涡轮机凭啥干掉“自吸”?

2016-07-28 00:02:29傅雪峰

在涡轮增压发动机上一向“保守”的日系汽车厂商,一反常态地加快了“涡轮化”脚步,本田新一代思域动力主打1.5T,丰田在继2.0T发动机之后又将引入更小排量的1.2T发动机,这是否意味着,自然吸气(下称自吸)发动机真的大势已去呢?

一、 日系厂商放弃固守“自吸”

在欧美汽车生产商把动力系统迅速“涡轮化”之时,日系厂商尚在举棋不定。日本三大汽车公司(丰田、本田、日产)都认为自吸发动机在燃烧效率上大有潜力可挖,不见得非要在发动机上加挂一颗或几颗涡轮。

在日系“三大”中,丰田明确表示过,自吸发动机配合电机驱动,不但可以提供跟涡轮机一样的强劲动力,油耗还能做到很低。本田和日产靠自吸发动机加CVT变速箱这样的动力组合,在油耗控制上也表现不错,在涡轮化方面也不积极。

▲丰田靠混动技术能达到不错的燃效,对涡轮增压发动机积极性不高

另一个日系汽车厂商,特立独行的马自达,更是死咬住自吸一条路,坚持认为自然吸气发动机的效率可以比涡轮机更高。马自达坚守自吸阵营,几年如一日地挑战发动机“高压缩比”的极限。

不过,日系自吸阵营已经出现了明显的动摇,丰田、日产、本田都开始启用涡轮增压发动机,并装备在畅销车型上,未来,会有更多的涡轮机加入,向更多的车型普及。

涡轮增压发动机来势汹汹,大有扫平自吸发动机之势,这背后到底是什么原因呢?

二、 欧洲洲豪华车引领的“涡轮化”潮流

真正掌握现代汽车工业指挥棒的,不是汽车消费者,不是汽车厂商,而是各国的环保政策。

欧洲对汽车排放的限制一向严格,从1992年就推出“欧1”排放标准,此后隔几年就升级一次,欧2、欧3……一直到现在的“欧6”。真正让自然吸气发动机感到绝望的,是2009年欧盟出台的一项限制汽车CO2排放的法规,要求汽车制造商到2015年要达到平均新车CO2排放130g/km的标准,整车平均重量也要降至1372kg,超过该限额的制造商将受到处罚。

▲欧盟对汽车碳排放的严苛控制,首先把欧洲汽车制造商逼上发动机小型化之路

欧盟指挥棒一挥,欧洲的汽车厂商马上整齐划一地奏响了“涡轮”乐章。大家不约而同地认为,走发动机小型化之路,是满足环保新规的最好办法。发动机小了,动力却不能跟着小下去,好吧,那就让它“开挂”,用涡轮把动力催起来。

在过去的40多年中,宝马造出了那么多销魂的自吸发动机,从4缸到6缸到8缸到10缸,一直到象征着发动机巅峰的12缸,每一款发动机都有强劲而线性的动力,也有让人意醉神迷的声音。但宝马却毅然、果断、全面放弃了自然吸气发动机,让宝马迷们唏嘘不已。现在,所有的宝马车的发动机上都有一颗两颗或三颗涡轮增压器,无一例外——除了电动车。

▲宝马曾经造出了无数迷人的自吸发动机,现在全面“涡轮化”

奔驰发动机也全面涡轮化,只在小不点儿车smart上保留了自吸发动机;在涡轮发动机上先人一步的奥迪当然也不会落后,除了个别小众车型,比如R8,主流车型也全面由涡轮发动机当家。

而早在豪华品牌“涡轮化”之前,大众这样的欧洲“普通品牌”早早就把“涡轮增压”当作招牌新技术,向中国市场推广。

美系汽车品牌通用和福特很快就跟上了涡轮化的脚步,小有1.0T的三缸小排量涡轮发动机,大有马力超过600匹的V6双涡轮发动机。美系汽车厂商的迅速跟进,原因也很简单,因为对于汽车排放和节能的要求,不止是欧洲有,美国也有,尤其是对美系厂商相当重要的中国市场,政策明显也是“照顾”小排量汽车。

去年,丰田刚刚开始起用2.0T的涡轮增压发动机,装在了雷克萨斯NX、丰田汉兰达上。今年,丰田明显是坐不住了,雷克萨斯IS、GS和RC很快也把2.0T列入动力配置名单中,1.2T的发动机也很快要列装。

▲今年的北京车展上,丰田宣布在年内推出1.2T涡轮增压发动机

丰田这么着急,是因为汽车消费者的想法变了,在欧洲豪华车的影响下,人们普遍觉得涡轮增压发动机是一种高级货,雷克萨斯的美国市场负责人说,有的人甚至都不知道涡轮增压是干什么的,但一听到“turbo”这个词就很兴奋,觉得自己的车也需要那个玩意儿。

三、 涡轮增压发动机有多“高级”?

