“可變”的渦輪會(huì)增壓

李爾欣

眼下，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)儼然已是節(jié)能、高效內(nèi)燃機(jī)的代名詞?？僧?dāng)年渦輪增壓器剛被移植到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，卻是如同興奮劑一般的危險(xiǎn)外掛。不僅如此，那時(shí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、排放也基本跟“環(huán)保”二字無(wú)緣，甚至常常還伴隨潤(rùn)滑油消耗過(guò)快的毛病。

按理說(shuō)，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)很難成為民用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)里頭的主流角色，但自從“世界氣候大會(huì)”于1997年制定并通過(guò)《京都議定書(shū)》，以及部分歐洲國(guó)家率先于20世紀(jì)末、21世紀(jì)初正式出手征收排量稅之后，便陸續(xù)出現(xiàn)對(duì)排量稅以及一系列限定碳排放的氣候協(xié)議敏感的整車制造商，并且這些廠商全都投入遠(yuǎn)超以往的資源去研發(fā)并推廣適用于主流私家車的小排量渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

在這段歷史背后，是工程師“馴化”原始渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程，同時(shí)也是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)各種可變技術(shù)全面革新的過(guò)程。正是在此過(guò)程中，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不但得以大幅改善延遲的頑疾，更在平順性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能等方面接近甚至超過(guò)同等排量或者動(dòng)力相當(dāng)?shù)淖匀晃鼩獍l(fā)動(dòng)機(jī)。

以經(jīng)典的渦輪遲滯為例，一開(kāi)始，工程師甚至需要犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命來(lái)緩解渦輪遲滯。比如專用于高性能渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的偏時(shí)點(diǎn)火技術(shù)，就以損傷排氣歧管與渦輪壽命為代價(jià)。而現(xiàn)在，隨著可變氣門正時(shí)、可變幾何渦輪、可變扭矩管理等新技術(shù)的應(yīng)用，連渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)都已經(jīng)能在1000rpm 左右便啟動(dòng)渦輪，進(jìn)而達(dá)到扭矩峰值，順便還能降低排放，并改善燃油經(jīng)濟(jì)性——這可不是空口胡謅的大話，相反，證明可變技術(shù)對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)卓有療效的案例，隨手便能拈來(lái)幾個(gè)。

偏時(shí)點(diǎn)火

在高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)普及之前的時(shí)代，由于多數(shù)乘用車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴是安裝在進(jìn)氣歧管上，并且發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦也不算太“精明”，所以進(jìn)氣行程噴油、壓縮行程火花塞跳火點(diǎn)燃油氣混和氣，算是很正常也很普通的四行程發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作方式。同樣的，就算是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)亦然！

但在上世紀(jì)80年代，越來(lái)越多賽車、市售性能車競(jìng)相透過(guò)使用大A/R 值渦輪增壓器換取更強(qiáng)大動(dòng)力時(shí)，車廠也發(fā)現(xiàn)此舉的副作用就是渦輪增壓器葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大了，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速域排氣脈沖較弱時(shí)，或是在駕駛?cè)耸沼烷T后再加速時(shí)，這類渦輪增壓器葉輪的加速反應(yīng)特別滯后，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪遲滯、再加速反應(yīng)遲緩等狀況出現(xiàn)。為此，多家車廠著手研發(fā)可緩解渦輪遲滯現(xiàn)象、名為ALS（Anti-lag System）的渦輪防遲滯系統(tǒng)，其運(yùn)作方式有的是打旁通氣壓到排氣歧管，有的是增加混合氣濃度，而這里我們以第三代三菱Lancer EVO WRC 賽車使用的Misfiring System 偏時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)舉例。

偏時(shí)點(diǎn)火的核心基礎(chǔ)，在于運(yùn)算能力更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦，其能有別于一般車輛當(dāng)駕駛?cè)瞬徊扔烷T踏板噴油嘴就不供油，而是在此般條件下還適當(dāng)噴油到汽缸內(nèi)。但這時(shí)電腦不會(huì)讓火花塞急著在爆炸行程就跳電點(diǎn)燃汽油，而是在排氣行程中排氣門已經(jīng)打開(kāi)，多數(shù)汽油被推入排氣芭蕉時(shí)，控制點(diǎn)火模塊以延后35～40 度的點(diǎn)火正時(shí)角點(diǎn)燃混合氣并加溫排氣芭蕉，于是爆炸就會(huì)依著流體慣性在排氣芭蕉段內(nèi)進(jìn)行，而非汽缸內(nèi)。這樣特別的后端燃燒有何目的呢？答案就是：在駕駛?cè)耸沼蜏p速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)依然能依靠排氣芭蕉段內(nèi)的爆燃推動(dòng)渦輪增壓器葉輪保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而在駕駛?cè)酥匦虏忍び烷T要加速時(shí)，渦輪壓力就能立馬補(bǔ)充上來(lái)，遲滯的問(wèn)題就迎刃而解了。

