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涡轮迟滞,知道车厂有多努力吗?

Auto Magazine - - Question & Answer - Text :李尔欣

上期我们探讨了:各家车厂为解决涡轮增压迟滞问题,让小排量发动机运转起来也有类似大排量单元那般线性扭力输出,故而提出许多技术突破的方案。这期,我们接着来探讨其它的解决方案,看看众家车厂脑洞到底是怎么开的。

方案一低惯量涡轮(福特 1.0T Ecoboost 发动机)

在“International Engine of Year Award 2016”的榜单里,1.0升以下组的冠军是来自福特的1.0T发动机。这已经是福特1.0T发动机第五次被评为该组最佳发动机。诚然,获得这些荣誉靠的是综合实力,但这位福特 Ecoboost 家族的小弟在涡轮增压技术方面的成就也相当令人瞩目:一款结构紧凑的涡轮增压3缸发动机,竟然可以拥有170Nm/1500 ~ 4500rpm的扭矩输出,动态响应堪比自然吸气发动机。之所以能有如此成果,关键在于发动机配备的低惯量涡轮转子,不然,以那977cc 的排气量如何玩得转涡轮增压器?同样,即便TI-VCT 进排气可变气门正时技术能调节排气门的相位,使发动机可在低转速时排出更多的废气,但若涡轮转子的惯量过大也照样吹不动。而众所周知,涡轮机的转子是靠发动机排放的废气来吹动的,只有气流的推力超过转子的惯性,才能使转子全速运转并带动压气机工作,不然就会出现涡轮迟滞。事实上,为解决涡轮迟滞,汽车工程师最先想到的就是改用质量更轻的涡轮转子。只是要等到轻量化技术、发动机配气技术等“保障力量”全都成熟且完善后,低惯量涡轮转子才能够成为多数涡轮增压发动机的标配,并配合其他技术共同解决涡轮迟滞。

方案二电驱动涡轮(奥迪 4.0 TDI 发动机)

在奥迪 SQ7 发布后,官方似乎说过这样的话: “Turbo lag is history”。单从性能数据来看此言非虚 :0 ~ 100km/h 加速仅 4.8s,而高达 900Nm的峰值扭矩在 1000rpm时即已涌现。奥迪是怎么做到的?首先,这款柴油发动机的AVS可变气门升程系统能通过控制排气门的开合,来调节2个涡轮增压器的工作状态,确保在低负荷时只有1个涡轮在工作,从而减少整部发动机的涡轮迟滞时间。但真正的功臣,却是隐藏着的第三个涡轮:EPC电动压缩机。这其实是台靠电动机直接驱动涡轮转子的废气涡轮增压器,用外力强行突破转子的惯性,将涡轮响应与油门变化之间的时间差缩到最短——如果不是磁阻电机本身还要250 ms的响应时间,那涡轮迟滞早已被它扔进历史。目前,奔驰、宝马和奥迪均有应用类似的电动增压系统,尽管具体的命名各不相同,并且分别来自博格华纳、法雷奥等多家供应商,但基本都设有专门的供电系统。但奥迪EPC就配有独立48V 系统,并自带发电机和电池组,而涡轮转子的转速则可达到 70000rpm左右。可见这些主流大厂所用的电动涡轮绝非汽配城里的电子涡轮——那不过是一堆转速远低于 10000rpm的电风扇,靠直流无刷电机驱动,而电流则来自车载12V电源,纯属营销噱头,二者的属性截然不同。

方案三气动涡轮(沃尔沃D5 发动机)

当沃尔沃揭晓新一代S90时,世人多着迷于那身惊艳的设计,似乎并没有注意到那台使用双涡轮增压的全新D5柴油发动机在 1750rpm 即已达到 480Nm 的扭矩峰值,响应速度比在 2200rpm 才输出最大扭矩的T6汽油发动机要快得多。可后者早已用机械+涡轮双增压系统来压缩涡轮迟滞,为何仍不及前者?答案是:D5发动机率先应用沃尔沃研发的Powerpulse 技术,从而拥有更高效的工作状态。

