這是一個比較不好回答的問題,涉及到發動機的基本設計理論,汽車設計定型出廠到了用戶手中以后,實際上并沒有什么太好的辦法大幅度來提升低速扭矩,不外乎刷ECU、改進排氣、加裝機械增壓等有限的幾種,不過后果也不太好預測,后果有可能會影響發動機使用壽命。但是對于發動機廠商來說,在設計過程中,可以通過優化設計來提升發動機扭矩。
扭力是物體轉動時所產生的力,“矩”實際上表示的是“曲尺”,也就是尺子,顧名思義就是扭力+距離的意思,扭矩就是單位長度上力的大小。當用于發動機上的解釋就是曲軸回轉時產生的力矩,實際上就是曲軸中心軸到飛輪半徑距離上所產生力的大小。
扭矩的計算公式:扭矩=力 X 力臂
因此,從發動機角度來說,扭矩與兩個參量有關:曲軸回轉力和飛輪的半徑。對于發動機來說,要想提升低速扭矩輸出,就需要從這兩個方面來做文章。
通過減小氣缸直徑、增大氣缸行程來增加扭力
發動機排氣量的計算公式是:
排氣量=(π×缸徑×缸徑)÷4÷1000×行程x氣缸數
根據上面的公式,氣缸半徑和氣缸行程呈反比,也就是說在不改變發動機單個氣缸排氣量的前提下,氣缸缸徑增大,活塞的行程就會變小,反之,行程就會增大,如下圖所示,為了提升發動機的低速扭矩,可以通過減小氣缸直徑的方法來增加氣缸行程,也就是通常所說的“小缸徑大行程”,氣缸行程增大以后,曲柄長度就會增加(紅線部分),根據扭矩的公式:扭矩=力X力臂,力臂增大,扭矩自然也會增大。同時,曲柄長度增大以后,曲軸的回轉慣性也會增大,作用在軸心的扭力也會增加。這種發動機設計一般用于越野車、城市SUV等強調發動機低速扭矩的應用場合。
副作用:發動機的最大功率會有所降低,由于曲軸的慣性增加,推動曲軸轉動所需要的功就會增大,發動機的最大轉速就會降低,進而影響發動機的最大功率。實際上這也是高轉速發動機和低轉速發動機的設計的一個比較明顯的區別。
二、改善進氣效率,增加燃燒效率
發動機是通過燃料燃燒推動活塞往復運動帶動曲軸旋轉實現做功的,如果進氣量增加,燃燒量增大,自然所做的功也會增大,現代的電噴系統可以根據發動機的進氣量,通過ECU的計算,控制噴油嘴噴出相應的燃油,實現燃料完全燃燒,因此,增加進氣量可以實現發動機輸出功率的增加,進而增加發動機低速扭矩。
1、使用動態可變氣門提升進氣效率:
作為發動機廠商來說,發動機普遍安裝有動態可變氣門系統,改善進氣效率,這套系統可以根據發動機的運行工況,調整氣門開合時間、角度,使進入的空氣量達到最佳值,提高燃燒效率。
2、使用增壓系統,增大進氣量
為了進一步提升發動機的低扭,還可以通過利用增壓的方式來提升進氣量,比如渦輪增壓、機械增壓、電子增壓,無論是哪種增壓,其本質目的就是為了在不改變物理排氣量的前提下,增加進氣量,實際上也就是增加了同時燃燒做功總量。
3、使用缸內直噴技術,提升升功率
缸內直噴技術,可以更加精確的控制噴油量,由于汽油在霧化噴射過程中可以降低一部分熱量,因此,有利于降低發動機爆震,這樣就允許使用更高的發動機壓縮比,而實際上發動機的壓縮比的提升也會帶來活塞行程的增加,進而提升發動機的升功率,增大低速扭矩。
4、使用高流通量的空氣濾芯,增加進氣量
很多車友都聽過汽車改裝應用最廣的兩個詞:“改進氣”、“改排氣”,實際上其本質目的也就是為了增加發動機的進氣量。比如改裝界很流行的高通量空氣濾芯“冬菇頭”,就是為了降低進氣阻力提升進氣量。進氣量增大,再通過ECU控制噴油量,也可以達到些許提升功率、扭矩的作用。
理論上來說,當發動機功率輸出一定的前提下,想要增加發動機的低速扭矩,就需要增加發動機的主減速比,也就是增大發動機飛輪的半徑,飛輪半徑增大相當于增加了力臂,此時扭矩也就相應的會增加。
發動機功率和扭矩的關系如下:功率=扭矩×轉速/9550,根據上面的公式,9550是一個常數,因此,在發動機輸出功率一定的前提下,發動機的扭矩增大,相應的轉速會降低。很多小排量發動機,為了彌補發動機扭矩小、特別是低扭小的缺點,往往會通過增大飛輪半徑的辦法增加減速比,以獲得更好的扭矩輸出表現,增加汽車提速性能,這樣設計對于提升汽車的加速性能是有好處的。缺點是汽車發動機的轉速攀升比較快,對于汽車的高速性能和油耗有影響。
汽車的最終加速性能還取決于變速箱傳動比的設計,變速箱起到的作用就是改變扭矩以及改變傳動方向的作用,在發動機輸出功率一定的前提下,通過在低速檔加大傳動比的方法,讓汽車的扭矩輸出有所提升,以愛信的6AT自動變速箱為例,1-6擋的減速比分別為4.148、2.370、1.556、0.859、0.686,倒擋的減速比則為3.394,減速比大于1的是減速檔,此時起到放大扭矩降低轉速的作用,小于1的是加速檔,起到提升速度、降低扭矩的作用,當減速比越大,扭矩放大的作用越大,反之越小。
經常能聽到這樣一種表述:“極速看功率,提速看扭矩”,實際上這句話是片面的,一般來說,發動機功率決定著汽車的最高速度,而汽車的加速能力和扭矩有一定關系,但是最終還是取決于發動機的功率。下圖的1.5T渦輪增壓發動機的功率輸出曲線和老款2.4L自然吸氣發動機持平,提速性能自然差不了。
有人說那為什么渦輪增壓發動機的車型提速快?這主要是由于渦輪增壓發動機可以提供更寬扭的矩輸出范圍,為發動機和變速箱的匹配提供了較大的選擇余地,在發動機低轉速時,渦輪增壓發動機的升功率更大,可以提供更充足的功率,因為有變速箱的存在,扭矩大小轉換完全不是問題。并不是發動機低扭大提速就一定快,柴油發動機的扭矩遠遠大于同排量的汽油發動機,如果真的是扭矩決定加速的話,使用柴油車的性能豈不是吊炸天了?
渦輪增壓發動機給人提速快的感覺另一個原因是由于渦輪增壓發動機在輸出同樣功率時,低轉速時就可以提供較大扭矩,相應的發動機轉數就比較低,而如果輸出同樣的功率,自然吸氣發動機的轉數攀升比較高,這就會給人一種沒勁的感覺。