这一波“涡轮浪潮”的初衷跟1980年代不同,不是为了压榨发动机的马力,而是为了节能和环保。

支持“涡轮化”的发动机专家们指出了涡轮增压发动机的很多优点。首先,它缩小了发动机的体积,减轻了发动机的重量,符合“轻量化”的要求;缩小体积、减少气缸数量(比如V6发动机就可以被4缸涡轮增压发动机替代),就意味着发动机内部的机械摩擦减少,可以节省能量;涡轮增压发动机可以在很低的转速下就爆发出峰值扭矩(很多涡轮增压发动机在1500转左右就进入扭矩爆发期),低转速也意味着机械摩擦少,油耗低。

涡轮增压本身的基本好处就是这些。而涡轮增压一旦跟“缸内直喷”和“可变气门正时”之类的技术结合在一起,那更是“金风玉露一相逢,便胜却人间无数”。

通用2014年初推出一系列小排量涡轮增压发动机,从这批发动机身上,可以看到涡轮增压的一些最新技术。

▲2014年初,通用汽车推出了一系列包含涡轮增压型号在内的新型小排量发动机

比如雪佛兰迈锐宝XL用的1.5T涡轮增压发动机,在技术资料中,我们可以看到“顶置直喷”、“可变气门正时(DVVT)”、“缸盖和排气歧管一体化设计”、“可变排量机油泵”之类的描述。

直喷,是涡轮增压发动机的最佳拍档,如果没有直喷,涡轮机的功力会下降好几成。

所谓直喷,就是汽油直接喷到发动机的气缸里,而不是先喷在进气歧管内,再通过进气门进入气缸。

▲左图为进气歧管喷射,右图为缸内直喷

直接喷在气缸里,最大的好处是可以帮气缸降温,因为汽油雾化时会带走热量,这跟往地上洒水可以降温的道理差不多。给气缸降温太重要了,气缸温度高,就容易发生爆震,为避免爆震,就要降低发动机的压缩比,而压缩比一低,发动机的效率就会下降。

这段话比较绕,没点发动机基础知识的人不容易看明白。大家只要知道结果就行:燃油直喷可以提高发动机的压缩比,而提高压缩比可以提高燃烧效率。涡轮增压发动机本来就是靠涡轮压缩空气后强行送进气缸,缸内压力大、温度高,为防爆震,压缩比一般都比自然吸气发动机低不少,引入直喷后,压缩比可以提升一些。

有报道说,缸内直喷给节油率的贡献是2%~3%。

通用的这款1.5T发动机,采用的是比较独特的“顶置直喷”,把喷油嘴放在了气缸顶部的中央;而大多数缸内直喷是把喷油嘴放在气缸一侧(据说,顶置直喷的优点是可以更好的控制喷油量和雾化效果,可以提高燃烧效率)。


涡轮机凭啥干掉“自吸”?

▲上图为顶置直喷,下图为侧置直喷

而无论是顶置直喷还是侧置直喷,比起歧管喷射来说,可以对喷油和雾化进行更精准的控制,整体来看,如果控制好喷油和雾化,给节油率的贡献可以到5%。

再看“可变气门正时(通用所谓的DVVT)”,进气门、排气门打开的时机是可以变化和控制的。这个功能对涡轮增压发动机有个额外的好处,如果延长进气门和排气门的打开时间,在进气门和排气门全打开的时候,涡轮可以把新鲜空气从进气门吹进气缸,部分空气再从排气门吹出去,这样也可以“吹走”气缸内的一些余热;在进气门和排气门都关闭时,喷油嘴再开始喷油,混合气不会泄漏。这样一来,气缸内的温度也会降低,发动机压缩比就能提高一点。

