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涡轮增压原理分析,是为了节能减排吗?

很多人说出如题的观点时,都免不了被喷。所以写一篇长文来解释一下。如今盛行的涡轮增压技术不再是单纯为了压榨发动机性能,而是节能减排政策逼出来的产物之一。 包括欧盟、美国、中国等在内的汽车消费的大市场,对于能源消耗以及排放控制的法规政策一年比一年严格。其中对制造商主要是以能耗和排放标准控制为主,对消费者则是以消费税和燃油税政策为主(比如排量越大上税越多)。汽车制造商为应对愈发苛刻的节能减排政策,有以下两条路可以走: 1.开发新能源汽车,比如电动车(包括插电式混动车),新燃料汽车(氢动力、天然气等); 2.在现有汽车产品基础上做改进,比如对传统发动机的各种改进(配气机构有可变气门技术、燃油供给有直喷及分层技术、进气有增压及电子节气门技术等等),以及混动车型(比如制动能量回收技术) 所以我们今天要谈的涡轮增压,实际上属于上述第二种模式中,涉及传统发动机的一项技术。涡轮增压本身也不是新鲜事物,只是目前的普及不再是为了压榨发动机性能或者为了突出车辆的运动性,而是为了节能减排。 要弄清楚涡轮增压如何实现节能减排,需要先弄清楚汽车以及发动机在运转过程中的能量损失情况。 下图是配置汽油发动机的汽车,在综合工况(城市路况及高速路况)下,燃油燃烧后所产生的能量的分布情况。

如上图所示,对于普通汽油发动机来说,汽油燃烧后产生的能量,最终只有18-25%作为驱动车辆前进的能量。其余的近80%的能量都损失掉了。其中,在发动机这个环节,损失掉的能量最多,在70%左右。 因汽油发动机的燃烧效率(Combustion Efficiency,简称CE,指燃料完全燃烧的比例)基本等于100%(。汽油的燃烧效率以燃烧后产生的CO来衡量,CO=0时,CE=1),因此,如果想降低汽油发动机的能耗,在燃烧效率方面基本没文章可做了,只有想办法降低汽油燃烧之后的能量损失,即提高汽油发动机的热效率(thermal efficiency,是指燃料燃烧后用于机械做工的能量与燃烧后的总能量的比值)。对于汽油发动机来说,热效率就是输出功率所需能量与燃料燃烧后的能量的比值。 如上图所示的那样,目前的汽油发动机的热效率只有30%左右。在10年之前,这一数值更低,只有18-25%。 在发动机环节损失掉的70%的能量中,绝大部分(60%左右)为热量损失。即汽油燃烧后产生的热量,只有少部分用来推动活塞做功,其余的大部分都直接以散热的方式又跑掉了。通过散热损失能量又有两个主要途径:发动机冷却系统以及废气排放系统。 尤其是废气排放系统,带出的热量属于白白损失且占比很大。废气涡轮增压技术刚好可以利用这些浪费掉的能量,从而实现热效率的提升。 废气涡轮增压的基本原理很简单,就是利用发动机排气系统所带来的能量驱动涡轮增压泵,对发动机进气实现增压,以达到单位时间内进气量增多的目的。根据空气和燃油的比例要求,进气量增多后,喷油量也会随着增加,在单位时间内输出功率就更大。而驱动涡轮的能量是来自被浪费的废气中的能量,由此实现了能量回收,从而降低能量损失。 有人会问,涡轮增压不就是进更多的气,喷更多的油,自然就有更大的功率,怎么会实现节能呢?相当于烧的油更多,油耗不是更高了吗? 汽油发动机有个能耗指标叫比油耗,或者叫燃油消耗率,单位是g/kWh。在相同排量的前提下,涡轮增压发动机比自然吸气发动机的比油耗(燃油消耗率)要低,就是因为其热效率高的缘故。发动机的比油耗与我们常说的整车油耗(L/100KM)有所区别。整车油耗除了与发动机本身的经济性相关,还与其它方面有密切关系,如车重、传动系统、用于在制动环节或怠速环节的能量回收系统等。 由于无法查询到每款发动机的比油耗,我们用整车百公里油耗作为参考值,看看涡轮增压发动机到底是否实现了节能减排。 举两个品牌的实际例子。 先看福特的1.5L发动机。福特的1.5升发动机既有自然吸气也有涡轮增压车型。根据工信部发布的信息,1.5自然吸气的发动机目前装备的车型以及油耗信息如下:

