汽车如何实现低速高扭?

陈德霖


这是一个比较不好回答的问题,涉及到发动机的基本设计理论,汽车设计定型出厂到了用户手中以后,实际上并没有什么太好的办法大幅度来提升低速扭矩,不外乎刷ECU、改进排气、加装机械增压等有限的几种,不过后果也不太好预测,后果有可能会影响发动机使用寿命。但是对于发动机厂商来说,在设计过程中,可以通过优化设计来提升发动机扭矩。

什么扭矩?

扭力是物体转动时所产生的力,“矩”实际上表示的是“曲尺”,也就是尺子,顾名思义就是扭力+距离的意思,扭矩就是单位长度上力的大小。当用于发动机上的解释就是曲轴回转时产生的力矩,实际上就是曲轴中心轴到飞轮半径距离上所产生力的大小。


扭矩的计算公式:扭矩=力 X 力臂

因此,从发动机角度来说,扭矩与两个参量有关:曲轴回转力和飞轮的半径。对于发动机来说,要想提升低速扭矩输出,就需要从这两个方面来做文章。

一、增加发动机曲轴输出的扭力:

  • 通过减小气缸直径、增大气缸行程来增加扭力

发动机排气量的计算公式是:

排气量=(π×缸径×缸径)÷4÷1000×行程x气缸数

根据上面的公式,气缸半径和气缸行程呈反比,也就是说在不改变发动机单个气缸排气量的前提下,气缸缸径增大,活塞的行程就会变小,反之,行程就会增大,如下图所示,为了提升发动机的低速扭矩,可以通过减小气缸直径的方法来增加气缸行程,也就是通常所说的“小缸径大行程”,气缸行程增大以后,曲柄长度就会增加(红线部分),根据扭矩的公式:扭矩=力X力臂,力臂增大,扭矩自然也会增大。同时,曲柄长度增大以后,曲轴的回转惯性也会增大,作用在轴心的扭力也会增加。这种发动机设计一般用于越野车、城市SUV等强调发动机低速扭矩的应用场合。

副作用:发动机的最大功率会有所降低,由于曲轴的惯性增加,推动曲轴转动所需要的功就会增大,发动机的最大转速就会降低,进而影响发动机的最大功率。实际上这也是高转速发动机和低转速发动机的设计的一个比较明显的区别。


二、改善进气效率,增加燃烧效率

发动机是通过燃料燃烧推动活塞往复运动带动曲轴旋转实现做功的,如果进气量增加,燃烧量增大,自然所做的功也会增大,现代的电喷系统可以根据发动机的进气量,通过ECU的计算,控制喷油嘴喷出相应的燃油,实现燃料完全燃烧,因此,增加进气量可以实现发动机输出功率的增加,进而增加发动机低速扭矩。

  • 1、使用动态可变气门提升进气效率:

作为发动机厂商来说,发动机普遍安装有动态可变气门系统,改善进气效率,这套系统可以根据发动机的运行工况,调整气门开合时间、角度,使进入的空气量达到最佳值,提高燃烧效率。


  • 2、使用增压系统,增大进气量

为了进一步提升发动机的低扭,还可以通过利用增压的方式来提升进气量,比如涡轮增压、机械增压、电子增压,无论是哪种增压,其本质目的就是为了在不改变物理排气量的前提下,增加进气量,实际上也就是增加了同时燃烧做功总量。

  • 3、使用缸内直喷技术,提升升功率

缸内直喷技术,可以更加精确的控制喷油量,由于汽油在雾化喷射过程中可以降低一部分热量,因此,有利于降低发动机爆震,这样就允许使用更高的发动机压缩比,而实际上发动机的压缩比的提升也会带来活塞行程的增加,进而提升发动机的升功率,增大低速扭矩。


  • 4、使用高流通量的空气滤芯,增加进气量

很多车友都听过汽车改装应用最广的两个词:“改进气”、“改排气”,实际上其本质目的也就是为了增加发动机的进气量。比如改装界很流行的高通量空气滤芯“冬菇头”,就是为了降低进气阻力提升进气量。进气量增大,再通过ECU控制喷油量,也可以达到些许提升功率、扭矩的作用。

三、增加发动机主减速比:

理论上来说,当发动机功率输出一定的前提下,想要增加发动机的低速扭矩,就需要增加发动机的主减速比,也就是增大发动机飞轮的半径,飞轮半径增大相当于增加了力臂,此时扭矩也就相应的会增加。

