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发动机配件 排量小但动力强! VGT涡轮可颠覆你三观
索乐逸 POST:2021-12-22 08:00 复制链接 看图
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【卡车之家 原创】目前卡车品牌中,传统能源车型几乎都在使用涡轮增压技术,并且大多数发动机的涡轮布局为废气涡轮结构。不论是乘用车还是商用车,在内燃机领域,增压技术被视作提升车辆动力输出,节能减排的“药方”。

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经过多年来的发展,车辆的发动机技术在不断进步,而涡轮作为发动机中一大核心部件,近年来也通过反复升级内部结构,不断优化车辆的动力输出。对于内燃机而言,涡轮技术的进步意味着车辆动力将得到不小的提升,现如今2.0升-2.5升的柴油机在卡车市场中开始走红,但也有人质疑它们是不是依靠压榨发动机寿命而获得高效的动力,今天我们就来寻找答案。

涡轮的原理是啥? 设计有何利弊

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保时捷第一台勒芒赛用涡轮增压发动机

增压技术如今普遍应用在乘用车、商用车领域,这项技术对不少人来说已是耳熟能详。而涡轮增压技术面世已经有100多年的历史了,自1998年开始,我国汽车制造商开始研究、使用涡轮增压技术。增压技术研发的初衷在于提升发动机的进气量,进而提升发动机的功率和扭矩。

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盖瑞特废气涡轮增压器

对于卡车而言,机械增压以及复合增压系统并不常见,现阶段应用最为广泛的还是废气涡轮增压系统,在这项技术中,涡轮本体并没有和发动机有任何机械关系,它被安放于发动机的排气系统处,利用发动机排出的废气来推动涡轮增压器,同时涡轮带动涡轮增压器中的叶轮,叶轮又压缩传送更多的空气进入气缸,使进入气缸的空气和排出的废气同步增快。

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这样的设计能让发动机的功率、扭矩得到进一步提升,不过也会因为加强气缸内的做工强度,加大燃料的消耗量,由于被安置在废气系统区域,涡轮增压器的工作温度非常高,并且由于转速很高,所以废气涡轮一般采用全浮动轴承,并且使用机油和冷却液进行润滑、降温。

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涡轮发动机做功示意图

在发动机的做功过程中,所产生的能量大致可以分成三份,大约有三分之一左右的能量进入冷却系统、三分之一的能量推动曲轴做工、三分之一的能量随废气进入涡轮增压系统(热能随着排气系统会带走部分能量)。理论上,发动机搭载的涡轮增压器越大,所带来的动力提升效果也就越明显,所以曾经不少车企、卡友都认为大排量配大涡轮甚至双涡轮是“王道”,并且这样的设计确实非常有劲。

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但是随着排放法规升级,大排量发动机所产生的排放污染物超标,汽车、卡车发动机的排量受到限制,要想改善动力输出开始变得困难,有人会说:那我们进一步加大涡轮的尺寸不就行了吗?但是单方面增大涡轮尺寸也带来了两项关键问题,那就是涡轮迟滞(Turbo lab)和车辆低速扭矩羸弱现象。

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涡轮扇叶需要废气吹动,而发动机排气量变小,吹的“劲儿”自然也就小了,曾经发动机1500rpm时就能吹动涡轮转动,小排量发动机可能需要2500rpm才能吹动涡轮转动,并且涡轮开始转动介入时会产生非常明显的动力差异,车辆就会变得低转速无力,高转速难以控制,车子日常驾驶起来非常难开。

VGT可变截面涡轮 发动机不用气喘吁吁

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如何才能让小排量发动机拥有较为强劲的动力输出呢?没有VGT可变截面涡轮之前,厂家一般采用小尺寸的轻质涡轮,这种涡轮转动不需要太大的惯量,因此在发动机低转速区间我评论也可以介入,不过这种小涡轮也有缺点,那就是发动机在高负荷、高钻速的工作状态下,小涡轮由于排气截面偏小,会使得排气产生大量阻力(又称:回压),这样反而会影响发动机的最大功率和最大扭矩。

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虽然变得更好开,涡轮更容易转起来,但是很难在动力上有所突破,这时VGT可变截面涡轮VGT(Variable Geometry Turbocharger)便应运而生,值得一提的是这项技术最先还是应用于柴油机之上,因为柴油机的工作温度较低,VGT所使用的硬件材料成本更低,所以最先应用于柴油机之上。

