型,在包括中国在内的一些国家和地区,仍无法做到大量推广,对环保和燃油经济性方面的贡献很有限。油电混合动力技术虽然可以做到污染物排放、燃油经济性双丰收,但居高不下的成本,并不足以激励消费者为减少的污染物排放和燃油消耗买单。

  马自达选择的自然吸气汽油发动机重生之路看似简单,事实上却已经考虑得相当周全,不仅仅是一项只针对于发动机的新技术,而是由SKYACTIV-G和SKYACTIV-D(创驰蓝天汽油和柴油发动机)、SKYACTIV-DRIVE和SKYACTIV-MT(创驰蓝天自动和手动变速箱)、SKYACTIV-BODY(创驰蓝天车身)和SKYACTIV-CHASSIS(创驰蓝天底盘)四大部分组成。

  SKYACTIV-G创驰蓝天汽油发动机没有惊人的账面动力数据,其特别之处就是把常见的自然吸气汽油发动机的工作效率进行最大程度上的优化。最特别的地方恐怕就是13:1的超高压缩比(供应欧洲市场的版本更高达14:1),目前可以买到的车型中,除了法拉利458,压缩比超过12:1的也只有采用D-4S技术的丰田和雷克萨斯车型。

  前者的主要目的是为了获得极致的动力性能,对低转速扭矩和油耗的改善只是附加收益,后者则主要是为了提高燃油经济性,不过两者都面临着相同的问题,那就是使用辛烷值(或抗爆震指数AKI)较低的燃油时产生的爆震现象。

  法拉利458的F136FB发动机是根据欧洲98号汽油设计的,引进中国之后虽然经过一定的校调,但使用中国境内的95或97号汽油,结果要么是对动力输出造成一定损失,要么就是降低发动机使用寿命和保养成本。丰田汽车则是通过传统的燃油喷射(进气歧管内喷射)与缸内燃油喷射相结合的方式控制发动机燃烧室内的温度,以达到抑制爆震的目的。不过丰田汽车并没能把这项技术广泛地应用在全球市场中。特别是在中国,至今合资车型都没有采用D-4S技术,想必也是考虑到了燃油方面的问题。

  创驰蓝天汽油发动机为了抑制爆震的发生,在高高凸起的活塞顶部增加了一个凹陷,高压喷入缸内的汽油遇到凹陷时就会减慢扩散速度,就可以吸收一部分燃烧室内的多余热量。过多的热量被高度雾化的汽油冷却,自然就达到了抑制爆震的目的,这种抑制爆震的方法和改装车或赛车发动机校调中采用的方法完全相同,只不过后者不太需要考虑油耗,可以在火花塞点火之前喷入较多的燃油,通常表现为排气管中喷出很明显的火舌。

  发动机爆震的另一个成因是在排气行程中发生的,不能迅速完全的排出高温废气,也会使发动机燃烧室内积聚过多热量。因排气不均一造成的个别气缸爆震,对发动机的伤害其实更大。排气不均一和排气干涉现象,是大部分量产车型发动机都存在的问题,尽管为了提高排气效率,铸铁成型的排气歧管已经很少有车企继续使用,但出于成本的考虑,完全解决排气不均一、排气干涉问题的发动机,大多还配备在高价位车型中。

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