首页 > 资讯 > 海略观点 > 缓解涡轮增压迟滞又有新招

迟滞,在某种程度上说是制约涡轮增压的唯一瓶颈。涡轮增压很早就有了,升功率可以那么大,为何普及不了?什么可靠性等等都是扯,关键问题在于那会儿的迟滞太严重,普通驾驶者根本接受不了。为何现在这么大面积普及?根源问题也是迟滞通过各种方法已经大幅度缓解,而其性能、效率和动力特性等诸多优势就能立刻把自然吸气“压着打”。即便如此,如何进一步缓解甚至消除迟滞,仍然是发动机研发者的重要方向。这不,最近又有新招出现了!

缓解涡轮增压迟滞又有新招 你想到了吗?

■ 已有缓解迟滞的各种招数小回顾

涡轮增压为什么会有迟滞?根源就是低速工况下排气气流不足以推动涡轮正常工作。那么要解决这个问题,也是两个方向。第一,改善低速时的排气气流;第二,让涡轮对排气气流的需求小一点,即气流不大的时候也能正常工作。

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第一个方向目前是研发的主流。目前最时髦的,就是双涡管——通过两组排气管对应不同的气缸,以保证排气气流更好地衔接和减少扰动,达到改善排气气流的目的。其他的做法,还包括集成式排气歧管(当然这个主要的目的是为了热效率,但也能达到缓解迟滞的效果)等,其原理是缩短排气管路已更好得利用排气气流。

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如果上图看的还不够清晰明了,可通过下GIF图获悉如何改变叶片角度:

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第二个方向,则是在涡轮本身上下功夫。最时髦的,自然是小惯量涡轮的采用。目前几乎所有的民用型涡增发动机,全都采用的这种。另外,双涡轮也属于此类——两个涡轮可以减小单个涡轮的尺寸,达到缓解迟滞的目的。VTG可变翼涡轮也算一个小分支,柴油机上较多,汽油机之前只有保时捷用,最近传出的大众最新1.5TSI似乎有将其与米勒循环结合使用的倾向(受制于篇幅,这部分我们今后再说)。

所有这些方法,其实都存在一个主要的矛盾点,或者说需要平衡的点。要缓解迟滞,减小涡轮是最有效的,但它不利于提升性能。普通的家用型发动机没事儿,但如果想标榜高性能,亦或者说想通过2.0L替代4.0L这样的跨级别模块化定位,这些手段就不够用了。那么解决方法也不是没有,最常见的如双增压——低速用机械增压,高速切换为涡轮增压。大众早期用过,沃尔沃也正在使用。这种方法效果不错,但成本高,且容易影响到可靠性,所以并未大面积普及。

■ 那么,最近又有什么新招呢?

①通过排气门的可变来改善排气气流

配气技术里有一项很重要的技术叫“可变气门XX”。这其中,最常见的是VVT可变气门正时,这与本文无关。另一个较常见的,是可变气门行程,本田称之为VTEC,奥迪称之为AVS。然后,还有比较少见的可变气门(数量)。

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在此之前,可变气门行程或者可变气门(数量)技术,都只会用在进气门上。原因很简单,采用这种技术的目的,是因为发动机低速时需要较小的进气行程(或气门数),以利用其涡流来保证燃油与空气的充分混合;高速则相反,行程大一点(或气门多一点)进气更顺畅可以提升功率。从这个原理可以看出,排气门完全不需要这样的东东。

有趣的东西就在这里——在如何缓解迟滞的问题上,工程师想到了把这套技术挪到排气门上,就能变成缓解迟滞的利器。回顾一下上面章节我们所说的迟滞根源,对此应该不难理解。低速时排气量小,如果气门大开,那么排气气流的流速自然很低,这显然不利于推动涡轮。反过来,我们把气门改小一点(或行程变小,或气门数减少),排气流速就会变快,是不是不一样了?

谁采用了这样的设计?目前所知的有两款。一个是本田新研发的2.0T。它号称带VTEC,但其实它那套著名的凸轮可切换机构在进气门上并没有,而是装在了排气门上——这在本田历史上可是头一遭。另一个是奥迪SQ7上的那台4.0TDI,它的AVS同样装在了排气门上。不过相比本田,奥迪的这套东西更绝,它改变的不是行程,而是气门数。也就是说,在发动机低速运转时,有一个排气门是关闭的,所有的排气都只通过那个未关闭的那个排气门排出,并且汇总起来只推动一个涡轮。再回想一下常规的双涡轮增压是如何工作的——所有的排气通过(每个缸的)两个气门排出,并同时推动两个涡轮。哪种情况下涡轮更容易启动,不言而喻吧?

