“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

在曾經的那個渦輪被視作離經叛道的瘋狂年代,歐洲的廠商們留給我們的是用渦輪詮釋極致的F40和XJ220;而在東方的豐田與馬自達,也分別用搭載了潛力無限渦輪機的Supra和RX-7向世界訴說著馬力的誘惑。沒有了自然吸氣的高亢聲浪,但是渦輪帶來那驚世駭俗的動力,讓這個形似小豬佩奇的玩意兒散發出獨有的魅力。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

從上世紀80年代開始,這絕對是一場馬力和扭矩的狂歡盛宴,在F40的渦輪起正壓的瞬間,當時幾乎被視作動力界未知領域的478馬力和577牛·米扭矩便會被悉數傳遞至後輪至上,來自IHI的大號渦輪,引出了車手們即便滿頭大汗與方向盤較勁,同時伴隨著那無限接近死亡的恐懼所帶來的快感享受,嚯,大概這才是像樣的渦輪。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

到了XJ220之上,一臺僅僅3.5升排量的V6引擎困擾著工程師們——要如何,才能將它提升至220mph的速度,於是乎,在兩顆渦輪的壓榨下,XJ220迸發出了542馬力和645牛·米的扭矩,那可是在1992年啊!在意大利的一條名為Nardo又極其顛簸的賽道上,XJ220將量產車極速的記錄推到了217.1mph(349.4km/h),正是渦輪,讓瘋狂,有了更多的渠道!

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渦輪的煙火在西方綻放,而在東方也開出了別樣的花朵。Supra的盛名皆由2JZ-GTE雙渦輪引擎攜來,原廠280馬力只是受制於“君子協定”制約,輕鬆500馬力的改裝才是牛魔王的小試牛刀,1000馬力的Supra遍地都是。直到如今,改裝圈內依然流傳著一個讓人聞風喪膽名號——二勾Z。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

至於RX-7,躁動的轉子配上躁動的渦輪,1.3升的雙渦輪轉子引擎原廠就有280馬力,當然,一樣被“君子協定”限制的它依然能在解除束縛後輕鬆來到500馬力的水準,前後50:50均衡的配重,渦輪介入的瞬間便能讓RX-7的後輪輕鬆突破抓地力,多麼瘋,多麼狂?!

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

而這樣的年代,似乎已經離我們漸行漸遠了。


渦輪增壓技術,最終還是為環保服務


而到了今天,不論是各類排放法規還是大氣條約、排量稅、積分制等等等等,量產車中的渦輪漸漸開始“墮落”了起來,不為那極致的動力,只為能再給我的車降低一升油耗。

咦?渦輪不是為了提升動力嗎?能降低油耗又是什麼原理。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

當然,這一切的一切都有一個前提,那就是加渦輪減排量(缸數)。在2臺結構排量一模一樣的自然吸氣引擎之上,一臺A加上渦輪系統,另一臺B作為對照組,那臺加上了渦輪系統的引擎為了控制爆震,必須要做的就是降低壓縮比,同時,又由於發動機的理論熱效率其實取決於壓縮比,壓縮比低則熱效率就低了。同時要對點火系統進行修正,將氣缸內的燃燒工況進行緩和……這一頓操作下來的結果便是,A發動機的油耗上去了,並且增壓值越高,它的油耗越慘不忍睹。

所以,加渦輪降低排放和油耗一定有一個大前提,那就是加渦輪的同時減排量(缸數)。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

同樣是一臺2.0升的自然吸氣引擎,在當前的技術條件下,大部分主機廠都能將它做到160馬力以上,扭矩則可以達到200牛·米的水準。那麼能不能用一臺更小排量的渦輪增壓引擎來達到這樣的動力參數水準呢?以通用第八代Ecotec引擎為例,1.35T引擎的基礎排量僅僅1.35升,只配上了一個小慣量渦輪,它就能達到165馬力和240牛·米的扭矩,馬力可以和2.0升的自然吸氣引擎持平,而最大扭矩甚至還高出了不少,甚至,它還少了一個缸。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

用一臺更小排量的渦輪增壓引擎,來達到較大排量的自然吸氣引擎的動力水準並取代之,這是當前幾乎所有的主機廠都在研究的事兒,為什麼要這麼做?目的只有一個,保證足夠動力的同時,能更省油且更環保。


憑什麼小排量渦輪增壓引擎可以輸出大馬力?


