高轉發動機為什麼快死絕了?

蘿蔔報告 發佈 2020-04-16T06:52:08+00:00

可排量小,但馬力又不輸給渦輪機的高轉速發動機為什麼也一同消失了呢?所以,如果要想克服高轉速發動機所帶來的氣門浮動問題,就需要在氣門彈簧、凸輪軸角度甚至是氣門重量上下功夫,才能徹底避免在高轉速下因為氣門浮動所導致的進排氣問題。

自打汽車誕生,人類就一直在通過擴大排量和拉高轉速兩種方法來提升發動機馬力。通過這兩種手段造出來的發動機,也一直被車迷們奉為掌上明珠。可如今,無論是大排量還是高轉速發動機,在國際舞台上都已逐漸銷聲匿跡。

高昂的稅費和持續上漲的油價都是促使大排量發動機走向滅亡的根本原因。可排量小,但馬力又不輸給渦輪機的高轉速發動機為什麼也一同消失了呢?難道時代變了,大家都不喜歡那種高亢的機械交響樂了嗎?

要想知道高轉發動機為什麼會滅絕,還得先知道它到底是如何打造的,這樣才能更好的理解高轉發動機滅絕的原因!

想要提高轉速,單純靠多吸氣和多噴油是無法實現的,因為發動機的配氣系統才是限制轉速上升的根本因素。眾所周知,氣門是需要用凸輪頂住才能打開的,然後再靠氣門彈簧將氣門頂回初始位置,從而保證燃燒室緊閉。

但隨著轉速升高,氣門每次的開合時間也會相應減少,最終給予氣門彈簧將氣門拉回的時間也會減少。可一旦氣門還沒歸位就被再次頂開,那就會產生所謂的氣門浮動。這時發動機的整套配氣系統將徹底亂套。所以,如果要想克服高轉速發動機所帶來的氣門浮動問題,就需要在氣門彈簧、凸輪軸角度甚至是氣門重量上下功夫,才能徹底避免在高轉速下因為氣門浮動所導致的進排氣問題。

解決了氣門問題後,還需要考慮動平衡。由於氣缸內大部分零件都處於高速旋轉狀態,那麼隨著轉速增加,內部零件所產生的離心力也會呈幾何倍數增長。這時便會對發動機的動平衡提出非常高的要求。

通常來說,一台民用發動機的紅線轉速都在6000-7000rpm之間,所以民用級發動機的動平衡也只需要滿足這個轉速區間就可以了。哪怕再算上500rpm的冗餘量,也僅僅只需要保證發動機在最高7500rpm時不出問題就足夠了。但當民用發動機在面對動輒8000轉,甚至9000轉的轉速時,通常動平衡就會出現抖動的問題了,嚴重的甚至會拉瓦乃至爆缸。

所以,如果要想大幅度提高發動機的轉速,除了氣門浮動問題,還要解決發動機各項零件的平衡。其中至關重要的就是曲軸和凸輪軸這兩個高速旋轉零件的平衡性,所以就得把這些零件各個地方的重量差距精準到零點幾克甚至更高的水平。如此一來,就需要更加精準的開模,並配合更高級的製作水平了。

除了要做好發動機內的動平衡外,隨著轉速的提升,發動機運轉時相關部件所產生的應力也會隨之增加,這時就需要更好的鋼材來彌補材料強度上的不足。

在進行高速往復運動時,活塞連杆會因轉速的增加而承受更多的力。可當力量達到一定高度後,活塞連杆就有可能會出現斷裂。所以對於高轉發動機來說,活塞連杆的強度和重量都是需要著重解決的問題。

不過,哪怕解決了活塞連杆的問題,發動機的曲軸和活塞也將會成為下一個弱點。其中曲軸因為高速旋轉且還需要將力量傳遞給其他活塞,所以相對來說它對於材料強度的要求會明顯高於活塞。

而活塞由於會在高速往復運動時與氣缸壁進行高頻次摩擦,所以也會對活塞環的潤滑以及耐熱性產生極高的要求。好在解決方法比較簡單,只需要更換強度更好的鋼材、甚至提高活塞和曲軸的製造方式,例如鍛造就可以解決。

一般情況下,一台民用發動機都會採用長衝程加小缸徑的設計,從而最大程度增加活塞與曲軸之間的力臂,並提高發動機低轉速下的扭矩。但過長的發動機行程會導致單次往復的距離(周長)也就越遠,實現高轉速自然是沒有可能。

正因如此,為了滿足高轉速的需求,發動機在設計時必須要選擇往復距離更少的短衝程,同時為了保證排量不會因衝程減少而降低,還需要大幅度擴充缸徑。

綜上所述,如果廠家要想打造一台高轉速發動機,那就需要重新設計曲軸、連杆、活塞、氣門、凸輪軸和缸體。這樣複雜的工作肯定會帶來超高的成本。此時再加上高轉發動機對於材料方面以及動平衡的要求,所以成本更是會急劇增加。

