首先,前面的回答基本解釋了發動機的 功率、扭矩、轉速 這3個參數和汽車動力性之間的關係,
包括@蘇黎世貝勒爺的:
1. 最高車速由最大馬力決定。2. 任何車速下,車輛的加速度由當時發動機輸出的最大功率決定。
@老和山老司機的:
動力性不止是最大扭矩和最大功率兩個參數,還要看每個轉速下的扭矩(功率)和轉速範圍
都是比較準確的表述。
作為一般用戶,能完全理解這幾句話就相當可以了,至少能夠做到不被廠家的宣傳數據所迷惑,
但是作為喜歡刨根問底的工程溼,搞明白這些還不能滿足,因為有些問題仍沒法解釋,比如:
問題1:為什麼相似功率和扭矩數據的自吸發動機和渦輪增壓發動機,自吸的車加速感受明顯比增壓的強?
問題2:為什麼越野車大多裝載自然吸氣發動機或者柴油機,強調低速大扭矩?
問題3:為什麼豪華轎車如勞斯萊斯,6.7排量的發動機,最大功率只有400多kw,扭矩卻有驚人的900Nm?
對於問題1,我想到一個更加到位的表述:
動力性影響因素除了最大扭矩、最大功率、不同轉速範圍的扭矩和功率外,還有不同轉速不同扭矩下的扭矩響應速度。事實上,對於日常駕駛工況,扭矩響應速度對動力性的主觀感受影響更大。
問題來了:什麼是發動機的扭矩響應速度?
舉個極端的例子:假如一款車的發動機,在1000rpm~6000rpm轉速範圍內,都可以輸出900Nm的扭矩,很驚人了吧?但是如果告訴你,從踩下油門開始,需要經過3秒時間發動機才能達到這個最大扭矩,那這個驚人的900Nm還有用嗎?對直線加速可能還有些用吧。。。
當然,前面假設的3秒的響應時間誇張了,實際渦輪增壓發動機0.5秒左右的延遲是有的,視海拔、氣溫、轉速等情況而定,而這0.5秒體現到駕駛感受上,影響就很大了。
又一個問題來了:為什麼自然吸氣發動機扭矩響應會比渦輪增壓發動機快?
這就要提所謂的「渦輪遲滯」了。渦輪增壓機的原理簡單來說就是利用排氣的能量帶動渦輪旋轉給進氣增壓,從而在排量不變的情況下增加進氣,提高功率。但是午餐沒有免費的,利用了排氣能量,但是增加了排氣背壓;增加了進氣,但是等待渦輪提速需要時間。下圖所示是兩種發動機的扭矩響應示意圖:
駕駛員踩下油門,VCU對發動機的目標扭矩如藍線所示,理想的情況當然是發動機扭矩緊跟目標,不大不小(這就是所謂的「跟腳」),但實際情況我們看到了:
自然吸氣前半段響應快,但是很快達到自己的極限了;渦輪增壓雖然最終能夠達到扭矩目標、極限高,但是中間經過了很長的響應時間。大部分日常駕駛工況,駕駛員不會把油門踩到底,也就不要求發動機扭矩出到極限,這樣一來前半段扭矩響應快的自然吸氣發動機,就會帶來更加強烈的加速感。
那再來一個問題:響應最快的是什麼車呢?
扭矩響應最快的是電動車,因為電機扭矩響應的速度大約在30ms(0.03秒),大約比發動機快10倍!由於此前很長一段時間我一直在研究混合動力汽車,順便再提一下混合動力汽車的一個優點:我們常說的混合動力汽車的一個優點是電機可以調節發動機負荷到最佳經濟區間,從而減小油耗,這是從經濟性的角度,其實從駕駛性的角度,混合動力汽車的還有一個重要優點是扭矩響應快,快到什麼程度呢?幾乎跟電動車一樣快!因為當發動機扭矩響應速度跟不上指令時,電機這時候可以進行補償,發揮其響應快的優勢。那為什麼要說「幾乎」呢?因為電機補償的能力是有限的,當油門踩的很深,電機全部扭矩不足以補償時,這時候只能等待發動機自己的扭矩響應出來了。。。混合動力其實很好玩,如果大家感興趣,以後有機會再展開說。
以上就是自然吸氣發動機扭矩響應會比渦輪增壓發動機快的原因了。
關於渦輪增壓,這裡稍微再多講一點,為下一個問題做點鋪墊:
我們已經知道渦輪遲滯了,那怎麼做可以減少遲滯呢?
