董學(xué)鋒
(北京長城華冠汽車研發(fā)有限公司,北京 101300)
主題詞:乘用車發(fā)動機 缸徑和行程 經(jīng)驗值范圍
傳統(tǒng)汽車是靠發(fā)動機驅(qū)動的,發(fā)動機的動力用來克服汽車的滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力以及加速阻力等,汽車的質(zhì)量(重量)越大,需要的動力也越大。速度越高,需要的動力越高,汽車運行時的阻力功率與質(zhì)量及速度成正比,空氣阻力功率與車速的3次方成正比,高速行駛時,空氣阻力的占比達70%以上,因此要實現(xiàn)更短的加速時間、更高的車速,需要更強大的發(fā)動機功率來支撐。圖1是三廂轎車的整車整備質(zhì)量與發(fā)動機功率的需求圖,按整車的最高車速和加速時間的要求,可將功率需求劃分為6個級別(X0.6~X1.6),級別越高,動力性越好。
在汽車的型號中,載貨汽車車型號含有總質(zhì)量信息,大客車含有車長信息,轎車含有排量信息,可見排量反映了轎車的主要特征,通常用排量來表達轎車的級別,即大排量轎車和小排量轎車。通常同一款或不同款轎車總是有排量標(biāo)識與品牌標(biāo)識的組合貼在汽車后方的顯要位置。近年隨著技術(shù)的進步,汽油發(fā)動機的多點氣道噴射、增壓技術(shù)和缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,汽車發(fā)動機的升功率和升轉(zhuǎn)矩已大幅提高,一些汽車企業(yè)已淡化了排量的標(biāo)識,而不再把“排量”直接貼在汽車后部,而是在汽車后部彰顯“動力指數(shù)”。
圖1 發(fā)動機功率與整車整備質(zhì)量
除了附加電動之外,排量的大小依舊是發(fā)動機內(nèi)燃動力的關(guān)鍵因素,排量大,內(nèi)燃動力才大,內(nèi)燃動力與排量成正比,圖2表征發(fā)動機功率與排量的關(guān)系,Pe=53.81V(Pe為發(fā)動機功率,V發(fā)動機排量),這是多點電噴發(fā)動機功率的平均值與排量的統(tǒng)計關(guān)系,53.81是平均升功率,將“多點噴射+增壓”、直噴、“直噴+增壓”合并一起取平均值,得到Pe=73.40V,說明采用“多點噴射+增壓”、或直噴、或“直噴+增壓”等技術(shù)后,發(fā)動機的升功率提高了近20 kW/L。但不論如何,排量如同人的“肺活量”,是澎湃動力的關(guān)鍵因素。
圖2 發(fā)動機功率與排量的關(guān)系
發(fā)動機排量是發(fā)動機往復(fù)運動中活塞掃過的容積,即:
式(1)中的D為發(fā)動機缸徑,S為行程,N為氣缸數(shù)。從式(1)中可知,發(fā)動機總排量是單缸排量與缸數(shù)之積,在乘用車用發(fā)動機中,缸數(shù)有2、3、4、5、6、8、10、12,從布置型式上分有B(對置)、L(直列)、V(V型)、W(W型),圖3表達了總排量V與缸徑D及缸數(shù)N的關(guān)系。
圖3 缸徑、缸數(shù)與排量的關(guān)系
滿足同一個單缸排量Vh有無數(shù)個組合,但從結(jié)構(gòu)與性能上考慮一定會有一個較佳的范圍,圖4是以發(fā)動機的缸徑為橫坐標(biāo),行程為縱坐標(biāo),計算出的單缸排量的曲線族,圖中給出了從150~750 mL的曲線,線上的點都滿足對應(yīng)線上標(biāo)出的單缸排量的數(shù)值要求。
圖4 缸徑、行程與單缸排量的關(guān)系