而現在的主機廠為了節省成本,早就轉投「模塊化發動機」陣營了,先設計出缸徑相同的單缸模板,然後再通過改變活塞的行程和缸體數量從而達到調整發動機排量的目的,以此來滿足不同車型的需求。

可高轉速發動機卻很難誕生於這些窄缸徑的模塊化發動機之下,因為如果缸徑不能變,那就只能通過減少發動機行程來實現降低活塞往復時間的目的了,但這樣勢必就會降低發動機的排量。可對於高轉速引擎來說,大幅砍掉排量,最終的馬力也會變的慘不忍睹。

2.4L的V8發動機

當然,解決辦法也不是沒有,雖然使用模塊化單缸強行製造高轉速發動機會導致排量變小,但排量不夠可以用缸數來湊。不過這樣一弄,這台發動機的研發製造成本便會呈直線上升了。

此外,再加上滿足發動機動平衡標準所需的高精度凸輪軸、曲軸所帶來的成本,其實打造一台高轉發動機的難度和成本都是很高的。也正因如此,現在大部分廠家只要不涉及高性能車,都是絕對不會打高轉速發動機主意的。因為就算造出來了,一般消費群體也承受不起。

除了發動機成本所帶來的價格飆升,對於消費者來說,高轉引擎的日常駕駛性也十分堪憂。受限於針對高轉速下動力的優化,以及短衝程所帶來的影響,高轉發動機在任何時段的扭矩都可以「悲慘」二字來形容。

比如本田S2000上那台著名的F20C引擎,雖然馬力達到了令人瞠目結舌的250匹,可它的最大扭矩卻只有203牛·米,且還需要在7500轉才能爆發。所以在日常駕駛時,你絲毫感受不到什麼叫做「VTEC Kick in」,圍繞著你的恐怕只有起步無力和加速緩慢了。而這種尷尬只有當你把轉速踩到6000轉,踩到路邊吃瓜群眾像看傻子一樣看著你時,才能有所緩解。

而現如今,面對動輒1400轉就可以爆發出最大扭矩的小排量渦輪機,那些高轉速引擎的先天「殘疾」更會被無限放大。對於普通駕駛者來說,如此孱弱的低轉速扭矩,便會先入為主認為車輛動力不好,誰還管它100多匹的驚人升功率和8000轉爆發的最大馬力啊!大機率只會留下一句:這台破發動機還不如1.0T三缸來得爽呢!

為了彌補低轉速下糟糕的扭矩表現,一台高轉速發動機肯定也會使用減速比更大的變速箱,來保證日常的動力輸出。這時就會引發高轉速發動機的第三個缺點--油耗高。在高轉速情況下,發動機除了多吸氣多噴油會影響油耗外,單位時間內氣缸壁與活塞環之間的摩擦次數也會增加,這種額外的摩擦力勢必會增加油耗。

所以大家不要看到那些高轉速發動機的排量小,就理所應當的認為它們會省油,實際上在日常駕駛時,10L/100km的油耗肯定是逃不掉的。如果再加上堵車,需要頻繁高轉速起步的話,那麼達到15-20L/100km也不是什麼難事。

除了高油耗需要讓廠家出血交罰款外,過高的排放污染也是高轉速發動機不可逾越的鴻溝。由於轉速過高,所以高轉速發動機對於排氣阻力有著十分苛刻的要求。可如果為了環保提高三元催化器的密度,便會直接影響到高轉引擎的動力輸出。

可惜,目前車企在應對愈發嚴苛的排放法規時,只能通過提高三元催化器密度,這種增加排氣阻力的方法來降低有害物質的排放。過大的排氣阻力顯然是對高轉速引擎不利的,甚至可能會導致一台高轉速發動機在7000轉以後,動力輸出就呈現出下滑趨勢。這樣的話,7000轉以後的轉速除了聽個響,也就沒什麼用了。

高轉速發動機富有魅力是毋庸置疑的,但在製造和使用上的種種問題,又讓其連帶了不少缺點。而這些缺點此前之所以沒被拿到檯面上說,主要是因為早期渦輪增壓發動機的問題也不少。

可隨著技術提升以及小號渦輪的適配,以往渦輪機低轉扭矩太差的問題也隨之消除,此時再加上渦輪機對於排氣速度的低要求,高轉引擎的缺點便瞬間顯露無疑了。與此同時,高轉發動機昂貴的製造成本也與新時代的發動機模塊化設計背道而馳,最終高轉引擎消逝在歷史長河之中也就不足為奇了。

不過,凡事都要往好的方向去看,雖然高轉速發動機在民用領域已經完全消失了,可在追求馬力的賽車、改裝領域,高轉發動機依然是最優的解決方案。畢竟在不考慮成本和排放的前提下,高轉自吸引擎絕對都是最線性、最高亢的那個!

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