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国产发动机为什么落后?差距在哪里?

汽车工程师之家 2019-06-02 15:54:36

作者:8车道


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最开始喷子们说自主品牌造不出“像样子”的发动机,现在又开始喷那些“像样子”的发动机还是落后于国外品牌。

发动机身为汽车的“心脏”,很多消费者对这个东西也是非常有情怀的。只要听说这台车的发动机好,就是其它地方差一点,心里也可以接受。在现在自主品牌快速发展的今天,国产车在外观设计和车身做工上进步非常大,某些优秀产品在这些方面甚至可以赶超合资。但发动机方面,跟国外主流品牌还是存在一定差距。

但这个差距并不只是中国汽车行业的锅,要知道,普通发动机虽然在原理上很简单,但发展到现在已经变成了一个很复杂的东西。而且牵扯的学科和行业很多,比如冶炼业、铸造业、机械加工等等方面,而我国工业发展起步晚,基础薄弱,并且专注于搞经济而忽视了基础产业,造成了工业水平发展缓慢。具体表现为:

金属铸造

发动机气缸主体和其他简单结构件一般使用金属浇铸成形,具体过程又分高压铸造和低压铸造。金属融化成液体倒入模具,此过程难点在于降温凝固过程中残余应力、排气、脱模剂喷淋等导致缺陷的发生,缺陷降低了成品率,而且严重影响寿命,因为金属疲劳最怕缺陷。其次,金属材料自身的品质要求亦极高,一般是铸铁或铸铝,高品质的浇铸原材料我们不行,需从国外进口,但最近国家加强了对高品质铸铝原材料的研发,以满足航天航空的需求,将来可能会给汽车产业带来福利。

机械加工

同样的一个零件,从不同方向走线切出来,寿命是明显不同的。发动机的活塞要在缸体内千万次的来回运动,精度要求极高。差一点点,发动机的寿命可能就会受到影响。加工这些就很依赖机床,而高精度的机床和车刀基本都是购买国外的,还需要高端的技术人员。在同样的设计水平下,即使用同样的设备,不同工厂出来的产品性能是会存在差距的。

装配工艺

买回来国外先进的机器拆开,然后装不上的例子我想大家知道的很多了。确实,很多零件都需要特定的机器进行安装,每一颗螺丝的安装顺序、扭矩都需要经仪器检测。而且对装配环境要求也非常之高,活塞间隙如果混入了细小的硬物颗粒,千万次的摩擦后又会造成多大破坏呢?

先进的生产线我们可以买,高端的无尘车间我们也可以造。那高素质的装配工人呢?在“战神”GT-R的发动机上,有着象征顶级工艺的签名铭牌,上面的签名不是日产的总工程师、总设计师,而是技工,有资格纯手工组装GT-R发动机的技工。这放在国内是难以想象的,有时候相比工程师而言,我们更缺的是高素质的底层工人。我们工人得到的待遇呢?尊严呢?我们的技工仅仅是年轻人的过渡性岗位,要赚大钱要么削尖脑袋往上爬到管理层,要么去搞销售。

供应商

没有哪家的发动机是“百分百”自己制造的,都需要大量的采购零部件,供应商比如有博世、博格华纳、大陆等等这些国际零部件巨头。而国内也是有这些供应商的,比如你会发现汽车除了原厂件之外,还有所谓的“副厂”,外观基本一样,用也可以用。但你会发现,十几块一片的原厂气缸纸垫用起来很好,换了几块一张的国产纸垫,丫就是漏油!

结语:但是,随着自主品牌的不断成长,自主品牌车企自己研发的发动机开始逐渐取代了三菱的旧机器。目前长城、BYD、奇瑞、吉利等一线自主品牌都已经有了自己家的发动机厂。问题也还有,当然谁家的机器都有问题,或大或小,明显与否。和合资的差距也有,随着时间发展,这个差距会变得很小。时间时间,会给你答案......

