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浅谈小排量涡轮增压

2017-11-26 来源:网络 编辑:陈中鑫

    涡轮增压在中国市场的口碑经历了两个极端,在大众掀起“涡轮攻势”之初,它曾经是先进技术的代表,很多人号称非涡轮不买。但这一技术在小排量车型中普及之后,谈起涡轮增压许多车主都闻风色变,体验差、可靠性低、维护费用高等种种缺点,让批判小排量涡轮增压也成了某种政治正确。但随着排放标准的提高,小排量涡轮增压车型的大势似乎已经不可阻挡,连一向恪守自吸“王道”的本田和马自达也纷纷上马涡轮车型,也许是时候了解一下涡轮技术了。

    什么是涡轮增压技术?

    

    涡轮增压不是多么现代的发动机技术,早在1905年瑞士工程师Alfred Buchi博士就已成功将该技术运用到汽车上并申请了专利,但直到今天由于环保法规的改变才让涡轮增压的普及率大幅上涨。普通自然吸气发动机充气效率理论值最高也只能达到100%(也就是1个大气压,但不可能达到,进气、排气各环节中伴随着许多能量损失的情况),所以自然吸气发动机想在一定的技术成熟度下不通过增加排量而提升动力是很难的,而且效率也很低。涡轮增压技术却可以轻易做到这一点,通过发动机废气驱动涡轮运转,从而提升进气压力,充气效率会得到大幅上涨,现普遍家用涡轮增压发动机的增压效果已经可以达到1.3bar左右(在一个大气压标准上再提升1.3个大气压,所以在有的技术资料中又会标注成2.3bar),而且这还是偏温和的调教下得到的效果。

    但鱼与熊掌不可兼得,涡轮增压技术也带来了许多负面影响,比如说由于涡轮迟滞引起的动力输出不直接不线性、涡轮技术不成熟导致发动机可靠性下降、后期养护成本增加。上述这些问题在过去涡轮增压技术还不太成熟的年代的确让消费者吃了不少苦头,很多国内的消费者对涡轮增压的印象也是偏负面居多,那么在展开讨论之前有几个关于涡轮增压技术常见的误区需要先普及一下。

    一、关于涡轮介入的理解:在许多消费者甚至是部分汽车媒体从业人员认知当中,关于涡轮介入的普遍定义就是发动机转速到达一定程度(通常会认为是达到最大扭矩的最低转速)时涡轮才开始运转工作。

    但其实从发动机开始运转起,废气就会一直去推动涡轮转动,只不过此时排出的废气并不足以完全推动涡轮转动产生正压力(大于1个大气压),仍处于负压区间,所以此时对动力是几乎没有提升的,可是涡轮也在一直在运转。

    只有当转速与动力需求都达到一定程度时涡轮才会充分运转产生正压力,从而提升动力,并不是光转速或动力需求单一条件满足就可以,这点在后面会展开细说。

    所以严格意义上来说涡轮是一直都在工作的,但涡轮在负压区间工作时对动力输出几乎没有影响,只有在进入正压区间后才能提升动力输出,行内约定俗成的涡轮介入指的就是涡轮建立正压的那一瞬间。

    二、废气旁通阀:废气旁通阀也叫做泄压阀(WVG),在排气管道至排气端涡轮的一个阀门如下图。远古时期时的机械泄压阀主要作用是限制涡轮增压的最大增压值,当超过最大值或最高设定温度时泄压阀就会开启泄出一部分气压,起到保护涡轮寿命与限制增压上限的作用。

    

    而如今的电子泄压阀主要是用作配合动力需求控制涡轮的工作强度,根据ECU的动力请求而改变开启闭合的幅度,在一般没有增压需求时(如轻踩油门/完全松开油门)泄压阀是会一直保持开启状态,大部分废气从泄压通路排走,避免了无谓增压引起的一部分燃料消耗。随着油门加大,泄压阀也会随之加大闭合程度,在最高动力请求下(全油门)泄压阀会立刻完全关闭,所有废气用于驱动涡轮叶片转动。

    根据上述的原理回到之前的问题,即便转速维持在一定程度,但动力请求不高,泄压阀一样会开启避免无谓消耗,例如在车辆时速很高时突然松开油门或轻轻吊着,泄压阀会立刻打开,车轮快速转动依然会带动发动机在一定转速下运动,此时涡轮是不产生正压力的。

    或者静止全油门起步,泄压阀立刻完全关闭,但瞬间废气流量还没足以完全推动涡轮叶片克服惯性做功,正压的建立需要一段时间,等转速提升到一定程度(废弃流量较多时)才能发挥出最大压力。

    所以转速与动力请求缺一不可,转速决定了废气输出的多少,动力请求决定了泄压阀的开闭幅度,两者协同工作才能让涡轮快速运转提升动力。

    涡轮增压带来的影响

    在坊间,排斥涡轮的现象主要存在于两类人身上,一是普通消费者(担心涡轮所带来可靠性下降与养护成本的提升)、二是汽车爱好者(钟情于大排量自然吸气,对于涡轮增压极其厌恶,认为涡轮迟滞对驾驶性的影响是毁灭性的,简称“自吸情怀党”)。

    首先关于普通消费者对可靠性与养护成本的考量不无道理。从最本质来看,带涡轮增压技术的发动机与寻常自然吸气发动机相比多了一组涡轮模块,内在结构复杂,简单粗暴对比两种发动机结构无疑自然吸气更简单,最起码出问题的部件少了一块。但是要知道,汽车发动机是一个高度集成化的产物,单纯只对比某一模块、零件的意义并不大,如在宝马经典的E46时代发动机油水问题一样困扰着广大消费者,而在如今一样有丰田8AR这样可靠性相对高的涡轮增压发动机,不同品牌、不同技术、不同产地所对应的可靠性千差万别,与其为了可靠性去避讳涡轮发动机还不如多对不同车型做可靠性相关的资料搜集。至于养护成本,普遍涡轮增压比自然吸气会高,因为其对机油品质与燃油品质的要求也相对更高。