統(tǒng)計全球乘用車用發(fā)動機的排量、缸徑、行程、缸數(shù)、功率等相關(guān)信息,將其中的結(jié)構(gòu)參數(shù),缸徑與行程關(guān)聯(lián),得到現(xiàn)有乘用車的散點圖,如圖5所示,圖中的點主要集中在S=-0.016 4D2+3.28D-74的附近,落在S=(0.9~1.1)(-0.016 4D2+3.28D-74)的點相對集中,即在X0.9線和X1.1線之間區(qū)域,落在X0.8線和X1.2線之外的區(qū)域的點很少,即對于設(shè)定的缸徑,其行程S,控制在S=(0.8~1.2)(-0.016 4D2+3.28D-74)的范圍內(nèi),在經(jīng)驗上可行。
圖5 發(fā)動機的行程與缸徑分布
將柴油機的樣本提出,單獨放在圖6中,可見與總體相比,柴油機的缸徑與行程分布偏向上方,靠近X1.1線附近的居多。
圖6 柴油發(fā)動機的行程與缸徑分布
在發(fā)動機的開發(fā)中,行程與缸徑的比值通常作為重要的主參數(shù)之一,這一參數(shù)極大地影響著發(fā)動機的性能,缸徑大、行程短的發(fā)動機稱為短行程發(fā)動機,行程大的發(fā)動機稱為長行程發(fā)動機;短行程發(fā)動機,缸徑大(S/D小),氣閥的面積會大,活塞行程短,利于提高功率。在乘用車中,匹配大排量發(fā)動機的車型,關(guān)注動力性更強勁,強調(diào)大功率,所以行程與缸徑比(S/D)會適當(dāng)減小,從以缸徑D為橫坐標(biāo)、S/D為縱坐標(biāo)的圖7中也可知,大排量發(fā)動機S/D在0.8~1.0之間的占多數(shù),而小排量車型,配備長行程發(fā)動機多,強調(diào)經(jīng)濟性,降低油耗,S/D 1.0~1.2之間的占多數(shù)。S/D隨D的增大而降低,平均為y=1.5-0.005 5D,整個區(qū)域在y=(1.65~1.3)-0.005 5D之間,這是給出的經(jīng)驗區(qū)域。
圖7 發(fā)動機的行程缸徑比
既然是統(tǒng)計了全球發(fā)動機的缸徑和行程(圖5~圖7),當(dāng)然也就包含全球主要汽車OEM的發(fā)動機,為了比較一下當(dāng)前的主要OEM的產(chǎn)品及產(chǎn)品在S/D圖中的定位,分別將德國寶馬、德國奔茨、德國大眾奧迪、日本豐田、日本馬自達共6家公司的S/D定位展示于圖8中,可以說各家的占位五花八門,德國寶馬集中在單缸排量上,德國奔茨的缸徑稍集中,德國奧迪缸徑和行程的范圍都比較窄。
圖8 主要OEM的S/D定位
將樣本按發(fā)動機的缸數(shù)或發(fā)動機的型式來區(qū)分S/D的定位,如圖9所示,可分為直列3缸機(左下)、直列4缸機(左上)、V型6缸機(右上)、V型8缸機(右下),這4種是車用發(fā)動機較多的型式。
圖9 按缸數(shù)及型式區(qū)分的S/D定位
文中的樣本是來自于現(xiàn)有產(chǎn)品目錄,其缸徑與行程的參數(shù)幾乎包含了近幾年全球乘用車用發(fā)動機,當(dāng)年的文獻[1]也介紹了相關(guān)內(nèi)容,只是當(dāng)時認(rèn)識較膚淺,技術(shù)數(shù)學(xué)化能力欠缺,今算是進一步完善?!按嬖诩春侠怼?,“理在事后,理是萬物之本”??偨Y(jié)前人的經(jīng)驗,會對后來的開發(fā)有所幫助。雖然缸徑和行程在發(fā)動機深奧的技術(shù)中是“淺表”參數(shù),但是很重要,對發(fā)動機性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和整車匹配有重要意義。通過統(tǒng)計、歸納和總結(jié)全球汽車發(fā)動機缸徑和行程參數(shù),對于主機廠規(guī)劃、開發(fā)新型發(fā)動機主參數(shù)選擇具有指導(dǎo)價值。