关于涡轮和自吸的路线之争

天下无斑

最近在研究涡轮与自吸的各自利弊，阅读文章无数，觉得这篇比较全面中肯，发来与大家分享。干货比较多，慢慢啃吧。作者是唐华寅博士。

########################################################################


其实我觉得在展开分析这个问题之前，我们有必要先深入了解一下什么是小排量涡轮，什么是高压缩比自吸。

1）小排量化的目的是帮助主降低内燃机平均摩擦损失，而高增压比NA发动机的摩擦损失会非常高，因为压缩比太高，发动机的最大载荷很低，需要很大的排量才能够达到相同的扭矩输出（比如马自达一直在用自己的2.0-2.4L和1.0T-1.4T对比）。这就导致发动机需要更多的摩擦件（比如阀门，轴承，活塞的数量变多了，同样输出功率的4缸自吸自然会比3缸增压机的摩擦损失大，而我观察了大量不同发动机数据，气门的摩擦损失在低转速时可以占总摩擦损失的近一半）和热传递损失（缸的尺寸大了自然就有更多热量浪费给冷却）。千万不要小看摩擦和传热损失（这两个听起来好像并不那么严重），但是主机厂在设计燃烧室结构的时候会花非常大的功夫优化缸径和冲程（缸径越大燃烧室传热面积越大，但是冲程要是过大的话，活塞往复运动的移动距离就越远从而导致轴承需要克服更大的摩擦力来改变活塞的运动方向）来保证最佳的燃烧热效率降低传热面积。而小排量增压发动机的目的就是为了缩小这些损失，因为缸数少了（或者小了）从而减少了轴承，气门，活塞环等等各处的损失）。在一般发动机上，这些损失往往能够占到15-20%左右这个数量级。
第二个小排量化的好处是减小泵气损失。在原始自吸汽油机，驾驶员实际是通过调节节气门的角度来改变进气量和发动机输出扭矩，而这个节气门实际是一个人为放在进气道里的阻力，发动机需要克服这个阻力把空气吸到缸内的损失就是泵气损失。自吸机子因为排量大，低载荷的时候需要关闭节气门控制载荷，导致效率降低。而小排量增压发动机在低载荷的时候只要把增压压力降低就可以完成载荷的控制，不必有过多的泵气损失。

第三个，实际也是往往被忽略的一点，就是增压机型可以使得发动机主体平台化。高功率和低功率版本用同一缸体，区别主要是换增压器。这样主机厂生产不同机型的成本大大降低（实际开发成本会上升，因为好像通用平台化需要做很多额外的开发和验证工作）。而这节省下来的成本可以用在发动机更好的金属材料，或者车内更好的舒适配置，以及更低的购车价格（不用说主机厂是在赚更多便宜，因为汽车行业市场竞争非常激烈，谁敢虚标价格立马就会付出销量的代价）

2）马自达的技术是自吸，加高增压比，配合米勒循环（早关或者晚关进气阀来降低泵气损失）。这种发动机的好处是，由于使用了米勒循环，发动机的实际压缩行程的压缩比不是高压缩比而是10左右，而做功行程（活塞下行的时候）的压缩比是高压缩比。我们都知道发动机压缩比越高，燃烧室内气体膨胀时对活塞做功就越多，从而提高燃烧做功的效率（因为气体膨胀做功是会把内能转化为活塞的动能，从而压榨出更多气体的能量，减少残留在尾气里的能量）。

3）稍事总结：小排量主要是为了减少摩擦损失，减少散传热损失，减少泵气损失，开发平台化。高压缩比米勒循环主要是为了减少泵气损失，提高燃烧气体做功效率。

4）具体分析增压发动机最大的弱点是压缩比需要进行妥协，否则缸内压力温度过高，汽油机爆震等等都成为问题。这就导致燃烧效率降低。但是在低载荷（比如市区平缓行车或者匀速巡航时），小排量发动机在热传递损失，泵气损失和摩擦损失这三方面的优势比热效率的损失要大很多，所以最终的低载荷效率会比高压缩比自吸要强。这一点也完全可以从马自达自己的图片上看出来。（马自达在演讲里说他们用了闭缸技术之后的低载油耗和福特以及大众的小排量发动机相当，但是对比的大众和福特发动机都是几年前的产品，而据我所知这两家正在研发的新机型也将会有闭缸技术，这样一来马自达又会在低载油耗上输掉）。另外，不可忽视的是，马自达展示的闭缸的数据只是稳态数据（发动机固定在一个工矿），而实际工作中闭缸模式的来回切换是需要配合点火提前角和节气门特殊控制的（总之就是在开关闭缸模式的时候会有额外的损失），另外闭缸会导致尾气温度降低，后处理污染物转化效率下降（总是就是展示出来的闭缸带来的优势实际是一个理论数值，实际开车的时候达不到这个结果）。

