来自 汽车资讯 2019-10-05 08:22 的文章
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详细解析发动机水温低点好不好,爆发吧压缩比

由于车型不同、车辆使用的地区气温和气压不同,一些汽车缓慢行驶时很快水温就增高,风扇呼呼地转个不停;也有的车水温低一点,过路口等三五个红灯也没有听到风扇转。发动机的水温究竟是高点好还是低点好?

随着排放法规的日益严苛,为了避免交出巨额罚款,汽车制造商们都在争先恐后地推出混合动力车、电动车,而对于传统的内燃机汽车来说,也越来越倾向于小排量、涡轮增压等发展方向了。在这样的大环境下,自然吸气发动机的身影已经越来越少。如果说有谁还是自然吸气的忠实拥趸的话,那么以转子发动机起家的马自达绝对算得上一个。

一、发动机的产热与散热

2010年,马自达提出了创驰蓝天技术(Skyactiv Technology)。这项技术以自然吸气发动机为主体,主攻方向为提高燃油效率,辅以对变速箱、底盘和车身结构的优化,降低传动过程中的能量损耗。

发动机就是个生产动力的油炉子,工作时不断重复进料-压缩-燃烧-出料的过程;发动机工作水温高点、还是低点好?首先来看看发动机发动机的产热和散热过程。

一个中心:自然吸气

1、发动机产热

对于自然吸气发动机而言,如果想降低碳排放,提高燃油效率,只有两个路子,一是提高发动机本身的燃烧效率,能够在等量的燃油上压榨出更多的动能输出;另外一个就是降低各种不必要的能量消耗,比如对传动系统进行优化,提高实际的能量转换率,或者是车身结构的轻量化等。

当混合气燃烧时,热量会通过气缸壁向外扩散到发动机机体内的水槽里、也有少量气体通过活塞间隙进入机油腔内。在排气时,高温气体可以通过排气系统继续给发动机加温。总之,混合气燃烧是产生热量的唯一途径。

马自达的创驰蓝天技术就是从这两个角度出发,于发动机上提高燃烧效率,再在发动机——变速箱——底盘这个传动系上降低能量在传递过程中的消耗,其他的还有诸如车身的轻量化设计等。最终的结果也是相当惊人,比如去年国产化的CX-5两驱版本和国内第一款使用创驰蓝天技术的2.0升自动挡ATENZA,都达到了百公里综合油耗6.6升,远远超过了同级别的车。

2、发动机散热途径和异常情况

图片 1一代创驰蓝天技术

发动机的散热途径有三个:直接通过排气管拍到大气中;经过水循环管通过散热片释放;通过发动机机壳和相连的金属构件辐射释放。

在《“动力新王牌”系列之七:马自达创驰蓝天技术》一文中,车云菌详细介绍了创驰蓝天发动机在不使用涡轮增压的情况下达到如此高效的秘密。高达14的压缩比,不走寻常路的4-2-1的排气系统,虽然在性能上有所牺牲,但是配合着活塞、点火正时以及发动机自身轻量化的设计,在经济性上的提升是相当明显的。

发动机出现故障时会影响散热。这些情况比较多见:水循环系统发生故障时,如水箱漏水、水箱盖变形、节温器漏水、循环水泵损坏......当喷油嘴、火花塞和高压电缆出现故障时可以造成燃烧时间延迟造水温增高;进排气门漏气时也会造成温度增高;发动机使用时间过长气缸密闭间隙增大也会出现温度增高;使用质量很差的机油时也可能造成温度增高。

但是,即便是这样,也难以满足欧盟定下的新车平均碳排放目标——2020年达到95克/公里、2025年达到65克/公里。所以,马自达的工程师们也在酝酿着下几代创驰蓝天技术的发展方向。

这些分析是以目前发动机工作温度设计为基础的,如果改变这个基础将发动机的工作温度调低一点会发生什么情况?

两个基本点:高压缩比

二、控制发动机工作温度

2014年开年不久,马自达的动力开发总监人见光夫揭露了下一代技术的研发计划:“第二代创驰蓝天发动机预计在2020年问世,与第一代相比,第二代发动机的燃油经济性将至少提升30%。”

风扇转动代表发动机产生的热量过多,马上要把水箱里的水煮开了,所以需要风扇来降温。大家都知道,把水煮开需要烧油,为什么不能把火关小一点少烧一些油?带着这个疑问,我们继续来分析。

我们都知道,马自达的工程师们让第一代创驰蓝天发动机成为世界上压缩比最高的汽油机——高达14。即便是因为中国的燃油品质问题,国产的ATENZA和CX-5上的压缩比有所降低,仅为13,但是也要比SUV上12左右的压缩比要高了,在一般的轿车发动机上,根据排量大小,压缩比也仅为8-10。

