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从通用15T阿凡达发动机看涡轮增压发动机动力进化趋势

发布时间:2022-09-24  来源:乐鱼体育主页 作者:乐鱼体育官网网址  |  点击率: 1

  

  从通用汽车在1962年首次在Oldsmobile Jetfire上装备涡轮增压发动机到今天,涡轮增压发动机在世界家用汽车领域已经走过了接近60个年头。而从2001年一汽大众在中国合资引进宝来并推出1.8T版本至今,涡轮增压在中国汽车市场也已经整整20年。对涡轮增压,很多消费者都经历了从排斥到接受,再到欢迎的心态转变,涡轮增压也因此在整个汽车市场中份额逐步扩大,到今天已经接近一半。而涡轮增压发动机在市场上得以取得成功,自然也是与其巨大的技术进步分不开的。本篇专栏,即借通用阿凡达1.5T发动机面世之际,梳理一下涡轮增压发动机是如何逐渐后来居上,通过技术的发展赢得了市场。

  涡轮增压在今天虽然往往与性能强劲联系在一起,但在其诞生初期,却并不见得如此。

  Oldsmobile Jetfire装备的发动机,是通用215 V8发动机(3.52L)的涡轮增压版本。相比自然吸气原版的116kw的最大功率,涡轮增压版增大到了160kw,升功率达到45kw。虽然对于当时的家用车来说算是很不错的水平,但与当时领先的自然吸气发动机相比还有很大差距。比如同样于1962年推出的法拉利250 GTO,装备了一台2.95L的V12自然吸气发动机,最大功率高达221kw,升功率有75kw之多。

  而即使到了2001年,当宝来在中国市场首次引入涡轮增压发动机时,这款发动机的升功率水平也只有62kw,比起40年前的老前辈也没有多大进步。

  尽管20年前的大众并没有能给中国消费者展示最先进的涡轮增压技术,但其实涡轮增压发动机在20世纪后期已经有了长足的进步。

  要考察涡轮增压发动机的动力发展趋势,一个很好的标杆,是保时捷911 Turbo车型的动力参数历史。从1975年保时捷首次在911车型上引入涡轮增压发动机开始(即保时捷930),在之后的911车系历史中,涡轮增压车款(Turbo,以及后来的Turbo S和GT2/GT2 RS)就从未再缺席过。因此我们正好可以通过911 Turbo的动力发展历史来一窥整个汽车产业中涡轮增压技术的发展。

  可以看出,虽然个别年份有波动,但整体上,保时捷的涡轮增压发动机的升功率水平一直在提升。35年的时间内增长了差不多一倍。

  如果采用国际标准度量衡,100千瓦的升功率也无疑是一个标志性的分水岭。能够达到这一水平,也意味着发动机的技术足够先进,动力也足够强大。

  世界第一款升功率超过100kw的量产车,是1984年推出的法拉利288 GTO,这款V8中置后驱的跑车仅用2.855升的排气量,就做到了294kw(400马力)的最大功率输出。为了达到103kw的升功率,这款F114 B000发动机采用了双涡轮,中冷器和燃油喷射技术,在当时极其先进也极为昂贵。这款车仅仅生产了272辆,目前市面上二手车的售价高达250-350万美元。

  而足足23年后,升功率超过100kw的涡轮增压发动机,才能从超跑下放到豪华跑车的级别。

  保时捷旗下第一款升功率超过100kw的车型,是2007年推出的997 GT2。这款双涡轮水平对置六缸发动机通过采用可变几何涡轮,使得升功率达到了108千瓦。这款车不像288 GTO可以当理财产品,但也非常保值,目前市场价仍然在20万美元以上,跟上市价格比基本没怎么跌。而这款车当时在国内的售价更高达330万元。

  直到前几年,才有相对平民一些的高性能车能够装备升功率超过100kw的涡轮增压发动机。比如宝马的第一款升功率超过100kw的量产车,是2014年推出的第五代M3(F80),以一款3.0L直6发动机做到了317kw的最大输出。同样,这又是一款双涡轮发动机,而且为了榨取动力,采用了封闭式水道(冷却能力更强)、轻量化曲轴、专门设计的曲轴轴承、弹簧和中冷器、加强活塞/曲柄、双油泵、主动排气等等一系列先进技术。这款车在国内上市时,售价也高达99.8万元。

  而到了2021年,因为技术的持续进步,升功率超过100kw的发动机终于开始平民化。

  今年夏天,日产在新一代奇骏上投放了采用可变压缩比技术的1.5T发动机,功率达到150kw,第一次在平价品牌中摸着了升功率上百的门槛。

  而随后在10月份上市的昂科威S,则装备了通用最新的阿凡达系列1.5T发动机,最大功率达到155kw,升功率达到103kw,同时也是中国第一款按净功率计算升功率过百的平价品牌车型。要知道几年前的超跑车型,比如法拉利California T,保时捷991.2 Turbo,其升功率水平也只是类似水平,但现在普通人只要花20万元就可以拥有,不得不让人感叹技术的飞速发展。自然,为了达到这样高的升功率水平,而且作为家用车,还要兼顾非极限驾驶情况下的燃油经济性(一定程度上比可以仅仅聚焦最大性能的跑车发动机的研发更具挑战),以及低转速下的动力输出和动力响应,通用在这款发动机上也采用了很多最先进的技术:可以增大进气量从而增大燃烧的35MPa高压直喷系统,增大进气效率的高滚流气道,能更好的配合不同转速调节相位的DVVT全程可变进排气正时系统,能更智能控制压力的涡轮增压器电动放气阀,全可变排量机油泵,可按需控制增压气体冷却后温度的水冷增压中冷技术。

