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聊一聊你不知道的涡轮增压

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随着涡轮增压发动机在全世界的火热,不管是追求新科技的德国车企、崇拜大排量V8引擎的美国车企还是一贯坚持自吸的日企都纷纷开始研发和推广自己的涡轮增压发动机,小到3缸大到12缸的引擎都有涡轮增压的身影。

涡轮增压发动机是利用发动机排出的废气冲击装在排气系统中的涡轮,使之高速旋转,然后通过一根转轴带动进气涡轮以同样的速度高速旋转使之压缩进气,并强制地将增压后的进气送到气缸中。由于发动机的功率与进气量成正比,因此可提高发动机的功率(并不一定能提高发动机的效率)。它利用的是发动机排出的废气冲击力,所以,整个增压过程基本不会消耗发动机本身的动力(这也是区别于机械增压发动机的本质)。

那么现在车型的增压科技发展到什么程度了?目前市场上大致分为以下几款涡轮增压形式:单涡轮单涡管增压、单涡轮双涡管增压、双涡轮增压、机械与涡轮双增压和电动涡轮增压技术。

根据2016年美国发布的《沃德十佳发动机》,宝马340i上搭载的3.0L涡轮增压直列6缸发动机有幸入围。这款B58发动机作为N55 B30发动机的后继者,最大功率240kW/5500rpm,最大扭矩450N·m/1380-5000rpm。

这里我们抛除宝马直列六缸机的出力平顺的先天特性,单纯考虑涡轮增压的形式。宝马的涡轮增压发动机一贯采用的是单涡轮双涡管的增压形式,两组气缸分别用两个涡管,两者互不影响。

单涡管单涡轮增压器的排气岐管(俗称排气芭蕉)让所有气缸排气管连在一起,汇总之后吹向涡轮,这种设计虽然简单、耐用,但是在单个气缸工作时,会产生气体脉冲谐振,影响其它缸体的排气效率,使下一个将要工作的气缸回压增大。当气缸工作时,气缸的进气气门和排气气门会有一个短暂同时开启的状态,这时下一个气缸已经点火排气,这个极短的时间里,如果多个气缸排气管相通,这将造成前一个缸体进气空气减少,导致下一个循环的总功率下降。

而单涡轮双涡管增压器完全摆脱了大气回压带来的高转进气下降问题,宝马B58六缸发动机的点火顺序一般是1-5-3-6-2-4,也就是说: 直6的排列是123缸一组,456缸一组。当1缸完成做功循环后,接下来是5缸做功,再接下来是3缸做功,随后是6、2、4缸依次做功。循环反复,每次做功和进气都不受影响,达到最大的进气量。比普通单涡管增压器的进气效率要高7%~8%,进而发动机输出的功率、扭矩也提高。

新君越2.0T发动机也搭载了单涡轮双涡管技术。发动机最大功率192kW,最大扭矩350N·m。远超同级别单涡管2.0T的动力输出。

涡轮迟滞是指发动机在低转速时,由于产生的废气量低,不足以带动涡轮的高速运转。所以,需要等到发动机转速提高之后,废气动能较大时,涡轮才能启动。这个时间差就是涡轮迟滞。单涡轮双涡管虽然提高了发动机的动力输出但并不能很好的解决涡轮迟滞这个现象。

为了避免涡轮介入后,车辆判若两人的表现,于是双涡轮增压发动机诞生,其装载两个涡轮增压单元,增压系统由一个较小的增压器和一个较大的增压器组成,小增压器配有可变涡轮几何结构,另一个较大的涡轮增压器能带来更大的空气流量。两个增压器顺序工作,每个根据不同的转速来激活。在低转速区间,一个小增压器先进入工作,它的主要任务是快速建立压力,保证灵敏的油门反应。从中高转速开始,尾气将会引入到较大增压器中。这一大一小两个增压器可以确保最大的扭矩输出。此技术也只是有效降低涡轮迟滞带来的驾驶感受上的负面影响,但并不能完全消除。

在降低涡轮迟滞的问题上,保时捷VTG技术是不得不提的。VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片。

这项技术简单地说就是,涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片并且角度可以调整,在系统工作时,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速,从而控制涡轮的转速。当发动机低转速排气压力较低的时候,导流叶片打开的角度较小,根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮处的压强,从而可以更容易推动涡轮转动,从而有效减轻涡轮迟滞的现象。

随着转速的提升和排气压力的增加,叶片也逐渐增大打开的角度,在全负荷状态下,叶片则保持全开的状态,减小了排气背压,从而达到一般大涡轮的增压效果。使用了两个VTG可变截面涡轮增压器的保时捷911 Turbo,在仅使用了3.8L的排量的条件下,就压榨出了368kW/6000rpm的最大功率和650Nm/1950-5000rpm的最大扭矩。最难能可贵的是,这台发动机在VTG技术的帮助下,从1950-5000rpm范围内都可以维持650Nm的最大扭矩输出,在低转速下基本察觉不到涡轮迟滞情况。

与涡轮增压相比,机械增压是通过发动机曲轴的动力带动空气压缩机压缩空气,增大进气量,进而提高发动机的动力输出。正因为需要通过曲轴来带动空气压缩机,所以对发动机的输出动力有一定损耗。由于机械发动机一直在“增压”,因此在低速运转时,其扭矩输出非常出色,且具备自然吸气的平稳线性的输出特性。

既然,机械增压的低速表现优异,涡轮增压发动机的高速动力表现良好,为何不将两者兼而有之呢?早在2005年,大众将1.4L双增压发动机装备在高尔夫上。这台双增压发动机在进气系统上安装了一个机械增压器,在排气系统上安装了一套涡轮增压器,从而保证在低、中、高都能有较佳的增压效果。在一定程度上也能降低由于涡轮迟滞带来的驾驶感受上的不足。

无独有偶,全新一代沃尔沃XC90上搭载的B4304T27发动机运用的也是机械+涡轮的双增压技术,最大功率235kW/5700rpm,最大扭矩400N·m/2200-5400rpm,单纯在看账面参数,丝毫不逊色于奔驰、宝马的六缸机。

虽然目前汽车界已经有了各种相对成熟的涡轮增压技术,但科技探索的脚步从未停歇,新兴的电动涡轮技术已经向我们走来。电动涡轮顾名思义就是用电来驱动涡轮工作,所以涡轮的转速不被废气压力所限制,其反应速度更快,可以在1秒将转速提升至7万转/分左右,最大提供3Bar的压力,反应速度和工作效率要优于传统涡轮。

但是驱动电动涡轮的“电”一直是难以解决的问题,首先驱动涡轮需要48V的稳定电压,目前世界上只有SQ7上开始使用,其次48V电压已经超过安全电压,对于人身安全存在极大的威胁。

由于种种技术上面还未突破,电动涡轮增压技术还不够成熟,不能完全代替传统涡轮增压,而是与传统涡轮增压器并联使用,互补工作,也就是在排气压力不足的时候,利用新增加的电动涡轮来补充进气增压,弥补低转速时的动力不足和涡轮迟滞问题。

虽然涡轮发动机已成为潮流,各大厂商也极力去降低涡轮迟滞,大排量自然吸气仿佛也已经无情的排量税所扼杀,但是我们相信科技的力量是强大的,也许在将来的某一天,涡轮增压发动机或许真的能“取代”自然吸气呢?我们拭目以待。

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关键词:涡轮增压,发动机,进口
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