到了中等载荷，马自达的效率优势开始体现。这是因为压缩比比较高。实际这个区域2000转左右，中高载荷是自吸发动机最有优势的工作点。熟悉自吸发动机热效率图谱的朋友一定会记得，自吸发动机一点偏离了这个转速和载荷点，效率下降非常快。往低转速走，进气效率不够。往高转速走，摩擦损失过大（记得我们说过大排量发动机摩擦损失基数大，而且摩擦损失是和转速的指数级相关的）。往低载荷走，泵气损失严重。所以，马自达在演讲中对比的是1500转和2000转这两个转速。如果对比从1000到6000转的效率的话 就没有什么优势了。（插句题外话，其实搞技术的有时候和搞政治很像，你想要得到什么结论，就故意展示某方面的数据，某种程度上误导读者。这时候就需要很丰富的经验来判断数据是否全面了）。

5）其他相关信息实际上，高压缩比给活塞顶和燃烧室的设计带来很大难度，会出现在overlap（进排气同时开启完成扫气）时活塞顶与缸盖的间隙阻塞了气流（而一般情况下气流并不会被这一因素所限制）。高压缩比还会给喷油雾化带来难度导致颗粒物排放提升（因为喷油嘴距离活塞顶可能会更近，导致油束喷到活塞顶上无法雾化和良好燃烧。高压缩比阿特金森循环会导致缸内气体流动降低使得放热率变慢，因为进气门早开会导致等到火花塞点火的时候进气气流的动能已经消失殆尽，而气体流动状态决定油气混合的质量和火焰前沿传播速度。如果气门晚关，留给喷油的时间就变短了（否则喷油会流回进气道）。大量数据说明，通过改变气门关闭时间降低泵气损失带来的改善、其中有近一半会损失在气流方面，导致实际的效率提升只有理论数值的一半。另外喷油雾化的问题还会影响到颗粒物的排放。到了2020年的排放法规，颗粒物排放会是汽油机最大的难点。

6）核心问题其实这些都告诉我们，不管是增压还是压缩比都不能太高。 增压过高就会因为热管理和压缩比而损失热效率。压缩比太高，气流，摩擦损失和热传递会受到影响。最终边际效应就会体现。而这些问题恰好可以通过增压和米勒循环的配合弥补。靠增压小排量降低摩擦损失，降低低载泵气损失，并且靠增压来提高气流动能从而加快燃油雾化和燃烧放热速率。同时提高气门的自由度相互辅助。另外，现在正处在研发阶段的可变压缩比技术也将会帮助两个技术路线更佳融合。所以我们可以理解为，在燃烧方面我们寻求较高压缩比带来的效率，而在进气方面我们寻求小排量化带来的效率。那么现在核心问题来了。

*****有谁说增压小排量发动机就不能和高压缩比米勒循环共存了？我们何必要进行路线之争？*****

实际上，我们正在研发（包括其他主机厂）的正是高压缩比增压小型化发动机。增压比12以上，高增压压力，弥补米勒循环带来的功率和扭矩损失。如果我们回顾内燃机发展历程的话。最早的高功率增压发动机（斯巴鲁，三菱那种）属于大功率化发动机。他们的设计初衷和现在我们讨论的小排量化完全不是一码事。大功率化的目的并不是低载荷油耗，而是为了压榨输出。但是现在的增压的目的是油耗。第二代的增压（比如大众1.4t）是增压加直喷加气门正时可变。其实，气门正时可变，在某种程度上就是米勒循环。所以，增压直喷，和高压缩比米勒循环实际上就像左脚右脚。由于历史原因，原本技术优势原因，欧美和日本选择先迈出不同的脚。但是下一步的发展必将是两者的融合。就想丰田本田现在也在搞小型化增压，欧美也在搞高压缩比米勒循环。没有必要进行路线之争。没有任何证据证明两个路线不能交叉。其实就想我们穿衣服一样，天冷了加衣服，天热了就脱。没人会一直在夏天穿着棉袄自称是棉袄路线正确。

fissa

“插句题外话，其实搞技术的有时候和搞政治很像，你想要得到什么结论，就故意展示某方面的数据，某种程度上误导读者。”

BlackGold

像生命般进化，包括电动车技术也是。

214215641

不错，看完了，阿特金森循环就不说了俺懂，米勒循环和奥托循环有什么区别，文章里木有提到奥托，求科普

fissa

214215641 发表于 2016-7-4 00:03
不错，看完了，阿特金森循环就不说了俺懂，米勒循环和奥托循环有什么区别，文章里木有提到奥托，求科普

百度下~· Atkinson cycle，Miller Cycle，Otto Cycle

天下无斑

214215641 发表于 2016-7-4 00:03
不错，看完了，阿特金森循环就不说了俺懂，米勒循环和奥托循环有什么区别，文章里木有提到奥托，求科普

奥托循环就是我们普通车辆用的循环，压缩比等于膨胀比。  阿特金森循环因为结构复杂，故障率高，其实目前没有商用车采用，包括丰田的混动宣称的阿特金森循环其实也不是，那是米勒循环，但因为这个先被马自达用了，丰田不愿步人家后尘，还是宣称阿特金森，不知阿特金森的后人能否来收专利费。

米勒循环是什么呢？  就是沿用了阿特金森的思路，在传统奥托循环的基础上做了点改进，使这个技术变得简单易用。 一般压缩行程进气门是关闭的，但米勒循环是推迟点关闭，有部分混合气推出到进气歧管，燃烧的混合气就少了，所以省油。 但米勒循环的低扭孱弱，要么像丰田那样用电动机补低扭，要么像马自达用双循环。