解密:百年来工程师是如何让汽车速度变得越来越快的?
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汽车文化
人类对速度的追求从来没有停止过。从自己奔跑,到驾驭马匹,再到蒸汽机车,电力机车,再到如今的复兴号,人们总是在追求速度的道路上孜孜不倦地努力。车迷们对汽车的速度期望也不断提高:车库里总是缺一台更快的车!于是智慧的工程师们便想出各种办法来提升动力来满足人们日益增长的欲望。
第一个办法是最直接,最粗暴的,那就是增大汽缸排气量。1886年戴姆勒发明的人类历史上第一台汽车排量仅为0.462L,单缸,最高车速16KM/H。20世纪初期,著名的福特T型车排量已经增长到了2.9L,能输出20马力的功率,最高时速也达到70km/h左右。到了20世纪五六十年代,人类已经能够生产8缸甚至12缸汽车了,排气量倍增,此时发动机体积已经接近轿车能承受的物理极限,难以继续增大。
代表车型:福特第二代野马 (Ford Mustang II,1975),发动机排量5.0L,122马力
福特第二代野马是在1975年石油危机以后福特为了使汽车回归到拥有”可以让人满意的动力表现“而推出的,采用了著名的福特302发动机,排量5.0L,功率122马力,带动野马完成0-96km/h的加速耗时10.5秒,极速171km/h。
第二个办法可以在某种意义上看做是上一个办法的延续。既然汽缸的容积无法继续增大,工程师想到了曲线救国的方案来变相地增加排气量——增压。涡轮增压从上个世纪80年代开始在赛车界流行。工程师为发动机增加一个废气驱动的气体压缩机(涡轮增压器),将汽油和空气的混合气体进行压缩后充入气缸,这就使得单位容积的气缸得以容纳更多的汽油和空气。参与燃烧做功的油气增多,发动机的功率和扭矩自然就变大了。机械增压与涡轮增压同理,只不过驱动力来源从废气变成了发动机曲轴端。
代表车型:AMG A45,发动机排量2.0L,381马力
AMG A45配备了一台2.0L涡轮增压发动机,可以输出最大功率381马力,是涡轮增压技术应用的典范之一,可以带动AMG A45在4.2S的时间里完成0-100km/h加速,十分强大,媲美当今时代的5.0L自然吸气发动机。
还有一个办法在改装界直线加速赛上比较流行,那就是加装氮气加速系统。这套系统工作原理是把N2O(一氧化二氮)液化后充入气瓶中,在需要增强动力时释放气体进入气缸,气体会在高温的气缸中生成氮气和氧气。氧气是助燃的利器,有了更多的氧气后就可以燃烧更多的汽油,从而增强动力输出。这在本质上与增压类似,只不过实现的方式不同罢了。这项技术的缺点是难以控制反应速度,故无法在民用车上普及,没有量产车型可参考。
第三种是增强动力的方式是近年来开始流行的一种方案,加持电机来弥补汽油机低转速区间扭矩不足的先天缺陷。我们都知道,汽油机的大扭矩需要在较高转速下输出。虽然近年流行的涡轮增压机最大扭矩提前了不少,一般1500转左右即可,但是仍然存在一个转速攀升的过程,而低扭天生优势的电动机介入可以很好地补充这一空档。除了起步,中后段加速的时候电动机配合汽油机一起,实现各种路况下的迅猛提速。当车子怠速,或者平稳行驶等不需要急加速的路况下,发动机又可以利用富余的功率为电池组充电,保证每一脚油门都能换来一次强烈的推背感。
代表车型1:宝马i8,发动机排量1.5T,231马力,电动机功率130马力
宝马i8采用了汽油机和电机的组合,使整车0-100km/h的加速水平定格在4.4秒,符合其超跑的定位。得益于小排量发动机+电动机所占用的空间大幅减少,宝马i8的设计师拥有更大的余地去发挥想像力,销魂的造型不知俘虏了多少人的心。
代表车型2:比亚迪唐,发动机排量2.0T,205马力,电动机功率300马力
比亚迪唐的车身长度超过4800mm,跻身中大型SUV行列。其采用了一台205马力的2.0T汽油发动机,两台150马力的电动机,实现了4.9秒破百的加速成绩。放眼当今世界,同级SUV中,采用自然吸气发动机的车型能与之媲美的可谓前无古人,可能也后无来者。目前仍坚守自然吸气阵营的中大型SUV JEEP大切诺基搭载了5.7L自然吸气发动机,完成0-100km/h加速需要7.3秒。即便是涡轮增压阵营,也只有极少数顶尖中大型SUV作品,如售价接近200万左右的AMG GLE 63、宝马X5 M、保时捷Cayenne 4.8T等才能勉强完成对唐的超越。
电动机与汽油机比加速的行为都是耍流氓?