其實渦輪的結構和原理很簡單,通過氣缸內排出的一部分廢氣的慣性衝力來推動渦輪室內的渦輪轉動,而渦輪的又帶動了同軸的葉輪,從進氣道進來的空氣經由葉輪增壓成高壓氣體,並最終進入氣缸內形成一個循環。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

為什麼要增壓?因為自然吸氣引擎始終無法避免其瓶頸——其空氣是被動地被吸入氣缸內的,簡單來說,引擎所需的空氣完全依靠活塞下行時產生的負壓而進入,即便氣缸吸滿了空氣,缸中氣壓也只是就小於或等於一個大氣壓而已。

為了更大的馬力,能量守恆定律告訴我們,我們必須在單位時間內消耗更多的燃油,才能釋放出足夠的能量。拉高轉速是一個選項,提升排量是一個選擇,加渦輪,也是一個選裝。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

提升轉速面臨的是高強度活塞、氣缸、更復雜的配氣結構以及研發帶來的成本問題;提升排量則意味著與排量稅和北極熊的家園過意不去。剩下的解決方案便就是加渦輪了。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

渦輪系統的結構相對簡單且成熟,而更大的缸內氣壓匹配更多的噴射燃油也不是問題,重新設定噴油程序對於擴缸加排量和提轉速換活塞缸體的成本簡直是小菜一碟。當超越大氣壓的氣體被輸送至氣缸腔內,更多的燃油也隨之進入氣缸(缸內直噴在氣缸內混合,進氣歧管噴射則是在進氣歧管處混合)和空氣混合爆炸,爆發出更大的能量,用一臺小排量引擎爆發大馬力,在渦輪時代,顯然是一件不值一提的簡單事兒。


減少泵氣、機械損失來減低油耗


引擎的進氣過程就是打開進氣門,活塞下行之後空氣被真空吸入氣缸,這個過程就是進氣的泵氣消耗。因為當前的量產汽車引擎都是四衝程的引擎,在四個衝程中,只有做功(爆炸)衝程是釋放能量的,別的衝程實際上都是在消耗能量。進氣衝程中,泵氣就需要消耗一部分的能量。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

但是,渦輪增壓卻在泵氣過程中有其特有的優勢。因為空氣在增壓室被增壓後,其壓力超過了一個大氣壓,從進氣歧管到氣缸內的這個過程,渦輪機泵氣反而像被一隻無形的手入氣缸之內,這額外的力量便減少了泵氣損失,相對應的就減少了能量消耗,由此帶來效率的提升顯而易見。


同時,我們不要忘了小排量渦輪增壓的另一個奧義——小排量。小排量意味著更小的活塞、更小的活塞環、更小的行程、更小的連桿、更小的曲軸還有更小的配氣結構……這一切都意味著更小的摩擦,對於一臺隨處是摩擦的內燃機而言,更小的摩擦自然意味著更優秀的效率。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

當然,從4.0到3.0,再從3.0到2.0,從2.0到1.5甚至更低,我們看到的是氣缸數量的減少,氣缸作為引擎的主體部分,氣缸的減少不僅極大地降低了綜合性的摩擦,更是帶動了活塞數量、配氣結構、曲軸長度等的減少以及引擎整體質量的降低。對於減重這個汽車界的大命題來說,渦輪增壓可謂奪得了引擎界的高分。

而上述的這一切,毫無疑問,都是為了環保,為了油耗。

即便帶渦輪,但渦輪並不是隨時“存在”

這又是一個十分有趣的事實。


當前市面上的大部分渦輪增壓引擎在渦輪沒有啟動的時候,其實就可以類比成一臺更小排量的自然吸氣引擎。簡單又不是十分嚴謹的情況下,可以說這個說法幾乎是沒有毛病的。畢竟,我們在日常狀態下,其實是並不需要有那麼大的馬力和扭矩的。就像我們在高速巡航或者高架巡航的狀態下,我們甚至可能只需要60馬力左右便能實現定速巡航,而這60馬力的動力,自然是不需要渦輪參與到我們的動力系統中去的。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

