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小排量增压的低速高扭到底咋实现的?

来源:范儿谷    阅读: 2.32W 次
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小排量增压的低速高扭到底咋实现的?

予墨前不久写了一篇《涡轮增压动力时代,1.5T为何成黄金排量?》,圈内都挺关注。但也有部分网友觉得该文偏宏观,无法彻底打消他们心中久存的「小排量涡轮增压发动机对中级车而言是小马拉大车」的印象。希望予墨就1.5T小排量发动机的技术本身来一次深入解读。

予墨之前试驾了迈锐宝XL1.5T版,从动力上来讲,它完全达到了我对中高级车动力的需求,但只说驾驶感受,未免主观因素太强。所以,确实有必要从技术的角度,来解读一下为什么通用的Ecotec 1.5T发动机应用在迈锐宝XL身上可以达到合理甚至可说是优异的动力匹配,并以此为例,为大家说明下小排量发动机的低转高扭是如何实现的。

总结下来,车友对于迈锐宝XL上1.5T顶置直喷涡轮发动机的关注核心集中于「动力」上:

①2000rpm涡轮达到最大增压压力前,动力能否满足需求。

②它的动力迟滞是否明显?

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第2张

上图是迈锐宝XL上搭载的通用Ecotec1.5T顶置直喷涡轮发动机的功率扭矩图。从图上我们可以看出,发动机在2000rpm之前扭矩迅速爬升至峰值扭矩,并在1600rpm时即可达到90%的峰值扭矩输出。这样的扭矩曲线,说明了它在低速段能有较强的加速能力,在中高速段具有更强的加速能力。那么,它是如何做到这一点的呢?

扭矩的大小与哪些因素有关?

从发动机理论上来看,在相同油门开度的情况下,发动机的扭矩,与进气歧管的空气密度、充量系数、过量空气系数、指示效率、机械效率五个因素有关。

进气歧管的空气密度:这个不用解释了;

充量系数:指实际进入气缸的空气质量,与标准大气压下要填满燃烧室的空气质量之比;

?过量空气系数:是指燃烧1Kg燃油的实际空气需求量与理论空气需求量之比;

?指示功率:发动机单位时间内能做出的功;

?机械效率:指示功率减去发动机内部摩擦消耗的功率,与指示功率的比值。

以上五个因素翻译成白话,就是说,发动机扭矩性能的高低,和:

①进入气缸的空气量(发动机能吃多少)

②发动机的燃烧效率(发动机将吃进去的多少转化成了需要的能量)

③发动机本身损失掉多少(发动机的消化过程消耗了多少能量)三个因素有关。

所以,无论是否是涡轮增压发动机,要提高低速扭矩,就必须要在这三点上着手。相对而言,像迈锐宝XL搭载的Ecotec 1.5T这样的顶置直喷涡轮发动机,它相比普通自吸发动机的最大差异,就是提高空气量这一点。

提高低速扭矩手段一:提高进气量

涡轮增压发动机之所以能得以「增压」之名,就是因为它能将空气压缩后「吹」入气缸,相比自然“吸”气不仅能够达成更好的扫气效果,还能伴随进气密度的增加,增加缸内氧气总量,那么就能有更多的燃料可以进行充分燃烧。另外,由于空气的密度与温度关系密切,所以涡轮增压发动机都配有中冷器,不管是水冷还是风冷其目的都是为了降低增压器压缩后的空气温度,提高密度,增加氧气量。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第3张

那么,如何提高低转速时发动机中增压器的增压比,即发动机转速不高的时候,增压器能尽快开始进入最大工作状态?通用采用的方法是——减小增压器的涡轮和泵轮的尺寸,降低它们的转动惯量。它的涡轮直径仅为35毫米,泵轮直径仅为40毫米。涡轮越小越轻,低转速时虽然排气流量不大,但也能让涡轮更快的转起来。

相同的道理,如果你看到一款涡轮增压发动机的增压器启动越早,基本可以断定的是,它的涡轮和泵轮越小。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第4张

提高进气量还有另外一个方法——在低转速时,延迟进气门的关闭时间,也就是说,让空气多跑一会,自然进去的就更多了;在高转速时,缩短进气门开启时间,让空气更快速的进入气缸。因此,在通用为雪佛兰迈锐宝XL配备的这款Ecotec 1.5T顶置直喷涡轮发动机上,我们就看到了这项技术——DVVT进排气可变气门正时系统,它干的就是调节气门开闭时刻和开启时间长短的作用(DVVT就是双VVT,不光调节进气门,连排气门也管了)来提高燃烧效率。

提高低速扭矩手段二:提高燃烧效率

提高燃烧效率是一件很复杂的工作,也是一款发动机优劣的核心技术之一。而在迈锐宝XL上搭载的1.5T顶置直喷涡轮发动机所应用的顶置直喷技术,其目的就是为了提高燃烧效率。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第5张

我们知道,喷油嘴附近的油雾是最浓的,那么,它距离火花塞越近,被点燃时所需要的燃油越少。所以,顶置直喷能够通过精确的喷油控制,在保证充沛直接的动力同时还能够降低油耗。

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为了控制缸内燃烧的稳定性,迈锐宝XL的1.5T顶置直喷涡轮发动机还采用了冷却活塞的机油喷嘴,直接对活塞内壁进行喷油降温。这就可以让更多燃料在燃烧时更加稳定。

提高低速扭矩手段三:提高机械效率

提高机械效率,就是要让发动机内部摩擦和运动损失少一点。通用是怎么干的呢?