在那個(gè)時(shí)代看起來(lái)很有學(xué)問(wèn)的Misfiring System，如果要當(dāng)今有可變氣門挺舉角、缸內(nèi)直噴……等一堆先進(jìn)機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)成，其實(shí)難度一點(diǎn)都不高，但為什么如今很少看到具有這般功能的發(fā)動(dòng)機(jī)呢？理由一，由于渦輪增壓器被長(zhǎng)時(shí)間維持在高溫、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下工作，其使用壽命會(huì)大幅縮短;理由二，由于爆燃是在排氣芭蕉段進(jìn)行，因此容易伴隨排氣爆裂聲與排氣尾嘴噴火現(xiàn)象出現(xiàn)。其中理由二雖然對(duì)于喜歡激情駕車的人來(lái)說(shuō)是享受，但對(duì)多數(shù)人來(lái)說(shuō)噪音恐怕不太能接受;理由一就更不用說(shuō)了，誰(shuí)喜歡常?；ù箦X換修渦輪增壓器呢？

分析

1.第三代Lancer EVO市售版車型發(fā)動(dòng)機(jī)搭配Garrett渦輪機(jī)，WRC賽車采用MHI大型渦輪機(jī)。

2.WRC賽車的4G63T雖然壓縮比更低，能用更大渦輪催逼更強(qiáng)大動(dòng)力，但卻能確保再加速反應(yīng)快速與更少遲滯。

VGT可變幾何渦輪

所謂“可變幾何”，一般是指渦輪轉(zhuǎn)子噴嘴通道的幾何形狀可變。之所以要改變噴嘴的幾何形狀，是因?yàn)樵诓煌陌l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的負(fù)荷需求其實(shí)也在變化。簡(jiǎn)單來(lái)講，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，工程師希望有個(gè)低慣量的小尺寸渦輪，以便更易啟動(dòng)，從而緩解渦輪遲滯;但在高轉(zhuǎn)速下，小渦輪的截面積對(duì)于增大的廢氣流量來(lái)說(shuō)偏小，不僅浪費(fèi)較多的廢氣能量，更會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低，此時(shí)反而需要大尺寸的渦輪轉(zhuǎn)子來(lái)充分利用排放的大氣流，并減少排氣回壓，進(jìn)而提升增壓效果。但如果只有一個(gè)尺寸固定的大渦輪，那就得控制氣流大小來(lái)調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)子的負(fù)荷，在實(shí)際應(yīng)用中，常通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)渦輪葉片的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流的控制。

值得一提的是，由于渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度普遍低于600℃，所以很早就用上VGT技術(shù);而渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度卻可高達(dá)1000℃，而能夠長(zhǎng)時(shí)間忍耐高溫的材料又很貴，以至于直到21世紀(jì)才有量產(chǎn)車用上VGT技術(shù)。

至于VGT可變幾何渦輪的“療效”，只需對(duì)比996代911Turbo和997代911Turbo 兩款車的發(fā)動(dòng)機(jī)，便能知曉答案。從缸徑和沖程來(lái)看，這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)顯然用的是同一套缸體，但同樣是雙渦輪，M97.70不僅性能更強(qiáng)，并在更低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到扭矩峰值，區(qū)別就在于，M97.70擁有博格華納出品的VGT大尺寸渦輪。只不過(guò)，保時(shí)捷把這玩意叫作Variable TurbineGeometry可變渦輪幾何而已。

分析

1.具備VGT，最大扭矩發(fā)放轉(zhuǎn)速得以降低，低轉(zhuǎn)速域渦輪遲滯現(xiàn)象更輕微。

2. 997一代發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比降低，是為了讓渦輪機(jī)打出更高增壓值而做出的設(shè)定，但此舉往往造成低轉(zhuǎn)速域扭矩更差。但有了VGT技術(shù)，很好避免了這般弊端發(fā)生，兼顧動(dòng)力更好、遲滯更輕微。

VC-T可變壓縮比

既然壓縮比實(shí)際上指的是活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)汽缸內(nèi)燃燒室的容積與活塞在下止點(diǎn)時(shí)汽缸內(nèi)燃燒室的容積之比，那壓縮比越大，汽缸內(nèi)的混合氣自然就能燃燒得更加充分，而發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性便越好，同時(shí)輸出功率也會(huì)越大。這意味著，可通過(guò)提高壓縮比來(lái)改善渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放。