    其次,讨论涡轮迟滞对驾驶性带来的影响。大部分人对涡轮迟滞的理解其实并不清晰,很多时候会认为深踩油门后动力响应的快慢就是涡轮迟滞的快慢,却忽略了变速箱的存在,甚至会连踩油门后的动力响应是来自变速箱降挡还是涡轮介入都还没分得清楚。涡轮从静止到稳定在最大负荷工况下工作一般需经历,泄压阀关闭-废气推动涡轮叶片开始转动-涡轮叶片完全克服惯量稳定转动。严谨来说测试涡轮迟滞需在台架上完成,维持发动机转速不变观察全油门下的扭矩曲线。

宝马N20涡轮增压发动机恒定1500转下扭矩示意图(图来自知乎用户苏黎世贝勒爷,侵删)
宝马N20涡轮增压发动机恒定1500转下扭矩示意图(图来自知乎用户苏黎世贝勒爷,侵删)

    以上图宝马N20发动机为例固定1500rpm下由10%油门开度瞬间全油门踩踏,经历1.6秒左右能达到最大扭矩,也就是说此时涡轮稳定在最大负荷下工作,转速越高所需时间越短。该例子中其实在0.1秒时扭矩已经有急剧的上涨达到涡轮介入前发动机在自然吸气状态下所能达到的最大扭矩,后面的1.5秒扭矩的拉升几乎都属于涡轮的响应,涡轮所带来的动力提升是短时间内线性提升,而dct、at变速箱降挡动力几乎都是断层阶梯式上升(调教得好的变速箱在扭矩转换中能传递得相对平顺点),两者是有区别的(插个题外话,很多汽车迷钟情于拉线油门,感觉电子油门响应慢,其实只是情怀带来的幻觉,高负荷工况下电子油门的响应速度远快于人体感官的反应速度)。

    如今涡轮增压技术日益渐进,小惯量轻质化涡轮叶片、单涡轮双涡管、双涡轮、电动涡轮、可变截面涡轮、排气可变等一系列缓解涡轮迟滞的技术已经非常成熟。参考盖得排行30万+中型车榜单,前十名中有9款车型使用的都是涡轮增压发动机,这些车型动力表现基本都处于同级中上游水平,发动机涡轮迟滞对日常使用甚至激烈驾驶几乎不会带来多大的负面影响。

    其实涡轮迟滞的重灾区主要还是集中在自主品牌低端车型里,近几年不少自主厂商为了赶上技术潮流都给旗下车型搭载上涡轮增压技术,但技术积淀孱弱、急于求成的厂商在面对各种技术壁垒时又怎么可能有耐心作出好的可行性方案呢?所以常见的手段都是采购而已,自主开发的发动机少之又少,其中三菱的中古神器4G63最受国内厂家所喜爱,被广泛布置在众多小型、紧凑级车上,以消费者当今的水平要求来看待这款中古发动机那绝对是不够看的,但在国内这个购买力水平较弱的初级汽车市场,偏偏这些车型又是最走量的存在,涡轮增压也就顺其然背上了体验极差的骂名。

    小排量涡轮增压真的省油吗?

    众所周知,小排量涡轮增压的普及就是为了应对环保法规,而且在工信部公布的数据看来小排量涡轮增压的成绩也是不错,但大多消费者却不这么觉得,那么小排量涡轮增压真的省油吗?

    首先比较小排量涡轮增压与自然吸气发动机油耗需确定都是相同车型下只有发动机为变量其他不变为前提。先说结论,同动力水平相比,小排量涡轮增压比自然吸气省油;同排量相比小排量涡轮增压比自然吸气费油。

    涡轮增压发动机由于温度、进气压力都比自然吸气发动机高,所以其爆震倾向更高,导致压缩比需要调节得更低,燃烧效率下降,所以同等排量下,小排量涡轮增压比自然吸气费油。

    另一种情况,①同动力水平下,小排量涡轮增压发动机由于排量变小、动力水平不变,也就是说发动机每个缸体做功能力上升,相同转速下能输出更大扭矩,效率更高。换句话说就是日常使用区间更靠近发动机的运转高效区(相同转速下扭矩储备更大,日常使用的工况在发动机万有特性图中更偏左上方靠,更接近油耗更低的高效区);

    ②同时发动机排量减小能让发动机小型化,发动机小型化带来的优点是,泵气损失减少、摩擦做功减少、质量降低。甚至一旦使用缸数更少的(如3缸)发动机所降低的各种损失会更明显,当然这样做会让缸体承担的负荷更大同时也产生更多其他可靠性问题(没有完美的发动机,只有最适合自身需求的妥协)。

    虽然涡轮增压使发动机压缩比下降,但是正面影响要远高于负面影响,所以相同动力水平下,小排量涡轮增压发动机比自然吸气发动机更省油。

    总结

    对于涡轮增压各种错误言论常见于网上各种论坛,绝大部分消费者被错误引导,对涡轮增压畏之如虎,实则不必,只要谨慎理性选择,踩雷几率不大,同时亦可关注盖得排行汽车榜内容,进行初步筛选。

    有异于十几年前,涡轮增压技术已不再是性能导向的产物,完全成为了节能环保导向,动辄12缸、8缸的大排量时代已经过去,新能源出现并成为了新的技术方向,自然吸气继续研发效益不断降低,小排量涡轮增压大行其道也是理所当然,与其继续厚古薄今,不如谨慎选择、拥抱改变。

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