“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

在曾经的那个涡轮被视作离经叛道的疯狂年代,欧洲的厂商们留给我们的是用涡轮诠释极致的F40和XJ220;而在东方的丰田与马自达,也分别用搭载了潜力无限涡轮机的Supra和RX-7向世界诉说着马力的诱惑。没有了自然吸气的高亢声浪,但是涡轮带来那惊世骇俗的动力,让这个形似小猪佩奇的玩意儿散发出独有的魅力。


“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

从上世纪80年代开始,这绝对是一场马力和扭矩的狂欢盛宴,在F40的涡轮起正压的瞬间,当时几乎被视作动力界未知领域的478马力和577牛·米扭矩便会被悉数传递至后轮至上,来自IHI的大号涡轮,引出了车手们即便满头大汗与方向盘较劲,同时伴随着那无限接近死亡的恐惧所带来的快感享受,嚯,大概这才是像样的涡轮。

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到了XJ220之上,一台仅仅3.5升排量的V6引擎困扰着工程师们——要如何,才能将它提升至220mph的速度,于是乎,在两颗涡轮的压榨下,XJ220迸发出了542马力和645牛·米的扭矩,那可是在1992年啊!在意大利的一条名为Nardo又极其颠簸的赛道上,XJ220将量产车极速的记录推到了217.1mph(349.4km/h),正是涡轮,让疯狂,有了更多的渠道!

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涡轮的烟火在西方绽放,而在东方也开出了别样的花朵。Supra的盛名皆由2JZ-GTE双涡轮引擎携来,原厂280马力只是受制于“君子协定”制约,轻松500马力的改装才是牛魔王的小试牛刀,1000马力的Supra遍地都是。直到如今,改装圈内依然流传着一个让人闻风丧胆名号——二勾Z。


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至于RX-7,躁动的转子配上躁动的涡轮,1.3升的双涡轮转子引擎原厂就有280马力,当然,一样被“君子协定”限制的它依然能在解除束缚后轻松来到500马力的水准,前后50:50均衡的配重,涡轮介入的瞬间便能让RX-7的后轮轻松突破抓地力,多么疯,多么狂?!

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而这样的年代,似乎已经离我们渐行渐远了。


涡轮增压技术,最终还是为环保服务


而到了今天,不论是各类排放法规还是大气条约、排量税、积分制等等等等,量产车中的涡轮渐渐开始“堕落”了起来,不为那极致的动力,只为能再给我的车降低一升油耗。

咦?涡轮不是为了提升动力吗?能降低油耗又是什么原理。


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当然,这一切的一切都有一个前提,那就是加涡轮减排量(缸数)。在2台结构排量一模一样的自然吸气引擎之上,一台A加上涡轮系统,另一台B作为对照组,那台加上了涡轮系统的引擎为了控制爆震,必须要做的就是降低压缩比,同时,又由于发动机的理论热效率其实取决于压缩比,压缩比低则热效率就低了。同时要对点火系统进行修正,将气缸内的燃烧工况进行缓和……这一顿操作下来的结果便是,A发动机的油耗上去了,并且增压值越高,它的油耗越惨不忍睹。

所以,加涡轮降低排放和油耗一定有一个大前提,那就是加涡轮的同时减排量(缸数)。

“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

同样是一台2.0升的自然吸气引擎,在当前的技术条件下,大部分主机厂都能将它做到160马力以上,扭矩则可以达到200牛·米的水准。那么能不能用一台更小排量的涡轮增压引擎来达到这样的动力参数水准呢?以通用第八代Ecotec引擎为例,1.35T引擎的基础排量仅仅1.35升,只配上了一个小惯量涡轮,它就能达到165马力和240牛·米的扭矩,马力可以和2.0升的自然吸气引擎持平,而最大扭矩甚至还高出了不少,甚至,它还少了一个缸。

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用一台更小排量的涡轮增压引擎,来达到较大排量的自然吸气引擎的动力水准并取代之,这是当前几乎所有的主机厂都在研究的事儿,为什么要这么做?目的只有一个,保证足够动力的同时,能更省油且更环保。


凭什么小排量涡轮增压引擎可以输出大马力?