简单来讲,Powerpulse技术解决涡轮迟滞的原理跟VTG可变截面技术相似,都是利用高速气流让涡轮转子尽快跳过迟滞的时间。具体到D5,沃尔沃先从发动 机的进气歧管中抽取部分新鲜空气储存起来,等到节气门变化时,再将空气注入排气歧管,通过高速空气脉冲,让串联双涡轮中的小涡轮转速从怠速时20000rpm 跃升到全速运转的150000rpm,而时间只需 0.3 s。北欧工程师的做法固然简单粗暴,却十分有效。目前具有 Powerpulse 技术的D5发动机已适配S90、V90、XC90、XC60等多个车系,只不过还没见到沃尔沃以外的品牌应用类似的技术。或许在沃尔沃为旗下的涡轮增压汽油发动机也加持 Powerpulse 之后,这项技术才会得到普及,比如“借给”吉利的发动机用。

方案四可变截面(保时捷 3.6T 发动机)

2006年日内瓦车展,保时捷997 Turbo全球首发。而新车身上最让人在意的,便是那台3.6 升双涡轮增压发动机:在搭载2个大涡轮的同时,竟然只需2250rpm 就能达到 700Nm的扭矩峰值,涡轮迟滞微乎其微。要知道,997 Carrera 的 3.6 升自然吸气发动机也得到4250rpm才会输出最大扭矩。其实,这是保时捷与博格华纳联合开发的VTG 可变截面技术的“杰作”。

表面上,VTG可变截面涡轮增压器不过是在涡轮转子的外围加上1圈电控导流叶片而已。但缩短涡轮迟滞的关键,恰在于这圈可主动偏转的叶片。叶片相叠,只需偏转叶片,即可改变气流吹向涡轮转子的风口截面积:发动机转速越低,叶片开角越小,风口也越小,于是空气流速就越急,涡轮也就转得越快,而涡轮迟滞便越小。等进入高转速后,发动机废气的流速已足以推动涡轮转子,此时叶片便完全打开,让气流充分扫动转子,使其高速运转起来。不过,可变截面涡轮增压器既不是保时捷的专利,亦非博格华纳首创。且不说20 世纪 90年代那些使用VNT可变喷嘴涡轮增压器的柴油发动机,本田更早在 1988年就推出过载有VGT几何可变涡轮增压器的 C20AT汽油发动机,用于第一代日规Legend,后因成本过高而不幸夭折。现在更有OEM厂商专门经营用于可变截面涡轮增压系统的控制器。显然,可变截面涡轮增压器不仅历史“悠久”,更早已发展成熟。

方案五可变压缩比(英菲尼迪 VC-T 发动机)

众所周知,压缩比代表着可燃混合气进入汽缸后能被压缩的体积,而被压得越多,混合气的密度就越大,温度便越高——被点燃后的能量释放也越大。所以,压缩比越大的发动机,其燃油经济性越好。但对于涡轮增压发动机来说却要限制压缩比,因为过大的压缩比会导致混合气体在被点燃前就因温度过高而发生爆燃。而涡轮增压发动机是把空气压缩后再与燃油混合,自然更易被提前“压爆”。与此同时,涡轮增压器又要靠发动机排放的废气来驱动,可偏低的压缩比恰恰意味着汽缸每次作功排出的废气较少,自会加重涡轮迟滞。另外,在涡轮迟滞阶段,由于压缩空气尚未进入汽缸,过低的压缩比便导致燃烧效率偏低,又造成燃油的浪费。于是,就需要发动机的压缩比随工作状况的变化增大或减小。事实上,早在上个世纪,萨博和标致就已试过让增压发动机应用可变压缩比技术,但最终都因为结构过于复杂而不得不放弃。幸亏这个世界上还有其他车厂在坚持,例如英菲尼迪QX50 将在 2018 年搭载的 2.0T发动机,就是一款可变压缩比的涡轮增压汽油发动机!

相比前辈,英菲尼迪的VC-T系列发动机内部结构要简洁得多,直接把连成一体的曲柄连杆变成可折叠式结构。当需要高压缩比时,便将曲柄连杆展开,使活塞的上止点上移;若要降低压缩比,就把曲柄连杆折起,让活塞的上止点下移。这样,在不改变汽缸本身容积的前提下,英菲尼迪VC-T 发动机能根据工况的不同,让压缩比在8:1 ~ 14:1之间自由调节,既能有效改善涡轮迟滞,又可弥补涡轮迟滞时“损失”的油耗。

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