什么是发动机转速特性曲线?

作者:车辙

消费者买车的时候,总是会关注车辆发动机的动力性。车辆的动力源泉就是发动机,因此一些对车辆性能很关心的消费者就会去仔细研究厂家给的发动机动力性参数。厂家在进行宣传时,常常会宣传车辆的最大扭矩,最大功率及其出现的转速区间。而很多车友就会对这些参数津津乐道,甚至将一些常见车型的参数背诵的滚瓜烂熟。但是,车辙要说,这些最大扭矩,最大功率等参数有用,但在我们的日常驾驶中不是完全适用。

我们举一个例子,这里我们用国产某型1.5L发动机的参数:最大功率69kW(94马力)/6000转每分,最大扭矩128Nm / 3400转每分。这个参数的意思是说,这台发动机在6000转的时候能达到他的最大功率,而在3400转的时候达到他的最大扭矩。

那么有的小伙伴可能就有问题了,为什么最大功率和最大扭矩不能同时输出在同一转速呢?

为什么发动机的最大功率转速和最大扭矩转速很多时候不一样?

首先来说,扭矩,可以粗略的说,和发动机气缸内压力成非线性正相关关系。也就是说我们可以粗略地认为,虽然表征气缸内压力的指标甚多,但一般而言,气缸内的压力越大,发动机输出的扭矩就越大。

然后气缸内的压力怎么来的呢?当然是来自于气缸内可燃混合气爆燃产生的火焰燃烧气膨胀推动活塞运动的力。当然,这个压力的描述更为复杂,而这里车辙只介绍一个参数,叫做充气效率。

充气效率的含义,直白的说,可以理解为进气量相对于气缸容量的比值。这个比值越高,进气效率越高,意味着参与燃烧的可燃混合气量越大,也就能制造更大的气缸内压力,从而制造更大的扭矩。

这个指标和我们说的最大功率转速,最大扭矩转速有什么关系吗?

当然也有关系啦!随着发动机转速越来越高,活塞的上上下下的速度就变得越来越快,气体的流动速度也就变得更快。在某一个转速区间的时候,这样加速流动的气体能够提升进气效率,让更多的新鲜空气在有限的进气门打开时间内进入气缸。但是当这个速度达到一定程度的时候,就导致效率不升反降。

比如,现在很多发动机的气门正时调节都使得发动机气门存在一个气门重叠角。(这个概念可以简单理解为,进排气门同时是打开状态)这个时候很尴尬的事情就出现了——刚刚流入气缸的新鲜空气被高速排出的废气一起裹挟出了气缸。这就反而导致了实际进气量的减少。同时,由于发动机的转速越来越快,气缸内的温度也在上升。而众所周知,温度更高的气体体积也就越大。当同等质量的气体由于温度更高,他们占据了更多的气缸内空间,从而阻碍了新鲜空气的进入。因此,高进气效率是在某一转速区间内出现的。

举个例子咯,大家都知道著名的本田红头机,以高转速自然进气出名。

本田的B18 K20这些著名高转速发动机,由于具有VTEC技术而使得其在高转速区间的动力表现非常优秀。但是这些发动机也有一个问题就是,当高角度凸轮轴介入之后,发动机在低转速区间的功率输出就变得特别的萎靡。这也是为什么赛车手在过弯的时候要采用 “跟趾” 的动作来保证发动机的转速,从而使得发动机的输出功率在争分夺秒的赛车中不会掉下来。

因此呢,这就是说,扭矩的上升,并不是完全线性正相关于转速上升的。相反,粗略而不严谨,直白的说,最大扭矩往往出现在进气效率最高的工作点的周围。

好抽象啊,能不能直白一些

好啊,那我们来看图说话。把大名鼎鼎的红头机拉走,我们还是看看那台国产某型1.5L自然进气发动机吧。这里呢就要引入一个概念,就是发动机转速特性曲线。发动机转速特性曲线指的是发动机的功率,扭矩和油耗在不同转速下的变化曲线。那么那台1.5L发动机的转速曲线就是酱紫滴:

这里的Pe曲线表示的是功率,Me曲线是扭矩,ge曲线是燃油消耗率,横轴是转速(单位是转每分)。如果单说扭矩曲线的话,能够明显的看出它的趋势是先逐渐上升,再逐渐下降的。这也印证了我们前面介绍的理论,扭矩确实是不能一直上涨的,扭矩与发动机的工况息息相关。

扭矩在下降,那功率为什么一直上涨呢?