所以,一臺渦輪增壓引擎,它會有它的非增壓區間,自然也有它的增壓區間,而判斷何時增壓何時不增壓,幾乎就是由駕駛員的油門來進行控制的。因為洩壓閥的存在,當我們處在日常中高速巡航且不變速的情況下,此刻我們的渦輪增壓引擎是和一臺自然吸氣引擎沒有任何區別的,任何低於這臺自然吸氣引擎最大動力的輸出都會導致發動機進氣歧管裡的負壓。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

舉個例子,通用第八代的Ecotec引擎中的那臺1.35T三缸渦輪增壓發動機它雖然有著165馬力的最大功率水準,但是在80km/h等速巡航的時候,它的渦輪並不介入,它彼時就是一臺1.35升的自然吸氣引擎,假如它在自然吸氣工況下,它有著100馬力、135牛·米的動力水準的話,那麼幾乎任何不超過這個參數水準的動力訴求,都不會由渦輪介入。

只有當我們需要超車或是完成其他需要更高馬力扭矩的行車動作時,進一步踩油其氣缸內的進氣的壓力才會高於一個大氣壓,也只有這個時候,洩壓閥才會開始關閉,而其中由發動機氣缸內排出的一部分廢氣才會進入到渦輪室內工作,帶動增壓室增壓。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

單從動力的角度在理論層面進行考慮,一臺0.8升左右的自然吸氣引擎就能達到60馬力以上的動力參數,而一臺0.8T的引擎可以輕鬆帶動大部分家用車日常巡航,而其也因為自然吸氣極限工況也不需要較大的燃油量,油耗也得以十分之低,是不是很神奇?當然,實際的汽車工況十分複雜,這樣的引擎在現階段並不現實。通用的第八代Ecotec序列中有臺1.0T的三缸引擎便是很大膽的嘗試,並且效果還十分理想,它的綜合油耗表現甚至接近豐田的THS油混系統。


知道豐田為什麼也開始帶T了嗎?


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.

——豐田首席工程師小木曾聰


扭矩的秘密,渦輪省油的殺手鐧

對於一臺小排量增壓引擎來說,最引以為傲的地方,便是其能輸出高扭矩,而高扭矩的意義,對於油耗是極為友好的。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?

以某臺渦輪增壓引擎的萬有特性圖為例,橫軸是轉速,縱軸是發動機可以簡單理解成發動機扭矩,扭矩可以等同於發動機負荷,藍線是發動機油耗,單位g/kWh,數字越低代表了油耗越低。


對於日常家用而言,大部分消費者都不大可能在長期在3000轉以上換擋,那麼,可能我們對於這臺渦輪增壓引擎的扭矩的常用區間是這樣的(圖中黃色區域,便於理解,不嚴謹)。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?


但是,一臺有著近似扭矩的自然吸氣引擎的萬有特性圖匹配我們常用扭矩區間則會出現下圖這樣的情況(便於理解,不嚴謹)。

“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?


可以看到,如果將這臺小排量渦輪引擎用一臺近似扭矩(排量一定提升)的自然吸氣引擎取代日常使用的區間幾乎達不到最優的油耗區間範圍內,小排量渦輪增壓的殺手鐧的意義,不言而喻了。當然,這個黃色區間內還有最優的擋位取點,這同樣是渦輪引擎的優勢所在,這一點我們今後再談。


“墮落”是為省油,小排量增壓自是最優解


不管是否將小排量渦輪的使用定義為墮落,小排量渦輪引擎的崛起之勢自是無法阻擋。而對於小排量引擎如何選擇的問題,這其中又涉及到了“單缸最優”理念,單缸0.33L-0.5L的排量區間已然成為下一代高效內燃機研發的共識,第八代Ecotec和EA211 evo便是走在了全行業的前列。


“墮落”的渦輪,不為馬力竟是為了省油?


不論是通用第八代的Ecotec的1.0T還是1.35T,亦或是大眾EA211 evo的1.0T和1.5T,在動力水準和油耗表現上都達到了全行業領先的水準,滿足動力情況下更優化油耗,是與那個瘋狂的渦輪年代截然相反的路線。或許經典就是隻能存在回憶裡,告別瘋狂的渦輪,我們還有能有守護地球家園的高效小渦輪。


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