其实涡轮的结构和原理很简单,通过气缸内排出的一部分废气的惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮转动,而涡轮的又带动了同轴的叶轮,从进气道进来的空气经由叶轮增压成高压气体,并最终进入气缸内形成一个循环。

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为什么要增压?因为自然吸气引擎始终无法避免其瓶颈——其空气是被动地被吸入气缸内的,简单来说,引擎所需的空气完全依靠活塞下行时产生的负压而进入,即便气缸吸满了空气,缸中气压也只是就小于或等于一个大气压而已。

为了更大的马力,能量守恒定律告诉我们,我们必须在单位时间内消耗更多的燃油,才能释放出足够的能量。拉高转速是一个选项,提升排量是一个选择,加涡轮,也是一个选装。

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提升转速面临的是高强度活塞、气缸、更复杂的配气结构以及研发带来的成本问题;提升排量则意味着与排量税和北极熊的家园过意不去。剩下的解决方案便就是加涡轮了。

“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

涡轮系统的结构相对简单且成熟,而更大的缸内气压匹配更多的喷射燃油也不是问题,重新设定喷油程序对于扩缸加排量和提转速换活塞缸体的成本简直是小菜一碟。当超越大气压的气体被输送至气缸腔内,更多的燃油也随之进入气缸(缸内直喷在气缸内混合,进气歧管喷射则是在进气歧管处混合)和空气混合爆炸,爆发出更大的能量,用一台小排量引擎爆发大马力,在涡轮时代,显然是一件不值一提的简单事儿。


减少泵气、机械损失来减低油耗


引擎的进气过程就是打开进气门,活塞下行之后空气被真空吸入气缸,这个过程就是进气的泵气消耗。因为当前的量产汽车引擎都是四冲程的引擎,在四个冲程中,只有做功(爆炸)冲程是释放能量的,别的冲程实际上都是在消耗能量。进气冲程中,泵气就需要消耗一部分的能量。

“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

但是,涡轮增压却在泵气过程中有其特有的优势。因为空气在增压室被增压后,其压力超过了一个大气压,从进气歧管到气缸内的这个过程,涡轮机泵气反而像被一只无形的手入气缸之内,这额外的力量便减少了泵气损失,相对应的就减少了能量消耗,由此带来效率的提升显而易见。


同时,我们不要忘了小排量涡轮增压的另一个奥义——小排量。小排量意味着更小的活塞、更小的活塞环、更小的行程、更小的连杆、更小的曲轴还有更小的配气结构……这一切都意味着更小的摩擦,对于一台随处是摩擦的内燃机而言,更小的摩擦自然意味着更优秀的效率。

“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

当然,从4.0到3.0,再从3.0到2.0,从2.0到1.5甚至更低,我们看到的是气缸数量的减少,气缸作为引擎的主体部分,气缸的减少不仅极大地降低了综合性的摩擦,更是带动了活塞数量、配气结构、曲轴长度等的减少以及引擎整体质量的降低。对于减重这个汽车界的大命题来说,涡轮增压可谓夺得了引擎界的高分。

而上述的这一切,毫无疑问,都是为了环保,为了油耗。

即便带涡轮,但涡轮并不是随时“存在”

这又是一个十分有趣的事实。


当前市面上的大部分涡轮增压引擎在涡轮没有启动的时候,其实就可以类比成一台更小排量的自然吸气引擎。简单又不是十分严谨的情况下,可以说这个说法几乎是没有毛病的。毕竟,我们在日常状态下,其实是并不需要有那么大的马力和扭矩的。就像我们在高速巡航或者高架巡航的状态下,我们甚至可能只需要60马力左右便能实现定速巡航,而这60马力的动力,自然是不需要涡轮参与到我们的动力系统中去的。