  不仅涡轮增压发动机的绝对动力水平一直在提高,他对自然吸气发动机的动力优势也不断在扩大。

  2001年国产的宝来1.8T发动机,其最大功率只有110kw,这一数值还不如同样出自大众的2.3L直列5缸自然吸气发动机,后者于2001年推出的新一代产品已经有125kw的最大功率。如果我们考虑到宝来1.8T投放中国市场的滞后性,用2000年的上一代2.3L5发动机作比较,那么二者功率同为110kw,当时的主流涡轮增压发动机,动力输出也仅仅相当于1.3倍排量的自然吸气发动机。

  而到了2010年前后,市场主流的高功率版涡轮增压发动机大概就能达到1.5倍排量的自然吸气发动机的动力水平,比如09年上市、装备在别克君威上的通用1.6T发动机最大功率为132kw,08年推出的本田2.4自然吸气发动机最大功率130kw;13年随翼虎上市的福特1.6T发动机最大功率134kw,同年美国装备的2.5L自吸发动机最大功率则为130kw。

  而近两年的涡轮增压发动机则进一步达到了1.7倍左右排量的自然吸气发动机水平。比如2017年推出的本田地球梦1.5T发动机最大功率为142kw,超过了2014年推出的马自达创驰蓝天2.5自吸发动机的141kw的水平;今年通用推出的阿凡达1.5T发动机更是以155kw,超过了2019年号称最强家用车自然吸气发动机的丰田A25A-FKS 2.5的154kw。

  如果考虑到涡轮增压发动机在中低转速区间的扭矩/功率更远大于最大功率类似的自然吸气发动机,甚至可以说今天最先进的1.5T发动机,综合动力水平已经可以跟3.0L的自然吸气发动机相媲美。

  下图为获得“中国心”2021年度十佳发动机的通用阿凡达1.5T发动机。这款发动机能够赶超2.5L自然吸气发动机动力水平的关键,即在于其35Mpa高压直喷系统及高滚流气道,能够大幅提升进气量。

  本质上,涡轮增压发动机因为是加压进气,因此进气量远大于同等排量的自然吸气发动机。从进气量来说其实本来就应该跟更大排量的自然吸气发动机相比。

  而随着涡轮增压发动机进气量的进一步增加,我们也会看到同级别车型采用的涡轮增压发动机的排量逐渐减小。以中型SUV匹配的发动机为例,就从当年的2.0T,一路下降到1.8T,1.6T,乃至今天通用、日产、本田等增压技术领先的厂商的1.5T。在家用车要兼顾动力和燃油经济性的前提下,随着获得同等进气量所需的排量不断减小,或者说相当于同时代2.5升自然吸气发动机水平的涡轮增压发动机的排量不断减小,不断降低排量也是最合理的选择。

  而不仅如此,甚至仅仅追求性能、几乎不考虑经济性的超跑发动机,也已经开始从自然吸气切换到涡轮增压。早在2014年,法拉利旗下定位相对最为适合日常使用的California硬顶敞篷跑车,就已经用F154 BB这款3.9L V8涡轮增压发动机取代了之前的4.3L V8自然吸气发动机。而紧接着的2015年,这款发动机又在新一代跑车488上取代了458的4.5升V8自然吸气发动机。

  这还没完,对于2+2的12缸大型GT车型,法拉利在2016年用GT4Lusso取代FF时,也同时提供了3.9L V8和6.3L V12的选择。可见涡轮增压车型的竞争力。

  实际上,对于追求极限动力、同时限定排量为1.5升的F1赛场,早在7、80年代,涡轮增压发动机就已经表现出对自然吸气发动机压倒性的优势,乃至没几年就出于安全考虑被禁止。但早年的涡轮增压发动机常被人诟病的原因,还在于动力响应。

  涡轮迟滞产生的根本原因,在于涡轮增压发动机需要废气推动涡轮旋转,在涡轮转速提高后,进气压力才能提升,才能提高进气量,达到相当于更大排量自然吸气发动机的动力水平。但涡轮转速的提升需要时间,因为废气的功率在时间维度上积分后才能有足够的功,然后转化为涡轮的动量。

  传统的改进动力响应的办法,主要是采用更小的涡轮,因为涡轮惯量小,因此需要达到目标转速的动量也就小,也就是俗称的涡轮延迟小。但另一方面,为了能在高转速时有更大的进气压力以达到更大的动力,又需要一个大涡轮,因此这种方案往往需要采用双涡轮,成本较高,一般只有高价位的高性能车采用。

  还有一种办法,则是采用双涡管,将点火正时相邻的气缸的排气涡管分开,也就是4气缸分成两组,避免两个气缸进排气时间相近,共用排气管道时相互干扰。但这种结构仍然造价较高。

  而通用的阿凡达发动机则采用了多管齐下的方式。发动机缸盖集成排气歧管,配合紧凑型的增压器与催化器,可以降低排气阻力,而涡轮压力的建立直接依赖于排气效率,从而最大功率和动力响应都得到提高;先进的水冷中冷器能够更好的控制增压后气体的温度,也能提高增压响应——因为增压空气的温度每上升10 ℃,发动机功率就会下降大约3%~5%;通用独家的Dual Fast相位调节器,配合中置大角度结构设计,也能显著提升扭矩响应速度。

  除此之外,昂科威S还同时搭载了48V轻混系统,48V电机在中低转速涡轮压力未建立时,也可以有效补充动力,减少涡轮迟滞感。

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