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为什么涡轮增压发动机再次成为行业趋势

 为什么涡轮增压发动机再次成为行业趋势?
NACSAE 丁华杰 (转)
 
 

  从第一个涡轮增压发动机专利发布,距今已近110年历史。在最近的第36届维也纳汽车研讨会,上千家汽车及零部件供应商聚集一堂,形成几点趋势性的论断,其中,关于发动机小型化的论点被修正,取而代之的是发动机涡轮增压与排量的合理集成成为重要趋势。是什么支撑着涡轮增压发动机百年来长盛不衰、甚至重返“青春”?涡轮增压发动机到底经历了什么样的前世今生?今天,我们一一梳理。

  1. 涡轮增压发动机为节能而生

  近期,一个很有意思的争论是涡轮增压发动机是否节能,涡轮增压引进到发动机行业的最初的目的就是提升效率、实现节能,1905年瑞士工程师Alfred Büchi申请飞机、坦克发动机用涡轮增压器专利,目的是回收废气动能,他本人也被认为涡轮增压器应用的鼻祖。

  

  Alfred Büchi关于涡轮增压器的专利简图

  涡轮增压发动机是怎样实现节能的呢?可以简单理解成三个方面:第一,正常的发动机是通过缸内负压,把外面的空气吸进去,这里面有泵气损失,加装涡轮增压器后,通过排放的废气给进气增压,把这部分废气动能利用起来,本身就是节省能量,这是涡轮增压器最原始的“冲动”。第二、增压后的进气,进入气缸的速度更快、量更大,对于混合气扰动、混合有着明显的优化作用,提升燃烧效率。第三、随着汽车技术发展,一些诸如汽油机直喷技术的联合应用,给予涡轮增压提供了各种燃料配比可能,优化了燃烧,所以,本次第36届维也纳汽车研讨会,涡轮增压技术之所能够“重返青春”,理论根据就在这里。

  

Alfred Büchi的首台涡轮增压器样机,来源《Automotive Engineer-Milestones

  1912年,世界上第一台废气驱动的增压器正式问世。不过,这项技术最初并未用于汽车行业,而是应用于船舶、航空领域。1923年,德国交通部建造了两艘轮船,采用了涡轮增压技术,该技术使轮船的10缸发动机的最大功率输出由1750马力增大到2500马力。

  在诸多尝试应用中,1962年,通用汽车在Oldsmobile Cutlass Turbo Jetfire作为乘用车首次应用了涡轮增压器。

  

  1962 Oldsmobile F-85 Jetfire Sport Coupe with a Turbo-Charged 215 CID Aluminum Fuel Injection V-8 Engine under the hood

  来源《history.gmheritagecenter.com/

  此后20世纪70年代,保时捷911搭载涡轮增压器,但因为瞬间产生的巨大压力和热量,使安装后的效果并不理想。

  

  2. 飞机制造商将涡轮增压发动机成熟普及到汽车上

  第一次世界大战让涡轮增压技术开始走向前台,而第二次世界大战则让涡轮增压技术得到了完善,这些应用主要是在飞机等领域,军用永远比民用更急迫,也更具有前瞻性。

  第一家真正在汽车上成熟普及应用的公司也是源自飞机制造公司,斯堪尼亚汽车公司和瑞典飞机有限公司合并组成萨博公司,是第一家把涡轮增压器全面成熟应用到汽车产品上的汽车制造商。1977年问世的Saab萨博99汽车,使汽车发动机在应用涡轮增压技术上,真正开始走向成熟,它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生,立下了一个新的里程碑。

  Turbo技术的应用终结了“排量大小决定动力性能”的历史,利用发动机排出的废气推动涡轮将新鲜空气压缩送入汽缸参与燃烧做功从而增加发动机的性能,时至今日仍是提高发动机动力最有效的方法之一。

  

  从现在看历史,总让人唏嘘,概念的提出可以很早,技术的实现则是困难重重,涡轮增压技术在发动机上的应用,最大的瓶颈是缸内压力过大、出现不安全因素,1977Saab萨博99汽车,采用一个废气阀门,在发动机缸内压力过大时,泄掉部分压力,使这项技术的应用成为了可能。

  而此后,增压后的空气由于温度、压力较大,很容易在发动机缸内产生爆震恶劣工况,限制了压缩比,也限制了效率的提升,同样还是萨博汽车,1980年,通过声敏元件检测发动机爆震,再用自动性能控制系统(APC),检测到发动机有爆震倾向时,降低涡轮增压压力,尽可能地提升了发动机压缩比和燃烧效率。

  

