汽車鏟史官:探究百年熱效率編年史,豐田4次奪魁,它是當世第1

車圈圈2019-07-02 10:15:23


hello大家好,我是一枚汽車技術宅,熱衷於深扒各種汽車技術的內幕,最喜歡的就是鏟屎……哦不,鏟史!沒錯,就是在百年汽車歷史中,挖掘各種技術的進化過程,指點江山、激揚文字~

 

今天本官要帶大家探究的是“發動機熱效率進化史”,乾貨十足而且沒有中間廣告,讓你清楚的知道,你的愛車油耗是怎麼從百年前的幾十升每百公里降低到現在的5、6升每百公里,更讓你清楚的知道,未來汽車油耗極限到底是多少?





1776年,

熱效率從2%的蒸汽機起步


在鏟史之前,先給吃瓜羣眾們扒一扒發動機熱效率是個啥東東:簡單點講,發動機工作時只有一部分燃料熱量轉化為有效推動能量,這個有效推動能量與燃料總能量的比值就是熱效率。



我們通常所説的熱效率值,其實是最大熱效率,最大熱效率越高,發動機高效工作區域越廣,發動機能耗越低。



那麼最早的發動機熱效率是多少呢?2%—4%!

 

時間回到1776年,英國人瓦特對蒸汽機進行了改良,使其熱效率達到了2%—4%,這是一個非常低的值,但放在當時的技術條件下,蒸汽機已經是車用動力的最佳載體,使人類開始告別馬車出行。




1860年,

第一台內燃機誕生


雖然蒸汽機帶領人類交通出行從馬車時代邁入了機械時代,但蒸汽機的短板還是非常明顯:離不開笨重又龐大的鍋爐、熱效率難以提高、轉速(速度)受限、動力輸出不連續等等。

 

因此,蒸汽機註定要和汽車Say byebye,該輪到新主人登場了,這就是主宰汽車動力超過百年的內燃機!

 

1860年,法國人Lenoir(勒諾瓦爾,沒錯又是法國人)發明了第一台內燃機,通過煤氣燃燒產生熱能和動力。

 

這台內燃機的性能參數放在當前來看簡直就是不能用:壓縮比為1,最大功率4.5kW,熱效率麼,4.5%。



納尼?看官們可能會説這也沒見高出蒸汽機多少啊?確實如此,當時的蒸汽機熱效率可是已經提升到了10%,不僅沒高人一頭,內燃機還低不少啊!

 

1876年奧托:

我才是真爸爸


勒諾瓦爾的煤氣內燃機雖然熱效率很低,但是卻讓人看到了提升的曙光。於是1876年,德國工程師奧托研製出了第一台四衝程的煤氣內燃機,壓縮比達到了2.5,而熱效率達到了14%,超過了蒸汽機的同期水平!



可以説,奧托四衝程煤氣機才算真正開啟了車用發動機的新天地,使得長距離出行開始變成可能,雖然他那台機器並沒有得到應用(他也只想用到工廠、礦山之類),但是他的“學生”已經敏鋭的捕捉到了全球交通變革的重大機遇。

 

1883年戴姆勒:

請叫我汽油機之父


不論如何,煤氣機雖然也是內燃機,但是煤氣能量低、存儲不變、輸出不穩定的缺點還是被戴姆勒老先生看在了眼裏,於是他老人家把目光放在了更高能量載體——汽油上。

 

1883年,戴姆勒從道依茨燃氣公司(奧托開的公司)辭職:奧托老師你自己慢慢玩工程發動機,我可不陪你玩了。扭頭戴姆勒就和追隨他的邁巴赫(都是狠人啊)聯手造出了世界第一台立式四衝程汽油機!



於是,1883年內燃機熱效率被歷史性的提升到了15%,戴姆勒老爺子並不知足,再接再厲終於在1894年又提高了20%!

 

此時的汽油機,終於可以支持較快速度、較高續航的行駛了,汽車開始進入富人家庭,原因很簡單:車貴就不説了,尼瑪油錢花費更貴啊!




長達90年的緩慢進步

 

此後的汽油機熱效率開始進入緩慢提升階段,雖然1926年瑞士人布希引入了廢氣渦輪增壓理論、1950年直噴技術原型開始出現,但汽油機熱效率進步非常緩慢,以0.5%、1%的速度逐步提高。



直到1990年,計算機技術突飛猛進下,電噴系統才幫助汽油機熱效率開始了明顯改善,到了2000年,發動機精確噴油下的熱效率值終於站上了30%的大關。

 

進步緩慢的原因是多方面的,不僅與技術環境本身有關,還與這一階段各國政府並不太重視汽車油耗管理有着密切關係。所以直到2000年後,隨着汽車保有量的大幅增加,主要國家終於開始加嚴油耗法規,倒逼車企開始在發動機上動腦筋。



汽油機迎來了全新的發展階段!

