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汽车发动机的两个参数马力和扭矩,哪个更能体现动力性?
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汽车发动机的两个参数马力和扭矩,哪个更能体现动力性?

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小乐快跑

 
 
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2008-01-08
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作为标定工程师来凑个热闹~

顺便给lalalalalala同学做个课后拓展~

首先,前面的回答基本解释了发动机的 功率、扭矩、转速 这3个参数和汽车动力性之间的关系,

包括 @苏黎世贝勒爷 的:
1. 最高车速由最大马力决定。
2. 任何车速下,车辆的加速度由当时发动机输出的最大功率决定。
@老和山老司机 的:
动力性不止是最大扭矩和最大功率两个参数,还要看每个转速下的扭矩(功率)和转速范围
都是比较准确的表述。

作为一般用户,能完全理解这几句话就相当可以了,至少能够做到不被厂家的宣传数据所迷惑,

但是作为喜欢刨根问底的工程湿,搞明白这些还不能满足,因为有些问题仍没法解释,比如:

问题1:为什么相似功率和扭矩数据的自吸发动机和涡轮增压发动机,自吸的车加速感受明显比增压的强?

问题2:为什么越野车大多装载自然吸气发动机或者柴油机,强调低速大扭矩?

问题3:为什么豪华轿车如劳斯莱斯,6.7排量的发动机,最大功率只有400多kw,扭矩却有惊人的900Nm?




对于问题1,我想到一个更加到位的表述:

动力性影响因素除了最大扭矩、最大功率、差异转速范围的扭矩和功率外,还有差异转速差异扭矩下的扭矩响应速度。事实上,对于日常驾驶工况,扭矩响应速度对动力性的主观感受影响更大。

问题来了:什么是发动机的扭矩响应速度?

举个极端的例子:假如一款车的发动机,在1000rpm~6000rpm转速范围内,都可以输出900Nm的扭矩,很惊人了吧?但是如果告诉你,从踩下油门开始,需要经过3秒时间发动机才能达到这个最大扭矩,那这个惊人的900Nm还有用吗?对直线加速可能还有些用吧。。。

当然,前面假设的3秒的响应时间夸张了,实际涡轮增压发动机0.5秒左右的延迟是有的,视海拔、气温、转速等情况而定,而这0.5秒体现到驾驶感受上,影响就很大了。

又一个问题来了:为什么自然吸气发动机扭矩响应会比涡轮增压发动机快?

这就要提所谓的“涡轮迟滞”了。涡轮增压机的原理简单来说就是利用排气的能量带动涡轮旋转给进气增压,从而在排量不变的情况下增加进气,提高功率。但是午餐没有免费的,利用了排气能量,但是增加了排气背压;增加了进气,但是等待涡轮提速需要时间。下图所示是两种发动机的扭矩响应示意图:

驾驶员踩下油门,VCU对发动机的目标扭矩如蓝线所示,理想的情况当然是发动机扭矩紧跟目标,不大不小(这就是所谓的“跟脚”),但实际情况我们看见了:
自然吸气前半段响应快,但是很快达到自己的极限了;涡轮增压虽然最终能够达到扭矩目标、极限高,但是中间经过了很长的响应时间。
大部分日常驾驶工况,驾驶员不会把油门踩到底,也就不要求发动机扭矩出到极限,这样一来前半段扭矩响应快的自然吸气发动机,就会带来更加强烈的加速感。

那再来一个问题:响应最快的是什么车呢?