方法1:減小渦輪慣量方法2:增加排氣能量我們要說的是方法2,增加排氣能量怎麼增加?當然是提高發動機轉速了,這也就解釋了渦輪增壓發動機低速大扭不行的名聲。(如果你發現自己的渦輪增壓車總是不跟腳,嘗試切到S檔,絕對會發現跟腳的多,因為S檔會自動推遲升檔點,讓發動機維持在高轉速)
接下來要說問題2了:
我一開始的疑惑是:高功率為什麼不行?發動機低速扭矩不夠,我降擋還不行麼?
@蘇黎世貝勒爺
有個解釋是,絕大多數用戶大部分工況是發動機低轉速,降擋的動力來得不如不降擋直接。
我還是覺得困惑:即使降擋不行,我還可以調節換擋點推遲升檔啊,即使1檔起步沒法調節換擋點,我改主減速器速比還不行麼?說到底我們是可以調整車輛去匹配動力源的。
其實我們忘了動力系統中的一個小兄弟:離合器(或AT的液力變矩器)
離合器簡單來說就是連接發動機和變速箱的連接件,特別的只是,這個連接件可以處於3種不同的狀態:(1)脫開;(2)接合;(3)滑磨
越野車設計時需要考慮很多大負荷起步的工況,起步過程的專業術語叫Launch,這個過程離合器處於滑磨狀態。Launch的控制原理是發動機根據駕駛員的扭矩需求調節到一定轉速,同時壓離合器。由於負荷大,離合器得壓的比較緊,同時為了防止發動機轉速被離合器拽下來,發動機的扭矩能力必須大於等於離合器,於是發動機轉速不能太低,又由於車輛剛開始起步,變速箱是跟車輪相連的,因此變速箱的輸入端轉速幾乎為零,於是離合器兩端就會有比較大的滑磨速差。
高中物理還沒還給老師的同學這時候應該會想到,大扭矩和高速差,意味著摩擦功率很大,發熱會很快。
大眾dct一開始為什麼容易壞?
寶馬M3為什麼不支持連續彈射(SportLaunch)?
連續大油門起步後窗外燒焦的味道從哪裡來?
——都是因為離合器發熱
那保時捷為什麼可以連續彈射呢?
——因為pdk變速箱根據離合器溫升可以自動切換到油冷
(應該還有別的技術手段,我只知道這麼多)
舉這幾個例子只是為了說明離合器發熱是個很要命的問題。越野車起步雖然不像跑車彈射起步那麼惡劣,但是比家用轎車低速起步還是要惡劣的多。
怎麼做減少發熱呢?最直接的想法當然是減小滑磨速差了,減少滑磨速差就得降低發動機轉速,降低發動機轉速的同時還得保證起步的動力輸出,這就是所謂的低速大扭矩了。
在此我們其實也找到了高轉速發動機的其中一個缺點:起步滑磨發熱多。
問題3其實跟動力性不是直接相關,只是講到扭矩、功率、轉速相關話題了,順帶講一下:
為什麼勞斯萊斯的發動機扭矩很大但是功率不大?原因其實不複雜,因為豪華轎車對極限性能的需求不大,但是對NVH性能的需求很大。發動機是汽車上最主要的噪聲來源。同一款發動機運行時的NVH和轉速、扭矩都相關,但是轉速的影響更大。跑車上發動機轟高轉速,那是美妙的音樂,但是豪華轎車上轟高轉速,那還像話麼?
所以高轉速發動機的第二個缺點:NVH差。
最後簡單總結一下:
1、影響汽車動力性的因素除了最大功率和最大扭矩、不同轉速的功率和扭矩,還有扭矩響應速度;
2、自然吸氣發動機扭矩極限不如渦輪增壓發動機,但是扭矩響應速度,特別是低轉速的扭矩響應速度比渦輪增壓發動機要快;
3、汽車的性能不是簡單的由動力源(發動機)的參數決定的,還需要考慮與其它傳動系統部件如離合器的匹配,低轉高扭的發動機更有利於大負荷起步。