但是，更充分的燃燒還會(huì)抬高汽缸內(nèi)的溫度，這對(duì)于燃燒溫度本就偏高的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)反成安全隱患。于是，工程師便引入可變壓縮比技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)負(fù)荷狀況自行調(diào)節(jié)壓縮比。

不過(guò)，要使可變壓縮比結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作卻很難。截至目前，也就薩博、日產(chǎn)、標(biāo)致雪鐵龍3家汽車制造商展示過(guò)實(shí)用的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，但只有日產(chǎn)最終造出量產(chǎn)機(jī)型。不僅如此，日產(chǎn)在2005年拿到VCR可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)專利后，也一直等到2018年才真正得以實(shí)現(xiàn)可變壓縮比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)KR20DDET的量產(chǎn)。好在事實(shí)證明，可變壓縮比技術(shù)確實(shí)令渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)受益匪淺。根據(jù)日產(chǎn)的數(shù)據(jù)，使用VCR可變壓縮比技術(shù)，可讓100km/h 等速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低13%。而相比日產(chǎn)上一臺(tái)2.0L 排量，搭載在Bluebird 2000SSS、Pulsar GTi-R、Silvia等車上的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)SR20DET來(lái)說(shuō)，全新天籟的2.0升渦輪增壓機(jī)器KR20DDET在性能上全面領(lǐng)先。

分析

1.SR20DET是一款偏向中高轉(zhuǎn)速域發(fā)力的機(jī)器，渦輪遲滯頗為明顯;而KR20DDET沖程較長(zhǎng)、缸徑更短，更多考慮低轉(zhuǎn)扭矩發(fā)放特性。

可變扭矩管理系統(tǒng)+新型IHI渦輪增壓器

當(dāng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)總算搞定縮減渦輪遲滯、改善油耗與排放等“任務(wù)”后，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的擁躉們卻又拋出新的難題：響應(yīng)時(shí)間。不過(guò)，法拉利F154CB發(fā)動(dòng)機(jī)似乎已經(jīng)解決這一問(wèn)題。因?yàn)樗鼡碛蠽ariable TorqueManagement可變扭矩管理系統(tǒng)。這是一套根據(jù)變速箱擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、駕駛?cè)擞烷TDuty 率……，甚至突破性的精確到連渦輪增壓器葉輪轉(zhuǎn)速都加以精確采擷的系統(tǒng)，并且能根據(jù)強(qiáng)大電腦運(yùn)算能力，透過(guò)控制排氣壓力等方式來(lái)調(diào)整IHI渦輪機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速，并形成閉環(huán)調(diào)控模式，也因此能非常實(shí)時(shí)的控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出曲線，使發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)擋位都能獲得充沛扭力。

正是得益于此，法拉利只用一年，便讓California T上那臺(tái)仍能感覺(jué)到渦輪遲滯的F154BB，蛻變成2000rpm以上的油門響應(yīng)速度與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)水平相當(dāng)?shù)腇154CB，進(jìn)而賦以488 GTB游刃有余的動(dòng)力性能。來(lái)到2018年，488 Pista搭載的F154CD更已擁有可媲美法拉利自家自然吸氣V12發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性的扭力曲線。

盡管無(wú)法用文字直觀地表現(xiàn)出F154系列發(fā)動(dòng)機(jī)的油門響應(yīng)到底有多快，但對(duì)比法拉利上一代渦輪增壓V8——F120系列發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)可知，排量更大的F154系列發(fā)動(dòng)機(jī)不僅性能更強(qiáng)，還更快達(dá)到扭矩峰值，并有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。比如，同樣在城市擁堵路段，搭載F154CB的488GTB的油耗為16.6L/100km， 而使用F120A的F40的油耗卻高達(dá)19.2L/100km。雖然這并不完全是可變扭矩管理系統(tǒng)的功勞，但它在里頭起到的作用卻是不可或缺的。

分析

1.排量更大的F154CD發(fā)動(dòng)機(jī)自然需要尺寸更大的渦輪轉(zhuǎn)子，但從性能參數(shù)來(lái)看，它不僅渦輪遲滯更輕微，并且燃油經(jīng)濟(jì)性也更好。

2. 9.4 ：1的壓縮比對(duì)于一臺(tái)性能發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是有很高爆震出現(xiàn)危機(jī)的，但F154CD能憑借精確的控制增壓值、供油量、點(diǎn)火正時(shí)……確保發(fā)動(dòng)機(jī)健康與性能兩不誤。