作者: DrTCL (只有努力才有希望 !!!) 看板: NCUMotorClub
標題: 引擎扭力與容積效率 熱效率 油耗的關係
時間: Thu Nov 1 22:35:21 2007
我做完功課回來了 雖然參考的資料有限 有很多我不懂的地方都找不到解答
不過這些資料至少能讓我了解不少未曾思考過的東西
我不太會用文字敘述理論的東西 所以就直接用公式表示吧 希望看的人不要睡著:p
首先說明 以下是對理論值作探討 不考慮brake horsepower(制動馬力)與
indicated horsepower(指示馬力)的差異 實際其況的影響之後再討論吧
另外公式已經極盡簡化 省略很多細節 希望不要造成困惑
且公式並不困難 非常容易理解
式中大寫表示參數 小寫表示下標 打'的原來是需要在參數上打一小點
表示此參數對應時間變化 例: x'=x/Δt
以下為各參數整理:
1.Troque & Power (扭力及功率):
2πτ = W = (mep)*Vd/n
其中 τ = troque [N-m]
W = work [kJ/kg]
mep= mean effective pressure [kPa]
Vd = displacement volume [m^3]
n = number of revolutions per cycle
(two-stroke: n=1 ; four-stroke: n=2)
the Power is
W'= WN/n = 2πNτ [kW] ---(1)
其中 N = engine speed [RPM]
2.Air-Fuel Ratio & Fuel-Air Ratio (空燃及燃空比):
Air-Fuel Ratio: AF= Ma/Mf =M'a/M'f
Fuel-Air Ratio: FA= Mf/Ma =M'f/M'a ---(2)
其中 Ma = mass of air
M'a= mass flow rate of air
Mf = mass of fuel
M'f= mass flow rate of fuel
3.Specific Fuel consumption (油耗特性):
sfc = M'f/W' [gm/kW-hr] ---(3)
其中 M'f= rate of fuel flow into engine
= mass flow rate of fuel [gm/sec]
W' = engine power [kW]
4.Engine Efficiencies (引擎效率):
the heat added is:
Qin = (Mf)(Qhv)(ηc)
for steady state:
Q'in = (M'f)(Qhv)(ηc)
and Thermal efficiency is:
ηt = W/Qin = W'/Q'in
= W'/[(M'f)(Qhv)(ηc)] = ηf/ηc
其中 W = work of one cycle
W' = power
Mf = mass of fuel for one cycle
M'f= mass flow rate of fuel
Qhv= heating value of fuel [kJ/kg]
ηc= combustion efficiency (大約為0.95~0.98)
ηf= fuel conversion efficiency
故 ηf= W'/[(M'f)(Qhv)] = 1/[(sfc)Qhv] ---(4)
(意味著油耗越低熱效率越高)
5.Volumetric Efficiency (容積效率):
ηv = Ma/[(ρa)(Vd)]
ηv = nM'a/[(ρa)(Vd)N] ---(5)
其中 Ma = mass of air into engine for one cycle
M'a= steady-state flow of air into the engine
ρa= air density evaluated at atmospheric conditions
outside the engine [kg/m^3]
Vd = displacement volume
N = engine speed
n = number of revolutions per cycle
將式(1)~(5)整理後可得:
τ= (ηf)(ηv)(Vd)(Qhv)(ρa)(FA)/2πn ---(6)
其中Vd,Qhv,ρa,n可視為常數 將所有的不變量以常數C表示
則 τ= C(ηf)(ηv)(FA) ---(7)
所以扭力正比於熱效率 容積效率 燃空比 這點如同村哥所說
若將式(4)帶入式(6):
則 sfc = C(ηv)(FA)/τ ---(8)
所以乍看之下 在容積效率 燃空比不變的情形下 最大扭力具有最高的
熱效率以及最佳的油耗似乎是對的 但實則不知道每一個轉速下確實的
容積效率及準確的燃空比 因此我們以另一個方式來計算
由來源資料提供了兩項參考:
汽缸吸入的氣體流經空氣濾清氣 化油器 進氣歧管 汽門至汽缸都會受到
阻力 此阻力與引擎轉速成正比 故引擎轉速越高 容積效率越低
降到一定的程度後轉速就無法再上升 這就是引擎動力無法再增加的原因之一
而引擎的動力來源是靠燃燒 燃燒經壓縮過的混和氣 產生高達3000度以上
的高溫氣體 使汽缸內產生約4000KPa 大約40倍大氣壓力的高壓推動活塞
產生的力經由連桿傳遞到曲軸上就是扭力 進入活塞的混和氣越多 產生的壓力越大
雖然低轉時有較佳的容積效率 但燃燒產生的熱能不但加熱了氣體 同時因為
低轉速使熱有更長的時間傳導到汽缸壁 活塞 汽門上 這些傳導掉的熱就稱為
熱損失(heat loss) 減少了傳遞給活塞的能量 使扭力降低
當轉速逐漸增加 引擎中各機件摩擦鎖損失(friction)的動力會隨轉速提高而增大
且以非線性方式增加 使扭力開始大幅下降
根據式(8) 在燃空比變化差異不大的情形下 低轉至最大扭力轉速時容積效率漸減
而扭力漸增 所以sfc漸減
最大扭力轉速至高轉時容積效率漸減 扭力也漸減 sfc開始漸增
若把橫軸表示為rpm 縱軸表示為sfc 則曲線會形成U字型 此U字型的弧底大約是
最大扭力出現的地方 這是因低轉有較高的熱損失
高轉有較高的摩擦損失 分別使油耗增加
再引用參考資料4.第106頁最下面的一段話:
