渦輪增壓“過氣”了?

三缸渦輪機問題上,第一個向消費者妥協的車企出現了。

上汽通用為旗下主銷車型英朗重新提供 1.5L 自然吸氣四缸機,它將和之前的 1.0T、1.3T 渦輪增壓三缸發動機並行銷售。1.5L 發動機的動力水平與原有 1.0T 大致相當,可以滿足國 6 排放標準。

僅僅兩年前,上汽通用大舉推廣三缸增壓引擎,新一代 Ecotec 系列的 1.0T、1.3T、2.0T 三款發動機中,前兩者都是三缸。通用希望全線產品換裝 Ecotec 系列發動機,三缸、小排量化、渦輪化是戰略方向。

(通用 Ecotec 系列發動機)

不只是通用,2018 年前後,大眾集團也以一款新的 1.5L 自然吸氣發動機,取代現有的 1.2TSI 增壓發動機和陳舊的 1.6L 自吸發動機。與之同時到來的還有一款帶有渦輪增壓的 1.5TSI 新引擎,它將擁有高低功率兩個版本,替代現有的大眾 1.4TSI 發動機。帶與不帶渦輪增壓的兩款 1.5L 排量新發動機,將成為大眾集團未來的主力動力系統。

兩大汽車巨頭的新動作有幾個共同點:自然吸氣迴歸、小排量化停止甚至逆轉、增排量但動力不漲。

通用的 1.5L 引擎其實不是全新研發,在 Ecotec 系列 1.0T/1.3T/2.0T 大軍到來之前,這臺 1.5L 發動機已經被通用旗下諸多品牌使用了多年。今年迴歸的 1.5L 自吸發動機,只是為適應國六排放新規做了少許調整,最大功率(113 馬力)和最大扭矩(141 牛·米)分別減少了微不足道的 1 千瓦和 2 牛·米。它準備補充、但又沒有明著取代的 1.0T 三缸引擎,擁有 125 馬力和 170 牛·米。

大眾的 1.5L/1.5T 則是傾力打造的全新動力系列(第二代 EA211),尤其是 1.5TSI 版本集 ACT 主動閉缸、VTG 可變幾何渦輪、高壓縮比米勒循環等“豪華”技術於一身,被大眾集團寄予厚望。去掉增壓器的 1.5L 自吸發動機,也用上了排氣可變正時等跟上時代的技術。

但全新研發的大眾新引擎,情況也和通用那邊差不多。新的 1.5L 發動機,和所要取代的 1.2TSI、1.6L 發動機表現相當,甚至某些參數並不佔優。1.5TSI 的高低動力版本分別擁有 130 馬力和 150 馬力,和輸出 150 馬力的 1.4TSI 舊引擎基本一致。如果算升功率(每 1L 排量輸出的功率),1.5TSI 的兩個版本最高不過 100 馬力/升,這在渦輪增壓發動機中是顯著偏低的。連本田用在飛度身上的 1.5L 自然吸氣引擎,都可以輸出與低功率版 1.5TSI 相當的 131 馬力。

那麼這樣兩家全球巨頭級車企,費那麼多功夫究竟在幹啥?

過去十年間渦輪增壓在民用車市場飛速普及,其實和以往的排放法規密不可分。當自然吸氣發動機技術被挖掘殆盡,早在七八十年代就已經出現的渦輪增壓技術被提上了檯面。

雖然家用車渦輪化就是最近十年的事,但渦輪增壓本身不是新技術,早在上世紀七八十年代,法拉利、保時捷等超跑廠商就已經開始藉助渦輪增壓來提升動力。之後二三十年,渦輪增壓只是被作為汽車發動機的選擇之一,而沒有像今天這般全面普及的地位。

那麼渦輪增壓發動機就會省油嗎?這是一個流傳極廣的誤區。你很容易在民間口口相傳中,乃至相當一部分媒體口中,聽到一套通俗易懂、邏輯自洽的解釋:渦輪增壓發動機更省油更高效,因為它將自然吸氣發動機(非增壓)浪費掉的排氣能量利用起來了。

但增加一個渦輪增壓器本身並不省油,恰恰相反,由於增壓系統增大了進氣量,發動機需要同步增加噴油量,在其他條件不變的條件下,渦輪增壓發動機的油耗水平會和動力水平一樣被提高。

真正讓渦輪車擁有省油高效特點的,是因為渦輪增壓帶來了小排量化,以及“不得不”被帶來的直噴普及。

第一點很好理解,渦輪增加了發動機動力,於是同等動力需求下,發動機的排量可以被縮小。原本需要 2.0L 的自然吸氣發動機,現在只需要一臺 1.5T 增壓發動機即可。而發動機的能耗分佈圖,是與排量直接相關的,適度縮減排量會使發動機的高效運轉區間更加貼近日常使用。渦輪增壓器的存在擴展了發動機高功率輸出的上限,但縮小的排量使得日常低功率狀態的能耗更低。

第二點其實是一個被動過程。以往的化油器發動機,將燃油噴射至進氣道,與空氣混合再吸入氣缸點燃做功,而直噴系統是用噴油嘴直接向氣缸內噴射燃油。直噴發動機的燃油被直接噴入燃燒室,更利於燃油經濟性,但也存在著更容易積碳的弊端。

