高转速发动机的优缺点有哪些?

高转速发动机的优缺点有哪些?

高转发动机完全是带着脚镣跳舞的产物。

以前很迷恋NA高转,觉得这才是王道,后来计划给自己的发动机做蓝印,做过一些计算。

如果可以扩大排量,如果可以用更轻的缸体材料,如果可以用增压进气,我才不打算让发动机飙那么高的转速。为什么呢?

评价发动机的动力有两个指标,一个是扭矩,一个是马力,设想一台单缸发动机,扭矩直观地理解就是发动机单次做功冲程能爆发的力,马力则是发动机在单位时间内做功的总和,发动机转速越高,单位时间做功次数越多。

扭矩,90%以上取决于排量,美国人那么沉迷大排量车不是傻大粗的表现,排量够大,中高低转速下扭矩都充沛,俗称怎么踩怎么有,不考虑油耗的话,是最彻底最简捷的发动机动力解决方案。

高转发动机一般是场地赛用,是比赛就有规则,要统一标准,最重要的就是限制进气形式(NA)、排量。这下好了,排量被限死,进气密度也没法提升,各大车队只能在单位时间内做功频次上下功夫了。这就催生出了高转发动机。

先看缺点:

1、控制难:转速范围太广阔,假定高转发动机的转速是从0-12000rpm,为一般街车0-6000rpm的两倍,powerband在整体转速区域内的占比就很小了,车手需要精确控制转速(俗称的F1车手转速不下12000转),对变速箱、车手要求很高,日常驾驶非常不方便。

2、散热难

3、磨损大:机油和轴承的tolerance一般是搭配着来的,最佳工况一般设定在powerband的温度和压力下,区间以下的表现未必好,因而有些高端的比赛,哪怕不用,车队也会把发动机一直保温保存……此外哪怕有再好的润滑设计,高转下的磨损还是不可避免的。

4、缸体平衡难:5000rpm时的引擎平衡和15000rpm时的完全是两个世界。做蓝印几乎要把缸体和所有运动件都精密测量加工一遍,譬如bore alignment。批量生产的民用发动机,在微观尺度上,各气缸之间可能存在不平行,甚至各缸与曲轴也不是精确垂直的,转速低的时候可能没什么关系,这样的发动机直接装机出厂了,但高转下必须要再加工,务求精确。其他曲轴什么的就不展开讲了

5、低速乏力和缸头设计:两个放在一起讲,是因为缸头很大程度上决定了充气效率。充气效率很难高低转速两头兼顾,要么放弃低转,要么照顾低转放弃高转,那设计高转发动机也就没意义了。此外高转下的气门、气门孔、凸轮轴也要做精密测量和加工,气门弹簧要强化,避免valve floating撞活塞,等等。

6、燃烧不充分:高转发动机一般采取大缸径+短行程设计,但缸径是越大越好吗?火焰的传播需要时间,如果缸径过大,火焰可能就来不及传播,当转速过万,这就是很现实很严重的问题了,哪怕精密设计燃烧室,或者用气缸头开槽的黑技术,也不能根本性解决。此外更大的缸径带来更大的热损,也是减损效率的事。

(气缸头开槽技术)

7、进气道设计难:高转油门响应和低速进气效率不可兼得,使用歧管设计的情况下,因为谐振和共鸣,低速充气效率有时能过100%,但高转最好用单缸直吸,低速就完全被放弃了。后来有发明了可变气门升程、可变进气道,但高低转还是有侧重点的,想要完全兼顾很难。

8、有限的使用场景:适合连贯、高速的驾驶环境,拉力赛、城市驾驶、低速比赛等等完全不适用。

10、成本高:你看,几乎所有的部件都要重新加工一遍,这个成本,海了去了。宝马M,奔驰AMG(号称纯手作,物勒其名),还是法拉利,发动机价格很贵,但离真的蓝印还是有一定距离的,转速越往上走,成本呈指数级上升。

说完了缺点,来看看优点:

1、体积和重量:我觉得这是最大的优点,尤其是对F1这样极端追求减重和降重心的赛事来说

2、科技感强:那可不是嘛,砸了那么多钱

3、音效好:楼上提到的高转天籁。不过这个涉及到美学就见仁见智了,也有人喜欢听大排啪啪响的

4、容易吹出积碳?:没仔细研究过这方面,有可能吧。但我觉得关注积碳还是关注燃烧效率才是根本,凭高转发动机在低速下的燃烧效率,积碳更多还是更少很难说。

5、技术储备:高转发动机储备了很多技术,在不久之后都极大提升了普通发动机的性能,这倒是真的。FIA现在严控F1的排量,也有倒逼小排量技术,将来反哺民用的意思。

6、寿命问题,很多人说F20C的寿命很长,其实不是因为高转寿命长,是因为设计和平衡精良,硬件超过了工况。而一般的发动机,又不是企业招牌,厂商不会下那么大功夫。F1是基本接近硬件等于工况的,一台发动机,寿命是半个赛季,那就照着半个赛季的工况去设计硬件,多了就是浪费。

高转发动机技术含量很高,但其实是事倍功半,放着华山缆车不坐,非要从后山爬上去。

你看,我花了那么多心思,那么多金钱,终于打造出了一台金灿灿亮闪闪的神级NA高转,它以区区2.0的排量,有着220nm的扭矩,在转速12000rpm时能爆发出300匹的动力! 真是太自豪了。

但残酷的事实是,只花几分之一的钱,一台2.0T或者3.0NA就能赶上它,假设车体和变速系搭配都合理,在中低速情况下完爆它也不是没可能。 天马山、珠海赛道,按马力分组的赛事里,这样的惨事就经常发生……

当然,我辈喜爱高转,更多的是一种信仰,跟数据和实际表现无关。

一如我对共产主义的热爱~