自吸VS增压（转）

前些日子马自达的人见光夫发表了一个演讲，在其中痛斥了涡轮增压小排量发动机的油耗。并且强调了马自达高压缩比自然吸气发动机的优势。这一石激起千层浪，攻城狮们也在网上发起了关于发展路线的各种争论。不过似乎谁都无法说服谁。车叔在这里理性的分析一下。不管您是哪一派的，相信您看完之后都会有所帮助。-------前方大量技术内容，慎入-------其实这个讨论很有意思的，车叔自己也曾经思考过这个问题。里面有很多东西可以展开说，并且涉及了很多汽车动力总成开发最核心的东西。首先，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化，什么是高压缩比自吸。对技术讨论没有兴趣的领导们可以直接看第六条结论 6）。1）到底什么是小排量化小排量化的目的是帮助降低内燃机平均摩擦损失，而NA发动机的摩擦损失会非常高，这是因为压缩比高了，发动机的最大单位载荷降低，需要很大的排量才能够达到相同的扭矩输出（这就是为什么马自达一直在用自己的2.0-2.4L和1.0T-1.4T对比）。这就导致自然吸气发动机会有更多的摩擦部件（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，进气机构的摩擦损失在低转速时可以占总摩擦损失的近一半）和更大的热传递损失（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），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（同排量情况下，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，摩擦件的数量也少了。减少了轴承，气门，活塞环等等各处的损失。在一般发动机上，这些摩擦损失往往能够综合占到20%这个数量级，甚至更多。第二个小排量化的好处是减小泵气损失。在原始自吸汽油机上，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中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。这样主机厂批量生产不同机型的成本大大降低（实际前期开发成本会上升，因为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，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）到底什么是高压缩比自然吸气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）。同时，由于使用了米勒循环，在中低载荷的时候不用关节气门，从而降低了泵其损失。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，否则缸内压力和温度过高，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没有闭缸技术的产品，这也是不公平的对比。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作点），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（在开关闭缸模式的时候会有额外的损失，但是这是为了让闭缸模式切换过程变得平顺），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，有闭缸技术的发动机上一般会有个最长闭缸时间限制，比如10分钟（也就是说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）。马自达演讲中用到的油耗数据对比 （国内翻译的有问题，Y轴应该是平均燃油消耗率BSFC）（图中对比了1500转和2000转两个转速的数据，显示有闭缸技术的马自达发动机的油耗在40Nm以下和没有闭缸技术的增压发动机持平，在80Nm以上比增压发动机省油）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，自吸发动机一但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（以及其他主机厂）正在研发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。就像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。网上有些人说欧洲排放标准是为了保护欧洲企业，但是现在有哪个企业敢只在某一个市场卖车？要想把车卖到其他市场，都需要满足当地的排放标准。路线之争是没有必要的。也没有任何证据证明两个路线不能交叉。其实就像我们穿衣服一样，天冷了加衣服，天凉了就脱。没人会一直在夏天穿着棉袄自称是棉袄路线正确。我们出去旅游肯定要多带几身衣服适应不同的气温和场合。前些日子马自达的人见光夫发表了一个演讲，在其中痛斥了涡轮增压小排量发动机的油耗。并且强调了马自达高压缩比自然吸气发动机的优势。这一石激起千层浪，攻城狮们也在网上发起了关于发展路线的各种争论。不过似乎谁都无法说服谁。车叔在这里理性的分析一下。不管您是哪一派的，相信您看完之后都会有所帮助。-------前方大量技术内容，慎入-------其实这个讨论很有意思的，车叔自己也曾经思考过这个问题。里面有很多东西可以展开说，并且涉及了很多汽车动力总成开发最核心的东西。首先，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化，什么是高压缩比自吸。对技术讨论没有兴趣的领导们可以直接看第六条结论 6）。1）到底什么是小排量化小排量化的目的是帮助降低内燃机平均摩擦损失，而NA发动机的摩擦损失会非常高，这是因为压缩比高了，发动机的最大单位载荷降低，需要很大的排量才能够达到相同的扭矩输出（这就是为什么马自达一直在用自己的2.0-2.4L和1.0T-1.4T对比）。这就导致自然吸气发动机会有更多的摩擦部件（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，进气机构的摩擦损失在低转速时可以占总摩擦损失的近一半）和更大的热传递损失（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），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（同排量情况下，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，摩擦件的数量也少了。减少了轴承，气门，活塞环等等各处的损失。在一般发动机上，这些摩擦损失往往能够综合占到20%这个数量级，甚至更多。第二个小排量化的好处是减小泵气损失。在原始自吸汽油机上，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中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。这样主机厂批量生产不同机型的成本大大降低（实际前期开发成本会上升，因为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，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）到底什么是高压缩比自然吸气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）。同时，由于使用了米勒循环，在中低载荷的时候不用关节气门，从而降低了泵其损失。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，否则缸内压力和温度过高，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没有闭缸技术的产品，这也是不公平的对比。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作点），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（在开关闭缸模式的时候会有额外的损失，但是这是为了让闭缸模式切换过程变得平顺），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，有闭缸技术的发动机上一般会有个最长闭缸时间限制，比如10分钟（也就是说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）。马自达演讲中用到的油耗数据对比 （国内翻译的有问题，Y轴应该是平均燃油消耗率BSFC）（图中对比了1500转和2000转两个转速的数据，显示有闭缸技术的马自达发动机的油耗在40Nm以下和没有闭缸技术的增压发动机持平，在80Nm以上比增压发动机省油）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，自吸发动机一但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（以及其他主机厂）正在研发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。就像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。网上有些人说欧洲排放标准是为了保护欧洲企业，但是现在有哪个企业敢只在某一个市场卖车？要想把车卖到其他市场，都需要满足当地的排放标准。路线之争是没有必要的。也没有任何证据证明两个路线不能交叉。其实就像我们穿衣服一样，天冷了加衣服，天凉了就脱。没人会一直在夏天穿着棉袄自称是棉袄路线正确。我们出去旅游肯定要多带几身衣服适应不同的气温和场合。