“缸盖和排气歧管一体化设计”是把排气管集成到气缸盖里,不再裸露在发动机外边,好处是减少发动机暖机时间(发动机冷启动后,温度低,汽油雾化不好,燃效比较差),还可以让发动机废气更快地驱动涡轮,减少涡轮迟滞。

“可变排量机油泵”之类的功能也是为了减少一点发动机的能量损失,不再一一赘述。

四、 “自吸”发动机不服气又如何

说了这么多涡轮增压发动机的好处,马自达其实一直是不服气的。马自达的发动机研发负责人,著名的“发动机先生”人见光夫就指出:涡轮增压发动机“模式燃效好,但实际燃效差”。这是因为增压之后,燃烧压力上升,压缩后的温度也会随之升高,容易发生异常燃烧(爆震),因此必须降低压缩比。而压缩比降低后,发动机的热效率会降低。

所谓“模式燃效好,但实际燃效差”,指的是涡轮增压发动机在油耗测试中可以占便宜,比如在欧洲进行的模拟测试中,怠速和低速工况占的比重比较大,涡轮机排量小,在这两种工况下就比大排量的自吸发动机油耗低。而一旦涡轮介入,发动机进入全力工作状态,也不见得能省油。

发动机小型化,走涡轮增压之路,还会增加一些额外的成本,它比自吸发动机多了涡轮增压器和散热用的中冷器,还必须提高活塞、连杆、曲轴等部件的强度。

不管服气不服气,从丰田和本田的反映就可以看出,自吸发动机的黄金时代已经结束了。貌似倔强的马自达,也出人意料地推出了一款2.5排量的涡轮增压发动机,搭载在了CX-9上。

▲一直宣称坚持“自吸”之路的马自达也推出了一款2.5升涡轮增压发动机

欧洲的主要汽车厂商,已经全面转向涡轮增压,再回头恐怕是难了;美系汽车厂商也已经发力,开始在不同档次的车型上普及涡轮增压;中国的汽车厂商,也把涡轮增压视为技术潮流,主流厂商手中都有涡轮增压发动机并逐步替代自吸发动机。

五、 政策、厂商、用户的“合谋”

各国的汽车排放和节能政策、汽车厂商的技术路线选择、汽车用户的心态,都把涡轮增压推到了“主流技术”的位置上来,日系汽车厂商尽管心有不甘,也无奈地加入到这个大合唱中来。

远的不说,就看看我国的政策对发动机技术路线的影响吧。上边已经说过,涡轮增压发动机在油耗和排放测试中也是有“优势”的,这个优势,在中国依然存在,而且,涡轮机在中国还有一个重大利好:汽车消费税。

消费税是在对货物普遍征收增值税的基础上,选择少数消费品再征收的一个税种,汽车就是“少数”之一。而且,消费税是一种“价内税”,具体到汽车,它不是向汽车买家征收的,而是向汽车厂商征收,这个税会包含到汽车售价中。我国的汽车消费税其实是一种按排量征收的“排量税”,排量小的车征税低、排量大的车征税高。

▲我国的汽车消费税,实际上就是“排量税”,看看这个图就知道,为什么现在中国会出现这么多的1.5T发动机

征收汽车消费税,是为了“节能减排”,但要是按排量征收,确实有不公平之处。不过,政策如此,大家也无话可说。既然按排量收税,发动机小型化就是汽车厂商降低成本的必由之路,而发动机小型化,加挂涡轮保持动力水平也是必由之路。

你看,为什么涡轮增压发动机新上了这么多1.5T的?通用有这个排量、福特有这个排量,本田新款的思域是这个排量、大众也正在研发这个排量。原因很简单,这个排量是卡着消费税定的,排量到了1.6升,消费税就要涨两个百分点。

上边提到过的雪佛兰迈锐宝XL用的1.5T发动机,最大功率125KW,最大扭矩252NM,完全可以替代2.4排量的自吸发动机,这样就可以省下6个百分点的税——对于十几二十万的车来说,这可不是个小钱。

经过汽车厂商近几年的“洗脑”,涡轮增压发动机比自然吸气发动机更“高级”的观念已经深入人心,尤其是豪华品牌汽车一致转向“涡轮化”的时候,谁还会怀疑它的技术含量和“先进性”呢?

发动机小型化,并且加上涡轮增压器“开外挂”,已是政策所向、大势所趋,尽管有很多人对自然吸气恋恋不舍,它们也终将渐行渐远。

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(文章来源:傅雪峰)
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