扭矩响应最快的是电动车,因为电机扭矩响应的速度大概在30ms(0.03秒),大概比发动机快10倍!由于此前很长一段时间我一直在研究混合动力汽车,顺便再提一下混合动力汽车的一个优点:我们常说的混合动力汽车的一个优点是电机可以调节发动机负荷到最佳经济区间,从而减小油耗,这是从经济性的角度,其实从驾驶性的角度,混合动力汽车的还有一个重要优点是扭矩响应快,快到什么程度呢?几乎跟电动车一样快!因为当发动机扭矩响应速度跟不上指令时,电机这时候可以进行补偿,发挥其响应快的优势。那为什么要说“几乎”呢?因为电机补偿的能力是有限的,当油门踩的很深,电机全部扭矩不足以补偿时,这时候只能等待发动机自己的扭矩响应出来了。。。混合动力其实很好玩,如果大家感兴趣,之后有机会再展开说。

以上就是自然吸气发动机扭矩响应会比涡轮增压发动机快的原因了。

关于涡轮增压,这里稍微再多讲一点,为下一个问题做点铺垫:

我们已经知道涡轮迟滞了,那怎么做可以减少迟滞呢?
方法1:减小涡轮惯量方法2:增加排气能量
我们要说的是方法2,增加排气能量怎么增加?当然是提高发动机转速了,这也就解释了涡轮增压发动机低速大扭不行的名声。(如果你发现自己的涡轮增压车总是不跟脚,尝试切到S档,绝对会发现跟脚的多,因为S档会自动推迟升档点,让发动机维持在高转速)




接下来要说问题2了:

我一开始的疑惑是:高功率为什么不行?发动机低速扭矩不够,我降档还不行么? @苏黎世贝勒爷 有个解释是,绝大多数用户大部分工况是发动机低转速,降档的动力来得不如不降档直接。

我还是觉得疑惑:即使降档不行,我还可以调节换挡点推迟升档啊,即使1挡起步没法调节换挡点,我改主减速器速比还不行么?说到底我们是可以调节车辆去匹配动力源的。

其实我们忘了动力系统中的一个小兄弟:离合器(或AT的液力变矩器)

离合器简单来说就是连接发动机和变速箱的连接件,特别的只是,这个连接件可以处于3种差异的状态:(1)脱开;(2)接合;(3)滑磨

越野车设计时需要考虑很多大负荷起步的工况,起步过程的专业术语叫Launch,这个过程离合器处于滑磨状态。Launch的控制原理是发动机根据驾驶员的扭矩需求调节到一定转速,同时压离合器。由于负荷大,离合器得压的比较紧,同时为了防止发动机转速被离合器拽下来,发动机的扭矩能力必须大于等于离合器,于是发动机转速不能太低,又由于车辆刚开始起步,变速箱是跟车轮相连的,因此变速箱的输入端转速几乎为零,于是离合器两端就会有比较大的滑磨速差。

高中物理还没还给老师的同学这时候应该会想到,大扭矩和高速差,意味着摩擦功率很大,发热会很快。

大众dct一开始为什么容易坏?

宝马M3为什么不支持连续弹射(SportLaunch)?

连续大油门起步后车窗外烧焦的气味从哪里来?

——都是因为离合器发热

那保时捷为什么可以连续弹射呢?

——因为pdk变速箱根据离合器温升可以自动切换到油冷

(应该还有别的技术手段,我只知道这么多)

举这几个例子只是为了说明离合器发热是个很要命的问题。越野车起步虽然不像跑车弹射起步那么恶劣,但是比家用轿车低速起步还是要恶劣的多。

怎么做减少发热呢?最直接的想法当然是减小滑磨速差了,减少滑磨速差就得降低发动机转速,降低发动机转速的同时还得保证起步的动力输出,这就是所谓的低速大扭矩了。

在此我们其实也找到了高转速发动机的其中一个缺点:起步滑磨发热多。




问题3其实跟动力性不是直接相关,只是讲到扭矩、功率、转速相关话题了,顺带讲一下:

为什么劳斯莱斯的发动机扭矩很大但是功率不大?原因其实不复杂,因为豪华轿车对极限性能的需求不大,但是对NVH性能的需求很大。发动机是汽车上最主要的噪音来源。同一款发动机运行时的NVH和转速、扭矩都相关,但是转速的影响更大。跑车上发动机轰高转速,那是美妙的音乐,但是豪华轿车上轰高转速,那还像话么?