你很容易發現,最近十年誕生的新時代渦輪增壓發動機,幾乎都有一個字母 “I” 為結尾:大眾 TSI、奔馳 CGI、福特 GTDI 等等,I 代表著 “Injection”,意指燃油直噴。渦輪增壓發動機與直噴系統幾乎是綁定的,這是因為渦輪增壓會大幅提高進氣的溫度和壓力,而燃油直噴在氣缸內部霧化,可以起到吸收多餘熱量的功能。

渦輪化帶動了直噴系統普及,實際上我們所看到的新時代渦輪機油耗降低,有相當一部分就是來自於直噴系統的貢獻。

(進氣道噴射和缸內直噴)

理解了渦輪增壓發動機是如何“省油”的,我們可以總結出兩個結論:一是渦輪機減小了排氣量,更利於日常小功率需求下的燃油經濟性;二是渦輪機的進氣溫度高於自然進氣發動機,以至於最好能找來直噴技術“幫忙”。

汽車廠商們一股腦地投入小排量渦輪發動機的世界裡不可自拔,一直到歐洲 WLTC、中國國六標準的出臺。

在以往,歐洲舊測試循環 NEDC 標準下,小排量的渦輪機很容易取得比更大排量發動機更好的能耗/排放成績。這是因為 NEDC 是一種加減速簡單、急加速少、高車速時間短的測試循環,小排量渦輪引擎在這種低負荷工況下,正好運行在自己的高效區間,油耗和排放自然佔盡優勢。

但人們逐漸發現 NEDC 測出的油耗根本靠不住,它的測試循環偏離實際使用太遠了,真實使用中的急加速減速、高速行駛會使得實際油耗高於測試油耗。這樣一來,在更高負荷工況下,小排量發動機的能耗優勢會被削減甚至被更大排量發動機逆轉。

於是歐洲出臺了新的 WLTC 測試循環,加減速過程更復雜,高車速時間更久,還加入了實際道路測試 RDE(之前是臺架測試)。中國的國六測試標準,大體上的改變與之類似。

(現在歐洲新車都要進行 RDE 路測)

在工況更嚴苛、動力系統負荷更高的 WLTC、國六測試中,小排量渦輪發動機不僅沒法再佔排量小的“便宜”,更難的是,由於缸內高溫高壓,渦輪發動機的排氣溫度要比自然吸氣發動機高得多,而排氣溫度過高會導致一個嚴重後果:尾氣排放汙染物超標。

二氧化碳並不屬於汙染物,碳排放量是一個單獨的指標,基本上只能靠節油來減少,汽車的尾氣處理系統負責的是氮化物、硫化物這樣的有毒氣體。而因為三元催化器催化劑的化學特性,當排氣溫度過高,對氮化物和硫化物的處理效果會大打折扣。

於是為了通過新的國六排放標準,無非這麼幾種方式。增加尾氣催化處理裝置,這會擠佔空間需要改變設計,還會增加重量和油耗;減小渦輪增壓器的增壓壓力,降低排氣溫度,這會導致動力減小,要保持動力輸出就需要採取其他措施。當然,無論選擇哪一種,成本的增加都在所難免。

自然吸氣發動機在面對國六時,壓力要小得多。通用的 1.5L 發動機,國五版本和國六版本只是差了微不足道的個位數馬力和扭矩。而渦輪增壓發動機,視增壓值的高度,越是增壓值高、升功率高、壓榨更狠的發動機,面對國六的壓力就越大。反映到現實中,你很容易發現,同樣一款發動機,國六標準版的動力輸出相比國五版本都會稍有下降。

過度的小排量化,過高的增壓值設定,過於寄希望於大渦輪彌補小排量的天生不足來獲取更多動力,在偏重低負荷的舊排放測試中可以輕鬆通過,在高負荷的新測試標準中,就很容易因排溫過高導致的三元催化失效,而倒在汙染物排放測試上面。

通用重新啟用 1.5L 四缸自吸引擎,部分原因自然是三缸引起的爭議和不滿。但三缸問題由來已久,偏偏在這個時候換“心”,國六起到了推波助瀾的作用。大眾在第二代 EA211 1.5TSI 引擎上,使用了停缸技術,在低負荷時關閉兩個氣缸,以此來對沖排量增加導致的油耗增加。其高功率版本的升功率也不過 100 馬力/升,這是十年前渦輪引擎的普遍水平,這還是在應用了可變幾何渦輪的前提下。對於動力壓榨的剋制,減輕了尾氣處理系統的壓力。

渦輪增壓依然是普及性質的燃油車動力技術,但它在過去十年的迅速普及發展,以及排放測試標準的不夠與時俱進,讓廠商們過於依賴渦輪來獲取表面上的“油耗動力兼顧”。放在金融世界裡,渦輪為廠商們帶來了動力和紙面油耗的雙重“紅利”,而當紙面油耗的測試標準改變,低油耗“泡沫”破滅,就需要對渦輪帶來的價值“重新估值”。

但很顯然,世界上不會有免費的午餐,至少完全免費的沒有。


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