德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

关于德系发动机与日系发动机谁更好,一直都是很多朋友争论的对象;实际上二者在几十年前分别走上两条不同的发展之路,可以说无论在理念方面,技术方向,德系与日系都存在着很大的不同之处;对于内燃机来说,燃烧就是本质,但也同样是最难攻克的问题,各位也都清楚提高内燃机的燃效有多难?几十年来也仅仅是提高了几个百分点而已;所以德系车企很理性的看待了这个问题,与其花费时间,金钱去博一个可能性,不如踏踏实实的搞涡轮增压,既可以更容易的提高升功率,提高低转速下的扭矩;又能降低排量而实现发动机的小型化,轻量化,最重要的是可以让发动机低转速化,减少高转速的摩擦损耗,所以说涡轮增压技术的确为提升动力以及降低油耗做出了很大贡献,因为这是个两全其美的路线,德系车企的思路在于不指望燃料的燃烧能释放更多的能量,但可以通过其它方式降低能量的损耗,这就是涡轮增压产生的实际意义;而日系车企则不然,他们没有回避掉内燃机燃烧的本质,他们想通过提高燃烧效率的方式来让燃料释放更多的可用于做功的能量,所以日系车企这么多年来一直回避涡轮增压;而德系车企则不谈燃效,所以这么多年德系,日系的发展方向渐行渐远;不过随着十几年的各走各路之后,德系,日系又开始逐渐相互接受对方的思路,或许德系,日系发动机在未来的发展中,终究会存在交集!

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

压缩比

日系车的发展思路

实际上在日系车最原始的发展思路中,本来就没有涡轮增压这一环,日系车企更喜欢针对燃烧的本质去进行攻坚,简单点说就是想通过相应的办法不断的去提高压缩比,从而使自己的发动机在提高热效率的同时,获得更大的动力,也就是说在日系车企最初的设定中就是想依靠不断提高发动机效率(发动机效率可分为热效率,推进效率,总效率),而发动机效率的提高理论上是可以获得更大动力以及更好的燃油经济性的(也就是说二者可以得兼,简单点说就是每循环内浪费的燃油量被降低,所以省油了,而在高压缩比的作用下,动力自然增强),而想要提高发动机效率,增加机械压缩比是最直接,也是最有效的方式,所以在直喷技术的辅助下,日系车的压缩比真的做了上去,比如丰田的2.5L发动机的机械压缩比做到了13,但过高的压缩比又受到燃油品质的限制,比如发动机为了防止爆震会自动推迟点火时间,这样一来发动机的实际压缩比就降低了(机械压缩比是固定的,但燃烧时的实际压缩比却是根据具体的实际情况而改变的,当然这与日产的可变压缩比是两回事,因为日产的可变压缩比变的是发动机的机械压缩比),所以预期中的更低油耗,更强动力在实际燃料环境中很难实现;

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

可变气门技术

所以日系车企在民用车方面尝试了多年的自然吸气,终究很难达到最初的设定;高压缩比受到燃料限制,高热效率受到转速限制(最高热效点在固定的转速区间),所以无论是动力还是省油,都无法达到预期;因为对于自然吸气发动机而言,想要获得动力依然需要靠拉升转速来实现,转速高了就与发动机低转速化的大方向相悖,其次高转速对于燃烧质量,排放都有着很大的影响(高转速跃过了最佳燃效区间);当然为了解决高转速时的进气不足问题,日系车企率先研发了可变气门技术,以及后期的升级版可变气门升程(原理就是延迟关闭气门的时间,增加气门的开启角度,因为发动机高转速时,气门开启时间太短暂,不足以完成进气,排气,所以才产生了各类可变气门技术),高转速下的确改善了自然吸气发动机的动力性,但高转速下的油耗就抑制不住了,不要去想什么高热效率,因为最高热效率转速区间往往在2500-3000转以内(丰田2.5L发动机),这个转速区间是很尴尬的,匀速巡航低于这个区间,而给油加速发动机转速又很容易高出这个区间,所以高热效率发动机在台架上固定转速区间运行可以获得超理想的燃油经济性,但放到车上就是另一码事了,效率再高实际用车时达不到也没用;所以日系车企利用高热效,高压缩比的方式相同时获得动力,低油耗的想法是不切合实际的,但在未来或许可以成功!

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

CVT发动机的工作原理

很多朋友会抱怨,为什么日系车企很喜欢用CVT变速箱?成本优势是一方面,但主要的是CVT可以通过随意改变转动半径的两个轮子来将发动机转速牢牢控制在最佳燃效转速区间,这就是CVT的厉害之处;比如2.5L的凯美瑞,120千米匀速行驶,转速可能仅仅在2000转左右(甚至会更低),这样距离2500转的最佳燃效转速还低了一部分,可给油拉高转速,车子就超过了120千米的限速,而降低挡位来保持2500转以上,行进效率又低了,所以即便有40%的热效率但在实际用车中根本发挥不出来;这个时候CVT的优势就出来了,它可以时刻将转速控制在最佳燃效转速,比如100千米时,转速压在2500转;当车速上升到120千米时,发动机转速还可以控制在2500转(130千米时估计也行),所以这就是CVT的独到之处,虽然CVT的缺点一大堆,但想将日系发动机的理论高热效转变到实际,还真离不开它;