燃料消耗量最小的引擎轉速稱為經濟轉速 一般均在引擎最大扭力及最大輸出
馬力的轉速之間 如圖...所示... (沒掃描機)
舉幾個本田車系的例子:
NSR250
http://www.honda.co.jp/factbook/motor/NSR250R/19890100/009.html
CB250RS
http://www.honda.co.jp/factbook/motor/CB250RS/19800300/012.html
GL500 WING
http://www.honda.co.jp/factbook/motor/WING/19771209/010.html#engin
VF750
http://www.honda.co.jp/factbook/motor/VF750/19820300/017.html
CIVIC
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/CIVIC/19790718/cv79-026.html
ACCORD
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/ACCORD/19810922/ac81-028.html
以上點選性能曲線圖即可放大 來源有點老舊
大概是因為新車的性能曲線圖是機密吧 XD
當然也有差異較大的情形:
INTEGRA
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/INTEGRA/19930520/in93-013.html
NSX
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/NSX/19900913/ns90-037.html
CR-V
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/CR-V/19951009/cr95-018.html
但U字型的趨勢不變
所以"將引擎轉速保持在最大扭力轉速附近是最省油的"這並不是什麼錯誤的想法
至少理論值符合這個條件
重點是不是要將引擎轉速保持在全油門下的最大扭力轉速 而是要根據油門的
開度作調整 舉例來說 一顆全油門下最大扭力為 6Kg-m/7000rpm
最大馬力為 10ps/7500rpm 的引擎
在1/3油門開度下的最大扭力假設為 2Kg-m/3000rpm
最大馬力為 3ps/3300rpm 此時若以低檔位1/3油門開度拖到7000rpm
將會變的耗油 因為高的引擎機械摩擦損失都會變成油耗
同時因容積效率 很難在1/3油門開度時拖到7000rpm
當要全油門達到7000rpm又維持在低檔位不變 結果如何大家都知道
而以高檔位低轉速全油門拖車速 第一是扭力不足加速慢 第二是轉速低
落在油耗不經濟的區域
一台車子若一檔油耗最經濟的車速為20-25Km/h 二檔40-45 三檔80-85
四檔110-105 五檔130-135 六檔160-165 而要用六檔維持在90Km/h巡航
這樣會讓轉速落在油耗不經濟的轉速上 因此若要跑到90Km/h
使用三檔或四檔都是適合的
如果擔心自己的引擎不知道經濟轉速是否真的落在最大扭力轉速附近
又找不到性能曲線圖 想要定速巡航又要省油的話
那就盡量控制轉速不要過低或過高吧 !
最後的小補充 機械效率=制動馬力/指示馬力
=制動熱效率/指示熱效率
=制動平均有效壓力/指示平均有效壓力
其中 指示馬力為理論馬力 即汽缸中燃料燃燒所產生的馬力
制動馬力為實際馬力 即由引擎飛輪向外輸出的馬力
指示熱效率: 汽缸中混和氣所產生的功能和消耗燃料之熱量的比值
制動熱效率: 引擎實際輸出馬力和所消耗燃料之熱量的比值
火花點火引擎的機械效率約為75~85% 指示熱效率約為35~45%
制動熱效率約為25~30% 而壓縮引擎之制動熱效率約為35%或更高
參考資料:
1.Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of the Internal
Combustion Engine, Prentice Hall, Chapter 2, pp.49-65
2.Colin R. Ferguson & Allan T. Kirkpatrick, Internal Combustion
Engine - Applied Thermosciences, John Wiley&Sons, Inc. pp.6-12
3.William H. Crouse & Donald L. Anglin, Automotive Mechanics,
McGraw-Hill,Inc. pp98-104
4.汪國禎 編著, 汽車學(一)-汽油引擎篇, 復文書局, 95-112頁
再提供一些相關且有用的連結:
汽車的動力—馬力篇
http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=45
汽車的動力—扭力篇
http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=47
引擎常見的參數：空燃比、容積效率、點火正時
http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=73
隸屬工研院的車輛耗能研究網站:
車輛新技術對耗能影響評估摘要 (PDF)
http://auto.itri.org.tw/research/DOC/menu5_7_1.pdf
民國95年車輛油耗指南
http://auto.itri.org.tw/download/DOC/greencarguideline_95.pdf
車輛耗能Q&A
http://auto.itri.org.tw/publicize/QandA.html
經濟部能源局車輛省能要訣手冊
http://www.moeaboe.gov.tw/statistics/files/車輛省能要訣手冊.pdf
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→ Lancelot 推：感覺有的推論怪怪的,不過我看不懂得更多..不知怎麼問 07/11/01