Turbo發動機:實現最大扭矩的轉速越低越好嗎?

2020-11-23 汽車科學島

Turbo已然成為了內燃機時代的明星,幾乎所有人都知道渦輪增壓技術能以低油耗實現大扭矩,但對於如何實現以及扭矩的曲線哪種方式最理想,想來很多人還是不夠理解的,本篇將解析渦輪增壓的增扭原理、對於渦輪增壓技術的常見錯誤理解,以及哪兩種增壓調校最理想。看完之後這個題主應不會再疑惑了。

火爆的渦輪增壓

第一章:渦輪增壓器與富氧燃燒

渦輪增壓器的本質是一臺空氣壓縮機,通過葉輪超高速(每分鐘數萬轉)將進氣系統中吸入的常壓空氣壓縮成小體積的高壓空氣。空氣中的各種分子含量在常壓下是固定不變的,而將空氣壓縮後分子量同樣沒有變化,可理解為分子間隙被壓縮變小導致空氣體積整體的縮小,這就像用手擠壓棉花糖一樣。壓縮空氣的目的是提高單位體積內的氧分子含量,常壓下的空氣氧濃度為20.9%,那麼把大體積的空氣壓縮成小尺寸則氧分子含量會提升至21\22\23%……壓縮的狀態參考下圖。

氧濃度與燃燒火焰溫度(強度)比例

以渦輪增壓器把空氣壓縮成高氧濃度的壓縮空氣,其目的是為了實現富氧燃燒。氧氣與燃料的燃燒是一種在高溫環境中的化學反應,反應過程中分子會出現無規律的劇烈運動,運動產生的撞擊力可以推動內燃式發動機活塞往下運轉,這一步驟叫做膨脹衝程;活塞推動連杆,連杆再推動曲軸,曲軸通過飛輪旋轉輸出的轉矩則為所謂的扭矩,那麼分子運行的強度扭矩是不是也就會越大呢?

加熱後分子運動狀態

答案顯然是肯定的,那麼想要提升分子運動的強度則需要提升空氣中的氧濃度。因為氧氣不僅是燃料的催化劑或助燃劑,同時也是燃料的「興奮劑」;如果對於氧濃度與燃燒狀態沒有概念的話,在腦海中想一想點燃木柴時用嘴吹風的場景,吹動空氣是讓空氣加速流動,讓燃燒的位置快速地接觸到大量的空氣(中的氧氣),火焰則能夠燒得更旺盛。發動機內部的燃燒則可以通過渦輪增壓器壓縮實現高氧濃度的富氧燃燒,促進的是分子運動強度實現增扭。

富氧「吹氣」助燃

重點:Turbo廢氣渦輪增壓器不會多餘增加油耗。增壓器的動力來自發動機正常運行中產生的排氣,排氣產生高壓力引出一條管路並與增壓器的渦輪連接,利用這些廢氣的高壓吹動渦輪扇葉高速轉速;渦輪與葉輪剛性連接,所以葉輪等於利用廢氣實現同速旋轉,整個增壓流程沒有多餘的功耗。同時富氧燃燒的狀態是無需增加燃油消耗量的運行狀態,也就是說2.0T發動機的油耗等於2.0L但性能卻等於3.5L左右;當然這是在傳動系統與推重比和風阻係數完全相同的前提下才能得出的結論,由於L動力汽車多善於減重,所以這些車看似會節油一些,這就是渦輪增壓技術的原理與優勢。

渦輪增壓壓縮空氣助燃狀態

第二章:渦輪增壓增壓發動機的常見錯誤理解

某1.5T發動機最大扭矩285N·m,可在1400-3000轉之間持續輸出。從帳面數據分析,很多所謂的車評人會將其扭矩描述為「1400轉渦輪增壓開始運行,並且能持續輸出到3000轉」,這種說法顯然是錯誤的。因為依靠氣壓推動渦輪旋轉,氣壓來自發動機運轉時產生的排氣壓力;而發動機在不同轉速下運轉時產生的排氣壓力必然是不同的,那麼驅動渦輪的壓力又怎麼能可能從零瞬間達到最大壓力,使得渦輪瞬間達到最高增壓需要的渦輪轉速呢?

轉速決定增壓壓力

所以這種說法是非常業餘的,渦輪增壓器真正的運轉是從1000轉上下開始,怠速時的排氣壓力往往不驅動增壓器運轉,這是最理想的設定,原因第三章解釋。在稍微加點油門後轉速提升則會增加排氣壓力,此時的壓力已經足以驅動增壓器運轉了。

所以這臺發動機實際可能從900轉就開始增壓,隨著排氣壓力的提升到1400轉可驅動渦輪達到最高轉速(最強增壓壓力/壓縮空氣能力),在900~1400轉時的增壓壓力是線性提升的,在1400~3000轉之間可保持渦輪最高轉速,3000轉之後開始下滑但不會消失,這是渦輪增壓扭矩曲線的正確理解方式。

無限循環的渦輪增壓系統

第三章:渦輪增壓器如何調校才會有理想的體驗?

某2.0T發動機最大扭矩360N·m,可在1250~4500轉之間持續輸出。某2.0T發動機最大扭矩400N·m,可在3000~4000轉之間持續輸出。想來大部分汽車技術愛好者都喜歡第一種的曲線特點,因為起步稍微加速一點即可達到峰值扭矩,之後以轉速提升馬力可感受到平順的加速,同時也有充沛的動力體驗。不否認這種設計既平順又有駕駛樂趣,但是這種設計會大大增加發動機的運行負荷,發動機長時間處在高溫高壓的運行狀態必然會降低發動機的使用壽命;所以一般只有部分歐系車或少數運動型轎跑車會如此調校,這類車大多為壓榨性能而不考慮發動機的耐用性與穩定性。

「炙熱」的發動機

第二臺2.0T發動機要在3000轉才能爆發峰值扭矩,但是別忘記在1000轉時增壓器已經開始運轉增壓,在1000~3000轉之間是增壓壓力(扭矩)的線性提升過程,加速感同樣非常平順且動力體驗也不會差。因為扭矩儲備是400N·m,在低轉速區間的扭矩基數也是比較大;這種調校既能減少發動機的運行負荷,同時也保證了性能,3000~4000轉維持最大扭矩之後隨即可銜接峰值功率;也就是說高性能的體驗都在日常不怎麼使用的高轉速區間,日常代步的中低轉速只為了舒適,這種調校是不是更加合理呢?

優哉遊哉的Turbo

總結:渦輪增壓發動機的增壓增扭原理,以及調校的理想狀態如上所述,不過小排量發動機(<2.0T)不適合3000~4000的這種調整,因其排量小扭矩基數小,適合的狀態正是1500左右實現最大扭矩。大排量發動機基數大則完全可以從容一些,如果選擇≥2.0T的發動機,扭矩只要在400N·m左右則可以按照3000轉左右實現最大扭矩的標準選車了,體驗會說明調校的價值。

渦輪增壓器結構

編輯:天和Auto-汽車科學島

責編:天和MCN

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