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丰田40%热效率发动机

德系车的发展思路

德系工业领域自带豪门光环,所以在解决问题时更加灵活,豪门子弟不怕输,所以德国设计师的思维很灵活,总会有天马行空般的想象;所以德国人在面对发动机的发展之路时毅然决然的走向了增压之路(机械增压,涡轮增压),而回避了内燃机燃烧的本质;利用涡轮增压器这个外挂成功的实现了发动机低转速化,减少了高转速带来的摩擦功损失,也避免了自然吸气发动机高转速时的燃烧不良,燃烧不良的问题,还让发动机低转速下的扭矩变得更加充足,实话说鄙人认为涡轮增压发动机开着很舒服;涡轮增压发动机在实现与自然吸气发动机同样级别的功率,扭矩时,可以拥有更低的排量,排量降低了自然可以让发动机小型化,小型化就代表了发动机可以变得更轻,而更轻的发动机可以让车子行驶时的载荷变得更低;所以德系涡轮增压发动机虽然热效率偏低,通过燃油燃烧产生的能量比不上台架上的日系发动机,但它实现了低转速(喷油少,摩擦损耗小),轻量化(行驶载荷低)从而也达到了省油的预期;而同排量下的涡轮增压在动力上尤其时低钮更是远胜日系自然吸气发动机,小排量自然吸气发动机是可以通过高转速来实现不输涡轮增压的动力,但低钮不足的短板无解,谁没事总能拉高转速?如今拥堵的路况又怎么会提供拉高转速的场景?而又因为涡轮增压器又能拓宽发动机的高效区间,所以涡轮增压是内燃机未来发展中不可缺少的一环;

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涡轮增压系统

就这样德系车利用不断的增压化,小型化换取了多年的成功,实际上的动力感受良好,测试工况下的油耗成绩优异,所以这么多年来德系涡轮增压战略玩的风生水起,但虽然提供了充足的动力又保证了燃油经济性,但终究要面对更加严峻的排放规则考验,而想提高排水平放就必须实现低温排放;这个时候德国人就不得不考虑米勒循环了(阿特金森的大表哥,阿特金森通过进气门晚关来实现;米勒通过进气门早关来实现;阿特金森适合自然吸气发动机;米勒适合涡轮增压发动机),依靠米勒循环可以有效降低发动机的排气温度,而排放温度的降低就可以有效减少氮氧化物的排放;下面列举3个化学反应方程式。。。

  1. O+N2=NO+N,反应温度在2000开以上,实际温度=2000-273.15(0度)=约1727度
  2. N+O2=NO+O,反应温度在300开以上,实际温度=300-273.15(0度)=约27度
  3. N+OH=NO+H,反应温度在300开以上,实际温度=300-273.15(0度)=约27度,开代表开尔文

所以通过上述三个汽油燃烧时的连续反应式,我们可以看到第一个反应式是建立在1727度的高温条件下,而二,三反应都建立在常温下,而如果我们可以终止第一个反应的产生,那么后两个反应就不会出现,而想避开第一个反应的产生,就必须保证缸内温度低于1727度(这个温度指的是燃烧后的气体温度,并非经过散热系统降温后传递到机体上的温度,所以朋友们不要觉得这个温度会把发动机融化,等传递到机体上的温度就很低了),只要避开第一个反应的生成,就能彻底消除尾气中的NO(一氧化氮,而二氧化氮本身就很少,所以忽略不计,需要解决的就是一氧化氮);而大多数发动机在每个循环至少都有30度(曲轴转动角度)以上的时间保持在2000度以上,甚至个别时候温度可达2200度以上,所以这就是奥托循环内燃机的实际工况,想让缸内气体温度低于1727度几乎是不可能的,所以这个时候德国人也没辙了,为了应对排放减少尾气中的氮氧化合物,就只能选择米勒循环,因为米勒循环属于低温循环,所以容易实现更低的缸内温度,所以可以最大程度的避免N的产生,所以排放中的NO(一氧化氮)就会被很好的控制;所以德系车企以及欧洲那几大内燃机巨头如AVL,FEV等等都开始研究米勒循环技术。

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

奥托,米勒循环对比图

其实写到这,很多朋友都能发现,德系与日系在获取所需时,都会走向对方的发展道路;比如日系车企把双循环玩的很到位,高压缩比极高热效率,排放水平也很高;但动力,小型化,低速化做的不好,所以日系车企开始对民用车投放涡轮增压技术(日系车企过去认为涡轮增压器只属于性能车,赛车而不属于买菜车);而德系发动机做到了动力足,小型化,低转速化,但面对严苛排放法规就显得无力,所以也及时的玩起了米勒循环,所以德系与日系在分道扬镳几十年后,似乎又有了相容的趋势。。。所以德粉,日粉还要互喷下去么?未来内燃机的发展趋势必然是殊途同归。。。米勒(阿特金森)+涡轮增压(混动)=德系,日系发动机共同的未来,只不过增压发动机的发展是完全一致的,但德国人(欧洲人)恐怕接受不了混动那孱弱的动力,虽然丰田开放了混动技术,但欧洲人会不会买账就不好说了;至于单纯的自然吸气发动机在未来一定会被涡轮增压,混动所彻底取代!

德系发动机与日系发动机究竟谁更代表未来的内燃机发展趋势

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