 

2003年:

豐田36.8%問鼎NO.1


説實話,上世界五六十年代,豐田的發動機還是個渣渣,直到通過1970年石油危機發展節能汽車、成功打入美國市場後,豐田才真正嚐到了發動機節油技術的甜頭,於是一發不可收拾。

 

2003年,耕耘多年的豐田終於拿出了一款震驚全球的發動機(代號1NZ-FXE),這台發動機熱效率高達36.8%,遠遠高出同期其它車企的水平。

 

這個36.8%有多高呢?這麼説吧,現在很多主流發動機的熱效率還沒到達36%,普遍在30%-34%之間,你就知道16年前的這台1NZ-FXE有多強了!

 

豐田把這台1NZ-FXE放到了第二代普鋭斯上面,在城市工況下,排量為1.5L的普鋭斯達到了相當於2.0L傳統車型的動力性能,而油耗僅相當於1.0L的傳統車型(4.7L/100km)。




2008年:

豐田37%自我超越


第二代普鋭斯引發的熱度給了豐田上下無比的滿足感,於是豐田人在熱效率的路上越走越遠,一發不可收拾。

 

2008年,豐田攻城獅鼓搗出了1KR-FE機型,發動機熱效率達到了37%的高位,雖然是款三缸機,但毫不否認的是,豐田再次霸榜。



據説這顆發動機搞出來後,終於引起了其它競爭對手的覺醒:太過分了,不能老是讓你一個人風光啊,再這樣下去我們豈不是被你豐田按在地上摩擦摩擦,像魔鬼的步伐?

 

2009年:

豐田38.5%再破記錄


覺醒歸覺醒,但仍然難以阻止豐田前進的腳步。

 

2009年,豐田,還是豐田,這傢伙又搞出了一個38.5%的傢伙:2ZR-FXE!而且熱效率在220g/kwh的區間達到了38.5%。

 

看名字很熟悉?是不是和二代普鋭斯那個1ZR-FXE很像?沒錯,這就是第三代普鋭斯用的發動機啊!



要知道,2016年通用 1.8升自然吸氣發動機最大熱效率才37.43%,2017年大眾2.0T低功率引擎(EA8883B)最大熱效率剛剛達到37%、2017年自主的奇瑞也才做到37.1%,這簡直是退役選手吊打主力王牌的節奏啊。

 

這心情,只能看圖表達了:



2013年:

本田38.9%微弱反超


不是這些車企不給力,是因為這些車企在渦輪增壓的路上走得太遠,對自然吸氣早就不感冒。

 

而關鍵的關鍵就在於,100年前的奧托老先生就告訴我們:提升壓縮比才能提升熱效率,然而悲催的是,增壓機由於缸內壓力的原因,先天就很難在壓縮比上和自吸機一較高低。

 

所以摩擦豐田的任務,只能交給日本車企來做了。

 

比如,本田大法。

 

2013年,連續多次以毫釐之差不敵豐田的本田大法發威了,在代號為LFA系列的2.0升直列四缸汽油機上一舉達到了38.9%的最高熱效率,成功打破豐田壟斷!

 

這台發動機採用了電動可變正時氣門技術,因此可以在阿特金森循環和奧托循環下來回切換,再配合電機的耦合,最高熱效率成功壓制了第三代普鋭斯那台2ZR-FXE,但很遺憾的是,過於追求熱效率,導致本田這台LFA機型最大功率僅為143ps/6200rpm,最大扭矩僅為165Nm/4500rpm。

 

兩個字:肉雞。



2016年:

豐田自吸機40%里程碑壓制


卧榻之側豈容他人鼾睡,豐田根本沒讓本田在NO.1的位置上呆太久,3年時間,豐田祭出了大招。



2016年,豐田發佈了全球首台40%熱效率的發動機,為了表明這台發動機的與眾不同,豐田特意取了一個響亮的名字:Dynamic Force Engine。




而在這顆2.5L直列自然吸氣汽油機基礎上,豐田還開發了一個混動專用版本,其最高熱效率甚至達到了41%!但兩者本質上是相同的,不過是混動的加入“助力”了高效率區間而已。

 

回顧日本汽車工業這段瘋狂的熱效率排行榜爭奪歷史,鏟史官不得不説還是對日本乃至全球的汽車工業產生了極為明顯的作用。別的不説,日本汽車燃油經濟性就得到了直觀的改善,尤其是在2009年之後。




2019年屬於藍鯨:

增壓機熱效率全球首破40%


眼尖的朋友或許已經看出來了,汽油機熱效率的最高紀錄通常都是由自然吸氣機型打破,增壓機極少露臉。

 

增壓機真的不能做出高熱效率嗎?

 

當然不是!