“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

所以,一台涡轮增压引擎,它会有它的非增压区间,自然也有它的增压区间,而判断何时增压何时不增压,几乎就是由驾驶员的油门来进行控制的。因为泄压阀的存在,当我们处在日常中高速巡航且不变速的情况下,此刻我们的涡轮增压引擎是和一台自然吸气引擎没有任何区别的,任何低于这台自然吸气引擎最大动力的输出都会导致发动机进气歧管里的负压。


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举个例子,通用第八代的Ecotec引擎中的那台1.35T三缸涡轮增压发动机它虽然有着165马力的最大功率水准,但是在80km/h等速巡航的时候,它的涡轮并不介入,它彼时就是一台1.35升的自然吸气引擎,假如它在自然吸气工况下,它有着100马力、135牛·米的动力水准的话,那么几乎任何不超过这个参数水准的动力诉求,都不会由涡轮介入。

只有当我们需要超车或是完成其他需要更高马力扭矩的行车动作时,进一步踩油其气缸内的进气的压力才会高于一个大气压,也只有这个时候,泄压阀才会开始关闭,而其中由发动机气缸内排出的一部分废气才会进入到涡轮室内工作,带动增压室增压。


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单从动力的角度在理论层面进行考虑,一台0.8升左右的自然吸气引擎就能达到60马力以上的动力参数,而一台0.8T的引擎可以轻松带动大部分家用车日常巡航,而其也因为自然吸气极限工况也不需要较大的燃油量,油耗也得以十分之低,是不是很神奇?当然,实际的汽车工况十分复杂,这样的引擎在现阶段并不现实。通用的第八代Ecotec序列中有台1.0T的三缸引擎便是很大胆的尝试,并且效果还十分理想,它的综合油耗表现甚至接近丰田的THS油混系统。


知道丰田为什么也开始带T了吗?


A 1.4-liter turbo standing in for a 2.0-liter naturally aspirated engine can deliver a 5 percent increase in fuel economy, Ogiso estimated.

——丰田首席工程师小木曾聪


扭矩的秘密,涡轮省油的杀手锏

对于一台小排量增压引擎来说,最引以为傲的地方,便是其能输出高扭矩,而高扭矩的意义,对于油耗是极为友好的。

“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?

以某台涡轮增压引擎的万有特性图为例,横轴是转速,纵轴是发动机可以简单理解成发动机扭矩,扭矩可以等同于发动机负荷,蓝线是发动机油耗,单位g/kWh,数字越低代表了油耗越低。


对于日常家用而言,大部分消费者都不大可能在长期在3000转以上换挡,那么,可能我们对于这台涡轮增压引擎的扭矩的常用区间是这样的(图中黄色区域,便于理解,不严谨)。

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但是,一台有着近似扭矩的自然吸气引擎的万有特性图匹配我们常用扭矩区间则会出现下图这样的情况(便于理解,不严谨)。

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可以看到,如果将这台小排量涡轮引擎用一台近似扭矩(排量一定提升)的自然吸气引擎取代日常使用的区间几乎达不到最优的油耗区间范围内,小排量涡轮增压的杀手锏的意义,不言而喻了。当然,这个黄色区间内还有最优的挡位取点,这同样是涡轮引擎的优势所在,这一点我们今后再谈。


“堕落”是为省油,小排量增压自是最优解


不管是否将小排量涡轮的使用定义为堕落,小排量涡轮引擎的崛起之势自是无法阻挡。而对于小排量引擎如何选择的问题,这其中又涉及到了“单缸最优”理念,单缸0.33L-0.5L的排量区间已然成为下一代高效内燃机研发的共识,第八代Ecotec和EA211 evo便是走在了全行业的前列。


“堕落”的涡轮,不为马力竟是为了省油?


不论是通用第八代的Ecotec的1.0T还是1.35T,亦或是大众EA211 evo的1.0T和1.5T,在动力水准和油耗表现上都达到了全行业领先的水准,满足动力情况下更优化油耗,是与那个疯狂的涡轮年代截然相反的路线。或许经典就是只能存在回忆里,告别疯狂的涡轮,我们还有能有守护地球家园的高效小涡轮。


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