这个标题的答案,我想很多人都能够讲出个一二三四。不过我想还是用一篇更系统的文章来讲清楚,究竟涡轮增压发动机对比自然进气发动机,它的优势和劣势在哪里,涡轮迟滞的准确定义,还有为什么高低功率的涡轮增压发动机,日常开开不出区别,甚至低功反倒更顺畅。
首先是涡轮增压发动机和自然进气发动机的扭矩输出特性的区别。我们听过一个说法,“自然进气发动机低扭好”,但是我们又听过一个说法“涡轮增压发动机,rpm就能达到最大扭矩”,还有一个说法“自然进气发动机峰值扭矩只有一个点,涡轮增压发动机的峰值扭矩是一个区间,所以涡轮发动机更先进”,这究竟谁对谁错呢?
自然进气发动机由于只依赖活塞下行产生的负压来吸气(类似于我们的呼吸),所以整个进气效率,只与进气系统的充填效率有关。
涡轮增压发动机有一个涡轮增压器,把空气“推”进燃烧室(类似于我们帮轮胎打气),影响进气量的有进气道设计、涡轮增压器本体、增压器值控制装置(扭矩平原的来源)等。
1.5TVS2.0NA。大家请忽略我的灵魂制图技术,领会主旨即可……
涡轮需要一定的废气量才能够带动压缩机产生压缩空气,所以“起压”转速不会从零开始,在涡轮介入前可看做自然进气发动机,扭矩主要来自于其基础排量,随后涡轮开始输出正压,扭矩快速增长。
而自吸发动机因为没有外部辅助,从头到尾都是以基础排量来运转,所以在绿色圆圈之前(大约rpm),扭矩一直都大于涡轮发动机。rpm以前,就是我们常说的“低扭区间”,的确自然进气发动机有优势。
一旦越过绿色圈,涡轮增压发动机因为有增压器的帮助,扭矩快速超越自吸发动机,并维持着稳定的扭矩平原,一直到动力衰竭。
为什么会有扭矩平原,这是先进技术的体现吗?
首先,自然进气发动机的最大扭矩虽然只是一个点,但可以看到整体的扭矩曲线都非常平缓,没有扭矩暴增的现象。涡轮增压发动机的扭矩平原,则是经历了一段“起压”之后出现的。
扭矩平原是由增压值控制装置实现的,通过开闭涡轮废气侧的旁通阀,调控涡轮转速,从而控制发动机的进气量,达到扭矩平原的效果。如果不控制涡轮旁通阀,虚拟的发动机扭矩曲线就会变成下图的样子。灰色阴影区,就是增压值控制装置的“成果”了。
扭矩平原主要有这几个好处:第一,在此区间内,汽车以接近匀加速状态(忽略行驶阻力的增量)提速,乘员感受舒适;第二,不让发动机输出过大的扭矩,损坏变速箱;第三,保护涡轮增压器。
有的人看到涡轮增压曲线,会将前半段的扭矩爬升阶段当做“涡轮迟滞”,其实这是不对的。因为这条扭矩曲线是涡轮增压发动机在全负载下“拉”出来的。而涡轮迟滞的定义是“响应的滞后”,也就是从“20%负载”到“%负载”中间的犹豫时间。也就是下图黑色箭头所指的这个过渡区所经历的时间。
一般涡轮增压发动机从低负载到全负载的响应时间,是0.5~1.x秒之间,视乎发动机转速、发动机排量与涡轮大小的搭配、进排气系统设计等。
你看到的所有的“管”,还有涡轮和中冷器,都是涡轮迟滞的来源。
涡轮迟滞的主要来源(括号内是对应的解决方法):1、废气流量需要积累(双涡流、可变几何涡轮、VVT改善低扭);2、涡轮叶轮本身存在惯性(轻量化叶轮、降低旋转阻力);3、想象一下用一根三米长的吸管喝水,增压空气要先充满进气管路才能进入发动机(缩短、拉直进气管,细进气管、小号中冷器)。
升功率越高的涡轮发动机(如马力数量级的奥迪S3、奔驰A45AMG),需要使用更大的涡轮,也需要更大的中冷器,所以天然的,涡轮迟滞会更明显。所以,升功率越高的涡轮增压发动机,驾驶性会越差。当然这是在控制了其他变量之后的结论,你要说宝马2.0T高功驾驶性差过哈弗2.0T低功那就是抬杠了。
而相对应地,自吸发动机不需要涡轮增压系统建压的过程,所以也就几乎不存在迟滞,从低负载到全负载,响应时间大约是0.2~0.4秒。
有没有响应性能好一点的涡轮增压发动机呢?有,宝马几乎全系、本田几乎全系、丰田1.2T、江淮1.5T、奇瑞1.5T等都很不错。
高低功怎么选?
在自吸发动机时代,低功小排量高功大排量,所以高功发动机的扭矩曲线是全方位在低功之上的,于是高功的驾驶性可以完胜低功。
但是来到涡轮时代,高功需要更大的涡轮,所以涡轮建压更晚,涡轮迟滞也更严重,所以低功对比起高功,并非一无是处,至少在市区走走停停需要低扭和发动机响应性的场景下,低功就不比高功差,甚至体验更好。
大排量推小涡轮VS小排量推大涡轮
前者升功率的数据也许不漂亮,但发动的扭矩曲线和响应性更接近自吸发动机,例如宝马的3.0T、马自达的2.5T,还有BBA的几款V12涡轮发动机。后者能够刷出厉害的升功率参数,能够用相对紧凑的体积达到更高的输出,功率密度高,不过驾驶性一般般,典型的就是各种2.0T高性能发动机。
两条路子没有说谁高谁低,只是设计目标和性能指标的需求不一样,导致最后使用的方案不一样而已。
但是说了这么多,最后的结论还是,自吸发动机的驾驶性的确比涡轮发动机更好,只是要想压榨动力的同时控制油耗,需要更多的“黑科技”。自吸就像是库里这种小个球员,启动快、灵活,就是爆发力欠奉;而涡轮增压发动机就像是巴特尔这类球员,移动不快,但是冲起来谁都挡不住。
而大家打球都更想做控卫,而不是一个力量型中锋。