所以高转速发动机的第二个缺点:NVH差。




最后简单总结一下:

1、影响汽车动力性的因素除了最大功率和最大扭矩、差异转速的功率和扭矩,还有扭矩响应速度;

2、自然吸气发动机扭矩极限不如涡轮增压发动机,但是扭矩响应速度,特别是低转速的扭矩响应速度比涡轮增压发动机要快;

3、汽车的性能不是简单的由动力源(发动机)的参数决定的,还需要考虑与其他传动系统部件如离合器的匹配,低转高扭的发动机更有利于大负荷起步。




没想到会有同事看见这篇文章。。。要求之下小改了一些转到公司公众号了:

感兴趣的朋友也可以关注一下,里面有一些工程师同事写的技术干货~
车辆动力强不强,看马力还是扭矩?其实还有第三个答案
 
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rayment

 
 
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为什么现在除了F1,没有别的车使用电机直接带动涡轮起压的方法减小延时呢?
 
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rz_2635

 
 
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【那保时捷为什么可以连续弹射呢?——因为pdk变速箱根据离合器温升可以自动切换到油冷】湿DCT,又是针对高性能车设计的,冷却油的流量(意味着散热能力)可以很大
 
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killerali

 
 
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涡轮的极限扭矩转速范围比自吸要宽吧,自吸要提高转速来提高扭矩
 
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大爷也

 
 
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这些数据分析看不懂  我就知道2.0的自吸怎么踩都不走,1.5T的涡轮随便踩踩就有
 
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gnaw1111

 
 
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2. 任何车速下,车辆的加速度由当时发动机输出的最大功率决定。 雅马哈大魔鬼表示不服0-100挑战各大车厂公升级赛车
 
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怀旧的小艾

 
 
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那么问题来了,有哪些措施可以让发动机做到低转高扭。还请不吝解释下,谢谢!
 
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小乐快跑

 
 
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发动机研究的不多,道听途说的有几条:1、最简单的,增大排量;2、延长活塞行程(更长的曲柄,更大的力臂);3、机械增压或者电涡轮增压
 
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wwwjiangww

 
 
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既然最高车速和加速度都由马力决定,那么扭矩又影响什么呢或者说扭矩反映了一款发动机什么特点呢?求解答
 
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tj93

 
 
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个人觉得您的回答不够明确,我仔细阅读了一遍,能够明白您的意思,但是对于普通受众可能并不知道您想表达的意思
 
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思政

 
 
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最大马力和最大功率有什么区别吗?
 
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老皮狼

 
 
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请问电动涡轮增压算是最好的解决方案吗
 
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lcl-2005

 
 
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难怪主观乘坐感受上,电动车的加速体验比内燃机车更明显
 
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zhouqizhi1

 
 
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小马哥666
 
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renren797

 
 
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不懂就问…离合器本来不就是油冷的么?什么叫切换到油冷
 
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爱喝咖啡

 
 
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扭矩响应最快的是电动车,因为电机扭矩响应的速度大概在30ms(0.03秒),大概比发动机快10倍!=================是大多数电动机都是这个延时么。之前看见BYD说自己的唐电动机是40毫秒。所以比机械分动箱的响应快所以越野更牛云云。
 
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小乐快跑

 
 
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实测数据大概是这个范围,当然是电机控制器的反馈值,真实值可能略有偏差也说不定。具体跟控制器运行频率、CAN网络通讯延迟和线圈的电感有关系
 
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suy615

 
 
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并没讲明白为什么劳斯莱斯发动机低功率,大扭矩的原理,只是讲了结果——噪音低而已,因果倒置。
 
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炫舞珊瑚

 
 
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同事,你好!,增压在反应过来之后,推背感还是很强的。而且现在bm很鸡贼,我测试发现他是把换挡和涡轮结合起来用。就是大油门他一边降档一边提涡轮,等降档完毕那酸爽
 
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