1、为什么要控制燃烧温度

显然,工程师们对于这一数据并不满足。人见光夫表示,在第二代创驰蓝天的发动机上,压缩比的目标是18。

围绕发动机就三件事:动力、油耗和排放。发动机温度也可以和这三件事扯上干系。

提高压缩比,即代表汽油机的压缩进程结束之后,混合气的温度和压力也就更高,在燃烧过程中,能够释放出的热能也就更多,即是在消耗等量燃油的情况下,产生的能量更多。这样,即便从热能到机械能的转换过程中的转换比率不变,发动机产生的动力也会增多。因此,提高压缩比,相当于提高了能量的基数,从根本上增加了发动机输出的动力,也就是提高了燃油的经济性。

节约非动力性燃油消耗

但是我们也知道,汽油的抗压能力是有限的。高标号的汽油抗压能力高,在高温下的燃烧传播速度也较慢,能够承受较高的温度和压力;缸内直喷的加入,让汽油能够混合得更均匀,也降低了爆震发生的可能,但这都不允许压缩比的无限增长。第一代之所以能达到14的压缩比,也是在牺牲了部分性能的前提下实现的。

让发动机温度升高的唯一原因就是烧油。如果车停在那里等红灯,风扇转个不停一定会消耗燃油,这时烧的油产生的热量并没有推动汽车行驶,而是白白的浪费掉,所以叫做“非动力性燃油消耗”。

而继续将压缩比提高到18,如果继续走牺牲性能的路线的话,也是不现实的。如果大排量,比如2.5升的发动机,除了碳排放再找不到其他特点,还特别肉的话,那么还不如选一台小排量的涡轮增压发动机呢。

这一点工程技术人员早就清楚,发明了发动机自动启停技术;也有的车系悄悄调低了发动机燃烧温度,风扇转动的次数明显减少,通过分析每一个非动力性燃油消耗来提高节油水平。其实我们等车时只要留意听一下就知道哪些车型的工程师做了手脚,车龄长一点的老车无论合资还是中国品牌风扇都转的比较勤,少数新车就安静许多。

那么,马自达的工程师们要如何实现这个魔法呢?

提高发动机输出动力

两个基本点:HCCI

发动机长期处于高温状态下是不利于输出动力的。一个最直接的原因就是当气缸和进气管温度较高时会导致空气过度膨胀,吸入气缸的空气体积没变、重量减轻了,产生的动力自然少了许多。有一次和一位西北的车友讨论动力,他说为什么下雨天汽车动力会好一点?原因就在这里,下雨天气温下降,有利于发动机散热,吸入的空气密度比较大,生产的动力就会多一些。

答案就是HCCI。人见光夫在谈到提高燃油经济性时说到:“如果我们想要大幅提升燃油效率,唯一途径就是稀薄燃烧。”所谓稀薄燃烧,就是降低汽油与空气的混合气中汽油的组成比例,让单位体积的汽油能够产生更高的能量,提升燃油效率。

发动机温度降低一点既可以减少燃油、还可以提高输出动力,对尾气污染物的产生和排放也有正面作用。但是,降低发动机工作温度需要新的燃烧理论支持,甚至需要推翻120年来发动机理论中的部分基本原理,切断惯性思维,对于国际上呼风唤雨的发动机设计高手也需要费一番功夫。

HCCI,Homogeneous chargecompression ignition,即是均质混合气的压燃技术。使用了这项技术之后,汽油机的燃烧方式就变得与柴油机相同——压燃。HCCI技术的核心是均质混合气和压燃,而要想实现均质混合气和压燃,都离不开高的压缩比。

2、怎样控制燃烧温度

只有气缸内的压力足够高,才能让混合气再喷入之后压缩行程结束时,有足够的时间形成均匀分布的混合气;当然,也只有缸内的压力和温度足够高的时候,才能在不使用火花塞的情况下达到汽油的燃点,使其燃烧。

我根据自己的经验提点看法,抛砖引玉吧。

由于缸内的是稀薄混合气,相当于变相地提升了汽油的抗压能力,在高压缩比的情况下也不会产生爆震。因此,HCCI技术与高压缩比可谓是相辅相成。人见光夫也在宣告时表示,二代创驰蓝天的主要技术就是HCCI,高压缩比只不过是HCCI的隐性福利,顺带的。

建立新的热平衡系统

图片 2三种不同的燃烧方式

温度越高越利于燃烧的传统理论已经把工程师们束缚的太久了,对于汽油发动机来说,也许应该把温度降低一点更容易控制。如果我们把发动机最高工作温度修改成70度或者80度,就可以减少燃油消耗,同时可以增加进气量和提高输出动力。完成这样的工作需要建立一个新的热平衡系统,将发动机的工作温度控制到30-70度或者40-80度之间。目前的发动机冷却系统完全可以满足这样的设计要求,需要做的重点在如何认识燃烧。

通用曾在2007年到2009年对HCCI技术进行过研究。奔驰也在2007年推出过一款名叫DiesOtto(柴油机与汽油机创造者名字的组合)的发动机,同样使用了HCCI技术,并配上了涡轮增压系统,1.8升排量下最大输出功率为238马力,最大扭矩可达到400牛·米。本田和现代,以及零部件供应商博世都传出过研究HCCI的消息,但是这项技术却一直未被量产应用过。