好问题,直击核心。我们开门见山地说,实际上这里有一个小公式,很简单,车辙这就介绍给大家:

如果我们用字母T 指代扭矩,P指代功率,n指代转速,那么这个公式就变成了:

当然我们也能做一些公式的变形:

这里呢,车辙为了方便大家,已经把单位换算成大家熟悉的常用单位了。功率的单位是千瓦,扭矩的单位是牛米,转速的单位是转每分。

直观的来说,随着转速的升高,即使扭矩不变或者轻微降低,功率还是能够上涨的。同样,如果功率不变,随着转速的升高,扭矩是要降低的。这也是为什么我们看到扭矩曲线常常在高转速区间发生下降,而这个时候功率却到达了最大值。总结起来就是:

1. 扭矩不变时,随着转速的上升,功率也随之上升

2. 功率不变时,随着转速的上升,扭矩随之下降

好,那其实这里我们也明白了,直白的说,只要扭矩不掉的特别厉害,通过提升转速来“压榨”马力的做法是可行的。毋宁说,提升多少转速之后,能压榨多少马力,都是可以根据扭矩算出来的。甚至可以说,如果我们有了一条转速 – 扭矩曲线或者转速 – 功率曲线中的任意一个,我们可以直接用这个公式算出来另一条曲线。

这也说明一个什么问题呢,就是为什么绝大部分汽车的功率值到了特别高转速的时候才会下降,这是因为在那个时候发动机的扭矩确实已经掉的特别厉害了,发动机设计的结构已经不能适应那么高的转速了。

那最大功率转速和最大扭矩转速能不能完全一致啊?

能。这个看发动机调校。比如我通过提高气门升程,修改进排气正时,修改进气歧管和燃烧室形状,提高高转速下的进气效率,那自然最大扭矩就向着高转速移动,但是就牺牲了低转扭矩。这也是为什么要有各种可变气门正时技术或者可变进气歧管技术,就是保证一个较为线性,稳定的扭矩/功率输出,不管是高转速还是低转速下。

进一步讲呢,其实你们也能看到,当扭矩和功率在数值上相同的时候,我们的发动机转速要在9550转每分。对于普通民用发动机而言,这是一个几乎不可能达到的转速。这也是为什么我们总能看到扭矩的数值要大于功率的数值,根本的原因,是因为发动机的转速没有那么高导致的。

那么燃油消耗率曲线是什么呢?

这条曲线并不能通过功率和扭矩的关系计算出来。作为消费者,可以用这条曲线参考一下自己的这辆车最经济的油耗转速是多少。然后在马路上,挂上最高档,把发动机控制在这个转速,这个时候你的车速就是你这台车的最经济时速咯~

写在最后

对于一辆车而言,最大功率和最大扭矩诚然重要,但是很多时候我们却几乎很少把发动机的动力如此这般推向极限。当在城市道路中以2000多转的速度行驶时,实际上发动机的输出也就只有30多kW,这是由于转速较低导致的。但是扭矩却实实在在的保持在100多Nm以上,这是为了应对城市工况下频繁的加速减速对于牵引力的需求。

因此,当我们判断一辆车的动力是否强劲,除了关注厂商给出的最高功率和最大扭矩之外,学会使用发动机转速特性曲线才是更好的判断一辆车在日常使用条件下动力表现的捷径。



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