发动机功率和扭矩的关系如下:功率=扭矩×转速/9550,根据上面的公式,9550是一个常数,因此,在发动机输出功率一定的前提下,发动机的扭矩增大,相应的转速会降低。很多小排量发动机,为了弥补发动机扭矩小、特别是低扭小的缺点,往往会通过增大飞轮半径的办法增加减速比,以获得更好的扭矩输出表现,增加汽车提速性能,这样设计对于提升汽车的加速性能是有好处的。缺点是汽车发动机的转速攀升比较快,对于汽车的高速性能和油耗有影响。

四、加大变速箱的传动比:

汽车的最终加速性能还取决于变速箱传动比的设计,变速箱起到的作用就是改变扭矩以及改变传动方向的作用,在发动机输出功率一定的前提下,通过在低速档加大传动比的方法,让汽车的扭矩输出有所提升,以爱信的6AT自动变速箱为例,1-6挡的减速比分别为4.148、2.370、1.556、0.859、0.686,倒挡的减速比则为3.394,减速比大于1的是减速档,此时起到放大扭矩降低转速的作用,小于1的是加速档,起到提升速度、降低扭矩的作用,当减速比越大,扭矩放大的作用越大,反之越小。


发动机功率、扭矩和汽车加速性能的关系:

经常能听到这样一种表述:“极速看功率,提速看扭矩”,实际上这句话是片面的,一般来说,发动机功率决定着汽车的最高速度,而汽车的加速能力和扭矩有一定关系,但是最终还是取决于发动机的功率。下图的1.5T涡轮增压发动机的功率输出曲线和老款2.4L自然吸气发动机持平,提速性能自然差不了。

有人说那为什么涡轮增压发动机的车型提速快?这主要是由于涡轮增压发动机可以提供更宽扭的矩输出范围,为发动机和变速箱的匹配提供了较大的选择余地,在发动机低转速时,涡轮增压发动机的升功率更大,可以提供更充足的功率,因为有变速箱的存在,扭矩大小转换完全不是问题。并不是发动机低扭大提速就一定快,柴油发动机的扭矩远远大于同排量的汽油发动机,如果真的是扭矩决定加速的话,使用柴油车的性能岂不是吊炸天了?

涡轮增压发动机给人提速快的感觉另一个原因是由于涡轮增压发动机在输出同样功率时,低转速时就可以提供较大扭矩,相应的发动机转数就比较低,而如果输出同样的功率,自然吸气发动机的转数攀升比较高,这就会给人一种没劲的感觉。


众口说车


汽车如何实现低速高扭?

这一问题想要得出答案首选要对扭矩有的概念有充分理解:扭矩指物体发生转动时产生的力矩,对于发动机而言可以理解为转矩,名称不同但是概念相同;内燃机通过曲轴飞轮输出的力矩是转矩,力矩的单位是N·m(牛顿·米),计算方式为【力×力臂】,这些是结构对于参数的影响。

在结构固定的前提下想要提升扭矩则要依靠“动力源”的调整,机械结构在没有外力推动下是不会运转的,那么内燃机的“外力”则为气缸内热能与机械能转换,说白了就是燃油燃烧产生的有效功基数。热机不论是外燃式还是内燃式,其输出扭矩的基础是燃料燃烧产生的化学能转换,首先转化为内能之后转化为机械能,那么只要燃烧产生的基数大泽转换为机械能的数值也会变大。

但是发动机在低转速时的进气量是很小的,即使是涡轮增压发动机也没有大幅提升总量,看似低转速是无法实现大扭矩的。不过以涡轮增压发动机为例,增压机的作用是以高压压缩空气的体积,常温常压下空气中的氧含量为21%,而在压缩后比如把1.2L空气压缩为1升大小,那么实际进气中的氧含量则为23.1%,这种比例已经达到了富氧燃烧的状态。

富氧燃烧的火焰温度会与整车氧含量的温度高,而热机的基础是燃烧化学反应产生的热能转化为机械能,所以燃烧温度增加则能升高扭矩输出的基数,问题已经得出答案了。

内燃机在不改动结构的前提下想要提升低转速运行时的输出扭矩,唯一的方式是增压进气提升氧含量;不过已经是涡轮增压机的发动机没有必要调整,不论是参数标准的是【1500~4000】还是【3000-6000】,这只是发动机不同的调教状态,前者以极快的速度达到增压器的最高转速、实现最强增压,这种驾驶体验偏向全时性能体验;后者以比较慢的速度在3000转才能实现增压器的最高转速,这种设计并不会让低扭明显变弱。

因为增压器的运行依靠的是发动机运行排出的废气,压力只要稍微大一些增压机既可以开始运行,一般增压机会发动机1000转左右开始增压,到3000转才能达到最高转速目的是让1000~3000转之间的加速足够线性,这一转速是正常代步驾驶时最常使用的,所以这种调教能让用车体验更加理想,而且敢于如此调教的发动机也会有相当大的扭矩。那么涡轮增压机不用再考虑调整,经过严格计算设计制造的发动机已经是最理想的状态。