有一种观点认为,电动机天生性能强大,安装了电机的车型跟油车比动力是不公平的!别忘了,当初涡轮增压技术兴起的时候,也有那么一种观点认为,涡轮增压技术有先天优势,跟自然吸气发动机比动力是”作弊“,不公平!
历史何其的相似?笔者不禁想问一句,大家同样在路上跑,同样实现载人出行的目的,同样的应用场景,为何不能比呢?自然吸气也好,涡轮增压也罢,亦或电机辅助,都只是一种动力总成解决方案而已。电动机+汽油机、涡轮增压器+自然吸气发动机,这两种组合形式在实现解决出行问题的本质功能上又有什么区别呢?奔驰S级,奥迪A8都将推出电机辅助加速技术,难道对手叫板S级的时候要先吼一句”请你拆掉电机“?
何况,并非所有电动机先天都会比汽油机强悍。放眼全球,能把电动机+汽油机技术做到媲美顶尖大排量内燃机水平的企业,屈指可数。这是一个非常复杂的系统工程,有太多的因素需要考量,大功率充放电对电机寿命、电池稳定性、控制器耐久性、整车线路都是十分严苛的考验,只有宝马、比亚迪这类技术储备充足、对产业链拥有相当把控能力的领军企业才能完成这个级别动力总成的设计和生产。
电池会没电,电机+汽油机=先天缺陷?
有人认为电池组跑没电以后,电池组和电机的重量就成为累赘,混动车的表现将不如普通燃油车的表现。很多没机会尝试、不甚了解的朋友有这个担心是可以理解的,但是,你们多虑了。那些年薪几十上百万的工程师不会想不到这个问题,厂家也不会允许随时会”宕机“的产品流向市场。针对可能出现的问题,研发人员在设计之初就已经解决掉了。
就笔者的亲身体会来说,无论是宝马i8,还是比亚迪的唐,即使你任性地用纯电行驶,故意把电量用”光“,系统也仍然会保留一定的电量,保证在下次急加速的时候拥有充足电量可供使用,而且电量低的情况下发动机已经开始自动为电池组充电,毕竟日常用车不是跑赛道,急加速的时间只是少数,正常行车过程中,怠速等红灯过程中,汽油发动机绝大多数时间都是处于非满载的工况下,此时它就可以为电池组补电,随时准备让你浪地更欢快!
插混是一个BUG?多花的钱省不回来?
笔者经常在留言评论区以及汽车论坛上看到类似这样的论调:买插混多花几万块,要是买燃油版省下的钱够我好几年的油费了。每次见到这种话的第一反应就是:科普的工作任重而道远。
拿唐来说吧,因为其拥有充电的功能,而让一些人把关注的重点放在了充电、省钱这方面,仿佛此外无它。笔者想说,只能看到省钱的眼界是一个BUG!抛开唐的充电功能不谈,假设唐不预留充电接口,给众人看到的只是一辆5秒破百,4驱的性能猛兽,那些加速10秒开外的15万普通燃油车,还有什么资格来跟唐比?要比也得拿AMG来比,各种伪钢炮也只有吃灰的命。
唐其实还有很多个性化设置和模式可以选择,诸如SOC设置、发电逻辑、混动模式等,都是非常实用的个性化功能,给车主多了一个自主选择权,可以让车子在性能优先和经济优先两种状态之间自由切换。笔者认为,唐特更适合性能控选择,等你体验后,你就会知道唐的动力系统有多么强悍。仔细想想,二十多万的价格,就可以得到一台4.9秒破百、媲美AMG的4驱中大型SUV,夫复何求……
汽车汽油发动机总成的发展大概就是这样经历了从自然吸气到涡轮增压到混动的过程。许多新技术的出现都会面临许多质疑,尤其是具有一点颠覆性质的新生事物,有时需要几年甚至一代人的时间才能彻底普及。
就像已经略显疲态的涡轮增压技术,虽然已经有人享受了十几年了,但是直至今日仍然有不少人抵触。这让笔者想到了当初电喷发动机取代化油器发动机的时候,好多人特别不情愿。但如今回过头来看看,还有多少人会怀念”汽车冬天不好打火,拉风门,怠速不稳,暖机“等等20年前司空见惯的用车盛况呢?
少年,大胆拥抱新技术吧,唐也好、i8也罢,那种比”大排量自然吸气+拉线油门“更加畅快的驾驶乐趣值得体验!