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第一,变排量机油泵。机油泵是由发动机带动的,如果在低速时能降低机油泵消耗的能量,那么机械效率就会相应提高。于是,变排量机油泵应运而生。

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第二,中空的凸轮轴。凸轮轴同样是由发动机带动的,降低凸轮轴的质量,发动机带动它转动损耗的能量更少,同样是为了提高机械效率。

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第三,采用逆齿链结构的正时链条。具体原理将不讲了,总之它比传统的正时链条具有更高的传动效率,从而提高了机械效率。与此同时,它的静音效果和耐久性也比传统正时链条更优。

话到这里先来做个小结。如果以上你基本看懂了,那么你已经能够清楚,如今的小排量涡轮增压发动机,是如何一步步实现了低速高扭矩特性。

但,「低速高扭」实现了,涡轮迟滞的问题怎么解决?

涡轮机为何会有动力延迟?

对此,首先我们必须要了解,为什么涡轮增压发动机会有动力迟滞。在这点上,大家一直有一个误区,很多人认为,发动机的涡轮增压器是在一定转速下才介入的。因为很多人在开车的时候,总感觉到在某一个转速下,车子动力突然增强,推背感明显。

但实际上,从发动机启动的那一刻起,发动机的涡轮就介入了工作。其实也不难理解,只要发动机开始排出尾气,尾气就开始推动涡轮,涡轮带动了泵轮,泵轮就在给进气加压。既然如此,为什么动力输出不是线性的呢?

让我们来看一下发动机涡轮增压的工作流程。当我们深踩下油门的那一刻,排气歧管到涡轮之间的空间内,废气密度还处在低转速时的低压状态。同时,涡轮的转速也处在较低的转速状态。

所以,虽然你踩下油门告诉发动机此时我要大扭矩、大功率,但发动机排出的废气首先要给排气歧管到涡轮之间的空间加压,其次要提高涡轮的转速。当这两点都满足了要求时,已经过去了0.X-X秒,发动机这才开始迸发出你想要的扭矩,并随着转速的提高,功率也迅速提高。

这就是所谓的涡轮迟滞的根本原因。那么,通用是如何解决它的?

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第10张

集成式排气歧管(红色)+增压器(蓝色)

首先,迈锐宝XL的1.5T顶置直喷涡轮发动机采用了集成式排气歧管。让增压器尽可能的靠近排气出口,减小他们之间的空间。这样一来,加压的时间将会缩短。

其次,减小涡轮和泵轮的直径和重量。它不仅能让发动机在低速时就能有更强的进气加压能力,同时也能提高增压器的响应速度。

综上,我们从迈锐宝XL1.5T顶置直喷涡轮发动机的工作原理上,可以看出在满足「低速高扭」和「迅速响应」这两个目标时,通用的工程师们是如何将这些新的技术应用于其中的。你应该能够更清楚,这些技术并非只是为了新技术而新,是有其目的的。

实际上,通用的Ecotec系列发动机还有其他很多新材料、新技术的应用,它们或是因为以上新技术的应用而必须采用新材料或辅助的新技术,或是为了油耗、可靠性、耐久性、NVH等而来。我这篇文章已经够长,就不再多说了。

结语

花了几天时间收集资料,应该能够从技术上告诉大家,为什么开着迈锐宝XL1.5T版本,即使是低速段的加速能力也挺强了吧!其实,就整车而言,迈锐宝XL相比其他1.5T中级车更有利的一点是,整车进行了全方位的结构优化和轻量化设计,并采用了大量高强度及超高强度钢,有效增强了车身刚性与安全性的同时降低了车的整备质量,相比上一代迈锐宝减重达120KG。车的整备质量越轻,动力就更容易发挥出来,加减速也就更加灵敏,当然,操控性能也更加优异。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第11张

作为一名女编辑,这张图必须放

单说迈锐宝XL一家未免偏颇,来看看目前市面上几款主流的中高级车一样可以印证予墨的分析。迈锐宝XL虽然最大功率与最大扭矩两项绝对值数据出于第一阵营,但并未居首;而这一数据结合占绝对优势的轻量化水平,在功率/重量比及扭矩/重量比两项更能反映车型综合动力性能的比值数据上就牢牢占据头把交椅。而这也是迈锐宝XL在0-100Km/h加速

实测中能跑出比蒙迪欧快半秒成绩的根本原因。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第12张

最后还要回答技术流车友们关心的两个问题。

一,类似于迈锐宝XL的1.5T顶置直喷涡轮发动机,是如何在2000-4200rpm之间,实现最大扭矩稳定输出的?

其实,这和增压器的一个关键零件有关——废气旁通阀。随着发动机转速的快速升高,增压器的增压压力也越来越大,但是无论是增压器还是发动机本身,所能承受的负荷是有限制的。所以,在达到最大扭矩输出的最低转速后,旁通阀就要介入开始工作——把一部分废气通过这个阀门直接排进排气管,不经过增压器涡轮,从而控制住进气的增压压力。

二,为什么同样一款增压车,有些人开着觉得肉且不平顺,有些人却并不觉得如此?

简单说来,道理是这样的:如果你急加速,发动机涡轮达到最大增压压力的时间会缩短,但是动力的过渡会更生硬,「幸福来得太猛烈」。「前段没啥反应,后面突然加速」的强烈对比,会让你觉得前面肉后面冲击过强,不够平顺。

反之,如果你对油门温柔一些,给排气以相对足够的时间来做出反应,那么此时增压器工作就会更加顺畅,虽然达到最大增压压力值的时间会变长,但动力的输出就更线性,冲击就不明显,你反而就会觉得动力来的连绵不绝了。

因而,在评价发动机的“风格”前,自己对油门的控制也是非常关键的一环。

小排量增压的低速高扭到底咋实现的? 第13张

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