至于自然吸气发动机只能考虑加装增压机,废气涡轮增压改装的难度很大,而且会有破坏性的改装,一般不建议考虑;自吸发动机改装比较多的类型为机械增压,增压器通过皮带与发动机曲轴连接,只要启动后曲轴一定是旋转的,那么增压机也就是在启动后开始全时增压;只是机械增压的转速比较慢,在高速驾驶中效果很遗憾,但在低速时增压进气富氧燃烧对动力提升还是相当明显的。


改装禁区:刷机

提升低扭的方式可以通过刷机改变点火提前角,正常的量产发动机点火提前角往往是滞后的,在活塞上行达到上止点瞬间开始点火,点火后燃油充分燃烧时活塞已经下行,爆燃产生的有效功会损耗一部分才能开始为活塞加力。

而修改了参数后点火提前角则不再滞后,在活塞没有达到上止点时即开始点火,在达到上止点后燃油充分爆燃产生有效功会以最大比例推动活塞下行通过连杆带动曲轴输出扭矩。

这种改变原机参数的调整虽然能增强低扭表现,但是提前角的修改也会让爆燃产生的震动影响活塞的稳定性,与气缸缸壁的磨损会严重的多,发动机使用寿命大幅缩短。所以一般的刷机不建议考虑,增压机不建议改动、自吸发动机可以考虑机械增压,但都没有换车更直接。

想要低速扭矩更理想,最好的办法是换一台大功率纯电动或混动汽车,因为电动机是恒扭矩发力,不依靠燃油爆燃而是依靠地磁场推重转子旋转,那么只要在起步瞬间最大电门输出电流则电场强度最高,在起步的第一转即可爆发最强的扭矩。

这是所有内燃机都做不到,所以今天的性能车往往都是插电式混合动力,也许在技术成熟后燃油车改装电机也是不错的性能提升方式,供参考。


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天和Auto


前些年涡轮增压发动机还不是这么流行的时候人们总喜欢把自吸发动机分为两种,一种是高转速发动机,一种是低转速发动机。其实说白了就是最大扭矩转速的高低。最大扭矩转速来得早的被称为低转速发动机。最大扭矩来得晚的被称为高转速发动机。低转速发动机平时稳着开很舒服,油耗也低。高转速发动机适合跑快,转速拉起来后动力源源不断。那究竟低转速大扭矩是怎样实现的呢?今天咱们就来说说这个话题。

扭矩怎么来的

扭矩可以理解为发动机有多大力气。这个力气来自混合气燃烧膨胀对活塞产生的推力。比如上图,混合气膨胀推动活塞,而活塞又推动连杆,连杆推动曲轴,力量就这么产生了。

所以我们知道想要提升扭矩有两个个要素:

提高混合气膨胀力量。

增加连杆推动曲轴的力矩。

提高混合气膨胀力量的方法

1、提高混合气数量

简单来说就是增加低转速时的进气量,进气多了活塞就能压缩更多的空气,压力就更大。而且混合气多了能多喷油,燃烧膨胀力量也更大。涡轮增压发动机就是这个套路。提高混合气数量就又牵扯到很多因素了,比如进气道形状、进气门形状、气门重叠角、进排气正时、燃烧室形状等。

2、提高压缩比

这个好理解,压缩比越大混合气压缩程度越大,压缩冲程末端燃烧室压力就更大,做功冲程混合气燃烧对活塞的反作用力也越大。

3、增大点火提前角

我们普遍认为发动机工作时活塞到达上止点开始向下运行时火花塞才开始点火。而实际上活塞在压缩冲程末端火花塞就开始点火了,这就叫提前点火。提前点火是可以增加发动机输出扭矩的。因为提前点火可以增加活塞压缩压力,这样在做功冲程反作用力也更大。

4、增加活塞行程

增加活塞行程可以充分利用混合气膨胀的能量,增加推动活塞的时间,从而提高扭矩。

提高连杆驱动曲轴的力矩

比如上图,绿色箭头代表连杆对曲轴的推力,而L是推力的力矩。推力相同的情况下力矩L越大最终在曲轴上产生的作用力越大。这就像我们用撬杠撬东西,撬杠越长力量越大。而增加力矩的方法就是提高曲轴回转半径,而这又导致活塞需要更长的冲程,也就是我们所说的小缸径长冲程,这一点跟柴油机是一个道理。