  1983年,萨博推出16气门双顶置凸轮轴,1985年,推出电控点火系统,将燃烧更加可控,1987年,推出了至今仍在使用的水冷式涡轮增压系统,解决了涡轮增压带来的进气温度增高的问题。

  1990年,萨博在900车型中推出低增压涡轮发动机,这款107kW发动机在0.45Pa的中等增压压力下运行,从2000rpm以下就能具有良好扭矩,这项技术受到消费者广泛好评,萨博正式把涡轮增压系统作为其发动机的标配零件。

  此后,各家汽车制造商逐步意识到涡轮增压技术重要性,1990年,通用汽车收购萨博50%股份,成为控股公司,2000年通用汽车100%控股萨博汽车,在此期间,萨博涡轮增压技术,被通用汽车改造,结合当时先进的缸内直喷技术、高压喷射技术、双涡管技术、增压中冷技术等,让涡轮增压技术脱胎换骨,也改变了发动机排量与输出动力之间的概念。

  

  3. 通用汽车继承发扬了萨博涡轮增压的衣钵

  通用是最早尝试涡轮增压技术的汽车制造商之一,萨博则是最早广泛应用涡轮增压技术的汽车制造商,它们对于这项技术的有着很强的默契,二者之间的合作,加速了涡轮增压技术的发展。

  1991年,通用与萨博成立的新萨博,在Saab 9000系列中引入2.3L 16气门双顶置凸轮轴涡轮增压发动机,采用了通用的反向转动平衡轴技术,提升了运行的平稳性,输出148kW,在2000rpm时就能够实现330Nm的扭矩,且最大扭矩范围非常宽泛。

  1992年,萨博开发了发动机管理系统Trionic(r),同时将点火正时、燃油喷射、涡轮增压压力控制集成一体化控制,采用了32位处理器芯片,即便23年后的今天,多数企业的发动机还是应用的16位处理器芯片。

  2000年之后,通用汽车100%控股萨博汽车,这种研发更进一步加快,2002年,Saab 9-3车型,采用了内置式涡轮增压系统发动机,这样的布置能够快速启动催化器工作,降低排放。

  2008年,萨博全新2.8L V6涡轮增压发动机,功率大幅度提升30%,接近3.6L自燃吸气发动机的动力,同时提升效率、降低了排放。

  直到今日,各项技术都在持续优化、改善,包括缸盖和排气歧管一体化设计,涡轮增压系统直接安装在气缸盖上,让增压涡轮的位置更优化,更靠近发动机,进气效率更高,反应更快,优化了涡轮增压系统所固有的迟滞现象,这些技术几乎成了通用汽车涡轮增压发动机的标配。

  截至2015年底,上汽通用汽车三大品牌旗下共有49款车型采用涡轮增压动力,全面覆盖豪华车、高档车、中高级车、中级车、全能SUV、紧凑型SUV等各领域,当然,得益于上述布局,截至2014年底,上汽通用整体平均油耗比09年降低了13.5%,性能提升了11.8%,涡轮增压发动机在其中做出了重要贡献。

  给予上汽通用带来的利好也非常明显,国务院“对购买1.6升及以下排量乘用车实施减半征收车辆购置税的优惠政策”,让上汽通用汽车旗下14个车系72款车型,其中包括20款搭载小排量涡轮增压发动机的新车,如别克昂科威20T、威朗、全新英朗、昂科拉以及雪佛兰新科鲁兹、创酷等均享受到这一福利,这也使得上汽通用汽车成为此轮汽车产业结构优化和消费升级政策调控下的市场最大赢家之一,立竿见影的效果便是,昂科威20T车型销量大增,在当月批售的17295辆中占比近55%。威朗月批售超过9000台,20T车型占比超过38%。全新英朗继续月销过3万。同样惠及车型还有昂科拉和君威,其中,全系标配1.4T发动机的昂科拉当月销售8437辆;君威销售的9060辆中,1.6T车型占比超过56%

  通用汽车在涡轮增压技术领域的布局,是所有汽车制造商中,产品序列最全、技术最全面的汽车制造商,与第36届维也纳汽车研讨会的关于涡轮增压技术的共识非常一致,这既是一种前瞻,也是作为涡轮增压技术的先驱,自身迭代升级的一种必然结果了。当然,通用汽车这种布局,与大众汽车在产品研发路线、产品属性上有着明显的差异,这种差异既是一种技术理解的差异,同时也是对于未来汽车技术走向,新能源汽车路线定位的差异,为什么涡轮增压发动机再次成为行业趋势,具体如何我们下回见分解。

 



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