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相较于普通涡轮,VTG的核心技术就是加入了可调涡流截面的导流叶片,它们被固定安置在涡轮扇叶的外侧,通过电脑ECU可以控制这些导流叶片的角度,废气可以从导流叶片之间输送到涡轮叶片之中。这样设计的优势,就是在车辆低转速、低排压的情况下,导流叶片之间的缝隙变小,可以轻松通过低排压吹动涡轮叶片,发动机高转速时则能将所有导流叶片的角度开到最大,保障废气气流全速通过涡轮增压器,实现更好的动力输出。

并且由于导流叶片可以对涡轮转速进行有效控制,涡轮不会出现过载保护,所以使用VGT技术的涡轮增压车型都不需要使用泄压阀,这也就很好的解释为什么现阶段保时捷的车型在高速收油时听不到“咻、咻、咻”的声音了。

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博格华纳工厂

虽然这项技术看似很普通,但是直到几年前,保时捷联手博格华纳才在汽油机上攻克了这项难题(汽油发动机温度高,选材成本高),但是它的出现让小排量发动机可以装上尺寸更加夸张的涡轮,并且动力释放更平顺,输出的功率、扭矩也更强劲。

2.0T可迸发400马力 小排量也能不被压榨

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此前我们说过,废气涡轮增压系统和发动机本体之间并没有机械结构的连接,并且在同等排量的前提下,影响车辆动力的因素有很多,以奔驰最新款的S139 980直列四缸汽油涡轮增压发动机举例,它可以输出421马力,最大扭矩达到了500牛米,这样的动力参数在几年前是不敢想象的。

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奔驰A45S S139 980发动机

作为一台量产车,这样的设计并没有以牺牲发动机寿命为代价,尺寸超大的低惯量VGT涡轮放置在了发动机后方,涡轮进气一侧为撞风设计,在气体压缩之前,压力损失更小。并且这颗涡轮采用了涂层优化和热处理的滚珠轴承,并非常见的全浮动轴承,前者虽然制造成本较高,但是在低转速区域时能够更好的减少摩擦。为了达到这一动力表现,不光是涡轮,奔驰共用了9项黑科技来优化S139 980发动机,在此我们就不逐一列举。

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哈佛H9 4D20T柴油发动机

回到柴油机身上,2010年10月12日,长城汽车发布第一款型号为GW4D20柴油机(又被命名为绿静发动机),这款2.0T柴油机也是国内车企第一次自主研发、设计的柴油电控VGT涡轮增压发动机,在其服役的近十年间,4D20发动机不断升级换代,逐渐获得了市场肯定。目前哈弗H9上最新搭载的4D20T直列四缸柴油发动机最大马力达到了140kw(190马力),最大扭矩突破了420牛米。现如今市面上大多数轻、中、重卡也均采用了VGT可变截面涡轮技术,以达到低排放、高能效的动力表现。

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未来国内蓝牌轻卡车型开始逐渐装配2.0-2.5升涡轮增压发动机,以曾经的福康ISF2.8升发动机为例,其功率范围可以轻松覆盖107-168马力区间,而最新上市的福康F2.5对涡轮增压器、凸轮轴、缸体、活塞等硬件进行全方位的优化,不仅优化了整体的动力参数,马力可覆盖130-175马力,扭矩更是达到了460牛米,并且且改善了车辆的低扭表现,简单来说,现阶段车型的动力提升绝非简单依靠扩缸、增大排量这一粗暴的方法而实现。

不论是汽油机还是柴油机,要想实现动力提升不仅需要车企具备强大的技术储备,并且对发动机本体各项零部件的优化也是至关重要的,所以目前市面上大多数小排量柴油发动机并非单纯依靠压榨发动机寿命而获得高效动力,更多的则是在工艺、零部件上进行持续优化。

● 编后语

技术在不断进行发展,如果一直用老眼光看待新问题,势必会走入死胡同,在笔者看来,目前主流的2.5升柴油机所达到的动力表现并非压榨发动机寿命而来,各个车企的研发、制造技术也不再停留于上世纪90年代,如今小排量也有大马力是一件非常正常的事情。

单从排量看马力的时代会逐渐过去,大排量虽然在使用中更有底气,但是在燃油经济性、保养成本、环保方面确实已经跟不上时代。毫无疑问,未来以VGT可变截面涡轮为代表技术装备,将创造更多马力上的奇迹。(文/杨昊 图/Google)

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