其实一台发动机结构定型后其最大扭矩转速基本上已经确定了,因为机械结构决定了最大进气量转速,而工程师要做的就是针对硬件特性去合理控制各种因素来提升扭矩。


爱车大家说


关于发动机的参数,有三个大家普遍都很关心的数值,即:功率、马力和扭矩。这三个名词如果用最直白的语言来解释那就是:功率代表动力动力的持久力;马力代表汽车的速度极限;扭矩则代表汽车的爆发力。

那么一辆车的扭矩越大,它在单位时间内的动力输出和加速能力也就越大,换句话说此时汽车就越有劲,提速也就越快。所以我们在拉重物、爬坡或者进行越野的时候,都需要在低档位来实现正常的驾驶。

一般来说我们家用车的扭矩,它达到最高峰值时的转速大致是在2000-4000的范围,也有些水平较好的小排量发动机可以在1500-1750左右,就可以让发动机达到峰值扭矩的80%,例如大众的1.4T发动机。



那么发动机是怎样实现低速高扭呢?

实现低速高扭最基本的原理就是变速箱的齿轮比变化,这个原理大致和我们骑变速自行车是一个道理。就是当你用较小直径的主动轮去带动较大直径的从动轮时,由于主从动齿轮之间的直径比例很大,因此主动轮就需要用很大的力才能带动从动轮跟着转动,而这个过程就是最基础的低速高扭原理。

当随着速度的上升,此时物体已经具有了一定的行驶惯性,因此如果主从动齿轮之间的尺寸比例还是不改变的话,那么我们在行驶的过程中就会白白浪费很多的动力,同时也会极大增大发动机或人的负载。


所以当我们升高档位后,随着主从动齿轮之间的齿轮比变小,在汽车自身惯性的作用下,我们就不需要很多的动力便能保持汽车的高速行驶状态,而此时发动机输出功率的降低,就势必意味着扭矩输出也会随着降低。

此外根据功率=扭矩×转速的公式也可以看出,当发动机的转速恒定时,功率的输出和扭矩的大小是正比关系,而当发动机的功率恒定时,转速的高低和扭矩的大小则是反比关系,所以汽车的“低速高扭”状态,可以说是发动机的基本状态。

上面说了汽车最基本的低速高扭原理-变速箱齿轮比原理,那么在这个基础上,工程师们还可以会在其他方面去加强发动机的“低速高扭”输出范围,例如:



1、\t增大发动机的进气量,方法之一就是添加涡轮增压器,让燃油在燃烧室内达到更佳的空燃比,使之燃烧更加充分,因此发动机就可以在同等转速的情况下,进一步提高自己的输出功率,那么随之而来的扭矩输出就必然会增大。

2、\t使用低惯量的涡轮增压器,做法就是减小增压器的涡轮和泵轮的尺寸,降低它们的转动惯量,让涡轮增压器在较低转速时就可以快速进入到自己的最大工作状态。这样做的好处是能在低速时尽量压榨出发动机的最大扭矩,但缺点是在高速或高转速状态下的扭矩持续爆发性,会容易出现较为明显的下降。



3、\t调整节气门的开闭时间,简单地说就是将进气节气门的开闭时间适当延长,它的目的同样是进一步增加发动机的进气量,提高燃油的燃烧效率,这可以让自然吸气车也能在低转速的情况下,获得更多的发动机功率输出,从而增大发动机的扭矩爆发性。而我们常听到的那些VVT技术、DVVT技术、VVT-i技术等等,都是为了调整进排气节气门的开闭合时间而设定的。

4、\t发动机的燃烧技术,这方面涉及到的技术就要比起前面所说的那些都更加复杂,但这些技术例如:缸内直喷、分层燃烧、汽油压燃等都是为了一个相同的目的-提高燃油的燃烧效率,增大发动机输出功率,提高发动机的扭矩输出。



5、\t此外还有比如使用变量机油泵、中空的凸轮轴、逆齿链结构的正时链条等等,也都是提高发动机输出功率的各种方式。

综上所述,无论是在城市间还是在乡村,我们确实需要汽车在低速的状态下拥有较大的扭矩爆发,这样做有利于我们超车、提速以及负重前行。我们常见的涡轮增压发动机可以在较低转速状态下提供较大的扭矩,而像自然吸气车则很可能需要将转速提升较高数值时,它的峰值扭矩才有可能得以体现。


壹车热评


加大差速器的减速比是提高轮上扭矩的最好方法,发动机这块基本不可能了改装的话花费会非常巨大一般是增加涡轮得不偿失


用户2764024452547


最好的技术是混合动力


icar2


再怎么调也不如电机的特性好,0转速可以达到最大扭矩(比汽油机要高很多),高转速比汽油机高很多,而且是恒功率特性。


70后小老头


通俗易懂马比牛快.牛低速高扭!


晓欣123


换低档呀,变速箱齿轮切换自然低速高扭。


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