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②双涡轮的多种组合方式来缓解迟滞

上面提到的奥迪4.0TDI在缓解迟滞方面的创意还不止于此。我们先做个假设。一台4.0L的V8发动机和两个增压值一样的增压器,如果只采用一个,迟滞肯定比采用两个小得多,但对应的功率也会小得多,这个应该不难理解。常规的双涡轮设计,无论何种工况下都是两个涡轮一起工作,那么为了缓解迟滞,就不可能采用太大的涡轮。

然而到了奥迪这台4.0TDI这里就不一样了,它的两个涡轮都较大,但迟滞却比小涡轮的双涡轮增压还小,它是如何做到的呢?妙处就在于两个涡轮不同的排列组合方式,而不是像常规设计那样只有“一块儿干”这一种。

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具体来说,低速时它会采用单涡轮的方式——通过AVS关闭一个排气门,让所有的排气都给一个涡轮,另一个涡轮休息。此时虽然单个涡轮尺寸大,但由于排气量double,迟滞并不明显(事实上,这款发动机在更低速的时候还有电涡轮,为了不复杂化,这里就不展开了)。然后随着转速的上升,AVS会打开另一个排气门,但此时的气流仍不足以满足这两个大涡轮同时工作。怎么办?奥迪想到通过一个电磁阀阻断其中一个涡轮流向进气道的通路,然后通过一个旁路,让这个增压器增压过的气流先流向另一个增压器。这样,两个增压器的气流经过叠加以后,再进入进气系统。这很像电路术语中所说的“串联”,而常规的双涡轮增压则更像是“并联”。当排气气流不足以让两个增压器同时满负荷工作的时候,这种串联的方式要比并联的方式迟滞小得多。

然后到了高速段就变得简单了,之前用来改变气流方向的电磁阀会打开,两个增压器会分别工作并将增压后的气流汇总。这也就是最常规的双涡轮“并联”。此时由于两个增压器都满负荷了,而且增压器本身尺寸较大,从而可以实现比常规双涡轮增压更高的功率。

■ 新招的主要目的,是在确保迟滞可控或消除的情况下提升性能

对于以上这些新招,不少人可能还会下意识地冒出“噱头”二字。为什么呢?因为目前市面上主流的涡增发动机迟滞已经控制得相当不错了。例如大众新的TSI。既如此,何必还要搞这么多新玩意儿呢?

这里面,一个主要的诉求,其实就是为了提升性能。注意,这和本文的标题并不矛盾——涡增发动机提升性能往往对应这增加迟滞,因此只有采用了缓解迟滞新招,设计者才能踏踏实实地提升性能。例如本田的这台2.0T,功率扭矩分别达到280马力/400牛米。什么概念?参考下大众喊得牛哄哄的第三代EA888 2.0T,对应的数值是220马力/350牛·米;宝马的六缸3.0T,对应的数值是306马力/400牛·米;沃尔沃定位T6的双增压2.0T,320马力/400牛米。很显然,本田用一个排气VTEC,就实现了单增压达到接近六缸T的效果。至于为什么要这样,相信是本田出于产品定位战略的考虑。毕竟它的地球梦动力中,2.4L也是很重要且很好的一款机型,2.0T版本需要与之拉开足够大的差距。

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至于奥迪的4.0TDI,则有点想做标杆的味道了——就像以往的技术控那样,用尽所有手段来提升性能并消除迟滞。最终的效果呢?1000转就可以达到峰值扭矩并且一直持续到3250转——迟滞不是缓解,而是消失了。然后关键是性能:435马力/900牛·米。注意,这是柴油机。没概念?参考一下,那台著名的、拖飞机的途锐V10 5.0TDI是310马力/750牛·米;A8上的那台汽油版4.0TFSI,435马力/600牛·米。柴油机的功率居然与汽油机一样(扭矩则大50%)!想想看,如果未来奥迪把这套东西用在汽油机上会是啥效果?

■ 结论:

缓解迟滞的技术对于涡轮增压的发展来说应该是至关重要的,因为它可以让工程师更踏实的提升功率。更关键的是,很多其中的新技术并非对应着高成本。例如双涡管,还有如本文的排气门行程可变,这些技术完全可以在中小排量的机型上采用。有人说:要那么大功率何用?当然有用,它可以进一步促进发动机的模块化,甚至更好地实现“一个排量通吃”。这不正是当下发动机研发的方向和趋势吗?

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