即使是自然吸气发动机,仍然具备很大的扭矩生产储备,涡轮增压发动机同样留有一部无法利用的空间。阻碍扭矩提升的最大障碍并不仅仅是压缩比,还有混合气燃烧时发生爆震带来的危险;虽然可以用提高燃油辛烷值的方法(使用高标号的97#汽油,京95#)预防爆震,这样既增加了用车成本,也没有从根据上解决问题。降低发动机最高温度是从源头解决爆震的方法,建议设计师们试一下。

这是因为要实现HCCI,必须解决一些关键技术上的难点:

本田、丰田和马自达在提高压缩比的设计中都采用了降低发动机温度的技术,当然在介绍中只会一带而过。这样做的原因大家都懂。

  • 一是燃烧时刻的控制。HCCI要通过提高气缸的压力和温度使混合气自燃,那么对混合气的喷射过程、气缸内的温度和压力都要进行精确的检测和控制,以保证在压缩行程结束时才开始燃烧,提前则造成能量的浪费,延迟则会造成动力的滞后,影响输出平稳性。因此,发动机的ECU管理程序要缜密地进行加强。

  • 二是为了避免爆震,HCCI的混合气都是稀薄混合气,与常规的汽油机相比,采用HCCI技术的发动机,排气的温度会相对较低,发动机的最大负荷会受到限制。当发动机在大负荷高速运转时,就可能还必须依靠火花塞进行点火。而如果用火花塞进行点火,发动机的压缩比就不能过高避免出现爆震,这就要求发动机的压缩比可变。要在技术上实现压缩比可变,发动机的结构会更加复杂,成本也随之增加,而且在目前的技术下,并不能保证稳定性。另外,低排气温度对催化转化器来说也是一个问题,因为需要相当高的温度才能进行氧化/还原反应。

  • 三是HCCI是同时进行压燃和放热,气缸和活塞会受到强大的瞬间压力,这就对于发动机的强度和重量有了更高的要求。如果发动机的重量增加过多,也会抵消掉一部分好不容易提升了的效率,因此,如何在这两者之间找到一个平衡点,也是一个挑战。

图中的说明轻描淡写的提到“方法是采用重新设计的4-2-1排气系统,降低气缸工作温度”,用4-2-1排气系统真的可以降低气缸内温度吗?显然马自达的工程师们不愿意大家注意到关键在哪里。

车云小结:

稳定和提高扭矩贡献率

看来,摆在马自达工程师们面前的难题还不少。在2020年之前,工程师们需要做的不仅是解决这些难题,还要用较低成本的方法去解决。这样,才有实现量产的可能。

汽车动力的生产单元是发动机,具体部位是燃烧室,所以,一切关于动力产生的内容最后都要落在燃烧室。马自达的蓝天创驰技术也好,大众的涡轮增压技术也罢,在稳定和提高燃烧室扭矩贡献值的研发过程中首先要过发动机高温这一关。

在二代创驰蓝天之后,马自达的计划是在2025年推出第三代创驰蓝天发动机,三代技术将会把重点放在限制燃烧室因排气和冷却系统所导致的热能变化与流失,最终的目标是达到与混合动力车相仿的二氧化碳排放量。

进气管喷射自然吸气发动机的扭矩贡献值最高也就达到1.0,多数在0.9左右;我在查询资料时注意到2005年定型的发动机扭矩贡献值基本在0.8左右,2010年定型的发动机扭矩贡献值上升到0.9,近两年定型的部分发动机扭矩贡献值上升到1.0了。马自达的缸内直喷发动机扭矩贡献值达到1.2,其中的一项关键技术就是有效地降低了发动机温度;本田和丰田的高性能发动机也描述过降低发动机温度的内容,当然也做技术掩饰。

一代创驰蓝天发动机在引入国内之后,就因为油品的问题打了个折扣。或许对于渴望见到二代的国产产品的人们而言,工程师们能够在六年内找到一个物美价廉的技术手段,但是国内的油品却很难在六年内得到质的提升。

涡轮增压发动机的扭矩贡献值可以达到1.3以上,也和发动机工作温度的控制水平密切相关。如果温度较高,涡轮增压的作用就会受到影响,早期的涡轮增压发动机扭矩贡献值只能达到1.0-1.2,耗油量也非常高,一个重要因素就是没有控制好发动机工作温度。比较先进的涡轮增压发动机一定具备了控制气缸温度的核心技术,为了保持技术优势,企业通常对这一点避而不谈。

图片 3

总之,开车时稍稍留心一下水温表,如果水温容易升高,多数情况下处于较高温度区域,风扇转得比较勤,说明搭载的发动机机型可能比较老;反之,水温表上指示的温度比较低,稳定,风扇很少转,说明发动机技术比较先进。

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