 

2019年6月4日,長安汽車在其新投用的全球研發中心揭開了“藍鯨動力”的神祕面紗,悄然間向世界宣告:全球首款40%熱效率增壓汽油機面世了!



這款發動機採用了極其先進的結構設計和AGILE燃燒系統,通過350bar超高壓直噴、外置式水冷中冷、可變截面渦輪增壓(VGT)、全可變排量機油泵、TMM熱管理系統、0W-20低粘度機油等領先技術的應用,打破了增壓機熱效率的天花板!

 

很明顯,如此高的熱效率,其壓縮比也是突破式的達到了13:1,比肩馬自達現役的那台SkyActive自然吸氣汽油機壓縮比,堪稱全球增壓機目前取得的最高水平。

 

而長安汽車這款藍鯨增壓機實現如此高的壓縮比,關鍵還在於採用了米勒循環(可以簡單理解為阿特金森循環的變種):通過精妙的進排氣控制策略,實現額外的活塞壓縮行程,產生更高的壓縮比、利用到更多的能量。



在排放方面,長安汽車這款1.5T的藍鯨動力還做到了提前滿足國六b排放標準(預設歐7升級路徑),並且沒有加尾氣GPF,有效的節省了後期使用成本。

 

令人震驚的是,長安汽車還在這款1.5T超高熱效率汽油機所屬平台上開發出了一個超強動力版本,升扭矩達到200牛米、峯值扭矩在1250rpm就可以達到300牛米(全球領先)、最大功率130kW,在NVH方面,這款1.5T的藍鯨動力還做到了怠速60.8dB,安靜得不像話!


也就是説,在日本豐田這種4次奪魁的大拿都沒做到增壓機熱效率破40%、本田這種高熱效率換來動力肉的前提下,長安汽車在藍鯨動力上做到了熱效率(油耗)、動力、排放、NVH的全面兼顧。



坦白説實話,從發動機百年曆史來看,長安汽車藍鯨動力發動機當之無愧是世界第一,並且十年都不會過時。




增壓雖更難,但兩條腿走路方能更穩


回顧全球汽油機熱效率提升的百年曆程,我們可以清晰的看到,歐美汽車工業由於偏重增壓技術路線,所以熱效率始終難以突破天花板,在大眾EA888 Gen3B上裹足不前,38%熱效率大關遲遲不能打通。而日本則偏重於自然吸氣技術路線,因此熱效率雖突破40%大關,但動力孱弱長期被消費者詬病。

 

因此,把增壓機熱效率切切實實的提升去,才是更加重要的事情。從這個角度來講,長安藍鯨動力發動機在增壓基礎之上做到40%最高熱效率,兼顧了節油和動力,是非常值得肯定的一件事情。

 

但實話實説,增壓機熱效率提升還是非常困難的一件事情,因為從技術角度來講,增壓機單位進氣量比自吸更大,所以缸壓、缸內温度等就容易超過自吸機,導致爆震的可能性就更大。



而為了避免爆震,增壓機就必須“刻意”降低氣缸壓縮比,也就比自吸機實現同等熱效率更加困難:打個簡單的比方,實現同等熱效率,自吸機的難度就好比150公斤的男子舉150公斤的重量,而增壓機就得實現100公斤的男子舉150公斤的重量。



但不論如何,增壓機和自吸機都是兩種重要的發動機技術路線,市面上也始終存在牢固的“自吸黨”,所以兩種技術路線並舉、共同推進熱效率提升才是更穩妥的辦法。

 

所幸的是,長安汽車正在研製43%—45%熱效率的機型,並且覆蓋增壓機和自吸機兩種範疇,往更高難度邁進的同時,也標誌着中國汽車工業不同於歐美的增壓黨、日本的自吸流,在以更加穩健和均衡的步伐向汽車工業皇冠不斷進取。

 

鏟史官結語:未來無止境

 

實際上,雖然柴油機熱效率因為先天原因早已超過40%,但汽油機熱效率超過40%以後還是會陷入一段時間的瓶頸。展望未來,相當長一段時間汽油機仍將作為家用車的主力機型,不斷提升其熱效率是車企必須要做的事情。

 

據悉,日產已經計劃未來推出43%熱效率的自然吸氣發動機,馬自達也計劃應用壓燃技術實現自吸機更高的熱效率。但增壓機方面,預計長安這款1.5T藍鯨動力較長時間內都將處於全球榜首位置,唯一能打破的,估計只有長安自己正在開發的43%熱效率增壓機型。

 

技術的進步是無止境的,鏟史官也希望看到更多的車企加入到熱效率提升的大軍中來,不斷更新自吸機和增壓機的NO.1排行榜,説小點,為了咱們老百姓少花點油費,説大點,地球畢竟是咱的家園不是?



文章已於修改
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