棉花糖牌宝马教程二十三：一些几何，燃烧和功率的关系

mianhuatang

好久没有来写教程了，最近一直忙着房子的事情，另外正在开始自己的公司，所以时间非常非常有限。这次我就来简单说说一些基本几何学，燃烧原理和功率输出的故事。因为是故事，所以不需要用非常严格的计算来证明，仅仅是一些最基本的原理。

首先来聊一聊bore and stroke的故事。Bore and stroke中文就是缸径和冲程的长度。这两者通过体积计算公式就可以得到排量，但是，即使是同样排量的引擎，也可以设计成大缸径短冲程或者是小缸径长冲程的形式。一般而言，长冲程的引擎，torque比较大，这是因为在气体燃烧的第三冲程（假设是4冲程的内燃机），燃起可以充分的做工，并且因为torque是取决于stroke和燃烧压力的，所以在同样的燃烧压力情况下（燃烧压力取决于压缩比和燃料），越长冲程的引擎，能够产生越大的torque，这也就是为什么，卡车的冲程非常非常的长。但是长冲程带来的后果就是转速非常难以提高。这是一个理解起来非常简单，但是从数学角度非常难以表达的一种自然现象。例如单摆，本征振幅越大的单摆，频率越低，反之越高。那么，因为长冲程带来的后果就是转速只能提高非常非常有限。

众所周知的，HP = torque * rpm / 5252，插一句，这个公式其实含义非常深刻，特别是这个5252常数，又非常重要的物理意义在里面，我就不展开了，有兴趣的自己去找资料。所以即使torque非常大，但是如果转速有限的画，马力仍旧不能有效的提高。再high performance的车辆上，HP是一个非常重要的参数，那么如果torque的提升有限的话（前面说过了，燃烧压力取决于压缩比和燃料，一般的车压缩比不超过12，燃料就更罕见超过100octane的了），唯一的方法就是提高转速。那么提高转速的唯一办法就是减少reciprocal mass（降低往复质量）或者减少振幅。

首先从减少振幅来说，那么就是降低冲程的长度，在同样的排量的情况下尽量提高缸径。据个例子，Honda的F20C引擎。F20C是Honda用在S2000上的超级引擎，不要小看这台2.0L的4缸自然吸气引擎，升功率达到了惊人的125PS，就我所知，目前为止这个效率绝对是量产车里可以派到前三名的。F20C是基于F20B引擎的，两者的缸径和冲程分别是87 x 84和85 x 88毫米的。两者红线分别是9000和6500转，虽然F20系列的torque是除了名的低，但是F20C仍旧仅仅在2L的排量下榨出了250马力，必须完全归功于这超大的缸径和较短的冲程。

同样的效果也在F1赛车上出现，普通的F1的V8引擎，冲程仅仅只有大约40mm，而缸径达到了惊人的100mm左右。只有这样的引擎才可能把转速提高到18,000以上。虽然马力输出非常惊人，但是往往f1的引擎的torque甚至不如普通大排量的SUV。

说到缸径，冲程，就不能不提大名鼎鼎的Wankel引擎，就是大家常说的转子引擎。首先我们要向尊敬的Wankel致敬，而且还要像现在孤单的战斗在wankel领域的唯一厂商Mazda致敬。Mazda的1.3L的Nenesis引擎，在如此之小的排量之下，能产生出超过200马力的动力实在是令人发指。因为再rotary引擎里，根本就没有往复组件，所以从另外一个角度，变相的解决了转速，缸径，冲程和动力输出之间的一些制约。可是因为一些不可解决的设计原因，Wankel引擎是不可能大幅度提高torque输出的，我这里就不展开了，具体可以去搜索wankel engine oil seal, apex burn-out等等。

那么是不是没有办法解决缸径和冲程对动力输出的不同影响么？当然不是，通过一些引擎的其他设计，照样可以在同样的排量下达到最大马力和最大torque输出的。仍然要紧记，整个引擎是一个非常复杂的系统，只有站在系统的高度才能充分看得清楚各个部件之间的矛盾关系。

例如最简单的引擎sleeving。造成转速上不去的原因之一就是piston ring和cylinder wall只见的摩擦。如果使用一些比较好的材料，例如碳化硅，fiber reinforced aluminum或者甚至于碳纳米管，都可以有效的降低摩擦，提高平稳性，再不损失冲程（torque）的情况下，进一步提高转速，提高马力的输出。上次有个做碳纳米管材料的同学和我私下聊过，我也做过一段时间的碳纳米管，一致的意见是这是一种非常有前途的材料，可惜到真正的应用还有很远很远的路要走。

另外的方法就是使用高压缩比，甚至是direct injection(貌似国内叫缸内直喷技术)。柴油机的torque往往远比汽油机大，而且柴油的octane rating非常低，所以只有采用直喷技术，才能有效的利用柴油。现在一些汽油机，例如CTS的一款引擎，Audi的一些引擎都是用了这种柴油机上已经使用了n>40年的技术。汽油机得直喷技术还是起步阶段，因为最终的目标是可以使用任何种octane的燃料，使用超过15的压缩比（现在的车，即使是porsche，也不过就是12左右），在短冲程的情况下，产生非常高的缸压，弥补torque。但是要注意到的是，在高缸压的情况下，气缸壁必须相对要厚一些，才能保证足够的强度。这样一来，即使是铸铝的引擎，也会重很多。不要小看这多出来的几毫米，往往这几毫米能带来超过20-30kg的变化，在引擎上，这是一个非常巨大的数字。另外，高压力的injector，fuel pump和控制单元都会加上非常大的重量。我个人并不看好direct injection在赛车上的引用。

最后就是使用High octane fuel。我的赛车的压缩比是14，不可以使用即使是加油站里买到的最好的燃料。平时我们一般是购买小型飞机上的汽油（不是航空柴油的那种飞机），因为是赛车，没有催化转换器，所以飞机燃料里的抗爆剂的四乙基铅对赛车的引擎是完全没有任何印象的。我平时赛车用的是110的汽油，街道宝马用的是93汽油。这里要注意的是美国标号和国内标号是不一样的，这里加油站里最高的汽油是93，国内貌似是没有的，即使是国内97号的也没得比。

巴依尔

做沙发学习，舒服

虫虫

国内有98的 质量还差不多``燃烧好点??

MGPG

阅毕，学习，跟贴！

chevrolet_ljw

飞机燃油用在车上，强

大众铁托

受教了，多谢！

铁嫂

只看了一句：“另外正在开始自己的公司。。。。。。”

严重恭喜棉花糖小盆友！！！！！！！！