翼博的1.5自然吸气PK翼虎的1.5涡轮增压:增压后的翼虎功率高出60%,扭矩提升71%,在车重超出300KG(22.9%)的情况下,油耗高0.7L(10.8%)。即便不考虑车重,直接以输出功率比上综合油耗值,可以简单的测算出翼虎增压后的能量转换效率在自然吸气发动机的基础上提升了44.6%。 福睿斯PK新蒙迪欧就更好玩了。新蒙迪欧在车重增加240KG的情况下,油耗仅比福睿斯高0.1L,也就是维持整车油耗在基本同一水平的情况下,增压后的发动机功率提升了59%!可以明显看出增压后的发动机热效率得到了提升。 再看丰田的2.0发动机。同样的,丰田的2.0发动机既有自然吸气也有涡轮增压车型。从工信部查到的相关信息如下:

上述丰田2.0NA是今年刚推出的新凯美瑞搭载的改进后的发动机,可以说是日系自然吸气发动机的顶级之作,运用了几乎目前自然吸气发动机可以使用的所有先进技术。和自家的汉兰达搭载的2.0T涡轮增压车型一比,即便在汉兰达比凯美瑞重了525KG的情况下,其以最大功力比综合油耗计算出来的能量转换效率还是提高了11%。增压发动机的节能优势非常明显。 上面的例子是比较同排量发动机的油耗。如果以同功率的发动机来比,则涡轮增压的节油效果会更加明显。 如果把丰田新凯美瑞2.0自然吸气车型与新蒙迪欧1.5T涡轮增压车型对比,结果如下:

以福特的1.5增压对比日系自然吸气的顶级之作-丰田的2.0自吸,结果也一目了然。在蒙迪欧重75KG的情况下,油耗还比凯美瑞低0.1L,而与此同时,蒙迪欧的发动机功率高9.8%,扭矩高出21%。使用了涡轮增压的新蒙迪欧在能耗以及动力方面的优势都非常明显,由此可见涡轮增压的节能效果。 再以丰田汉兰达2.0T对比之前的2.7NA,数据如下:

可以看到,2.0T比2.7NA功率提升了16%,油耗却降低了1.6L。因此2.7NA在新汉兰达上就再也看不到了---甚至在其它丰田车型上也很嫩再看到了。可以预见,前面提到的日系自吸的顶级之作mdash;刚刚装在新凯美瑞上面的6AR发动机,也避免不了被淘汰的命运。我之所以要在自吸顶级之作前面加上日系的限定语,是因为实际上还有一款比6AR更好一点的2.0自吸mdash;福特福克斯装备的2.0直喷自吸,这款3年前就已经上市的2.0NA机头,其动力和油耗都要优于丰田的6AR(对比如下),但是它也即将被淘汰。福特刚刚在上海车展宣布,2015款福克斯将启用1.0T和1.5T的发动机。类似于福特GDI、丰田6AR已经到达自吸发动机极限的机型,在热效率上依然干不过更小排量的涡轮增压机型,因此被淘汰是迟早的事情。

丰田的案例,很好的说明了为什么日系现在也开始上涡轮增压。也就是,就算在业界享有盛名的日系自然吸气发动机,其热效率与涡轮增压发动机相比依然有不小的差距。 以上关于涡轮增压在热效率方面提升的原理以及实际案例说明,涡轮增压如今盛行的根本原因是其节油效果。结合其它发动机技术,如直喷和分层喷射、可变气门正时和升程、电子节气门技术、废气再循环、电子节温器、轻量化的发动机机体和曲柄连杆机构等技术,以及在在传动系统的双离合技术、制动能量回收技术、怠速起停技术等,目前整个汽车行业的整车油耗水平都得到了大幅改善。 因为上述新技术其实是在车辆上整合并更新了诸多早已存在的成熟技术,也就是所谓新技术实际上是各类改善技术的组合产品,因此产品可靠性高、量产容易。同时与混动技术或其它新能源技术相比,上述基于传统技术上的革新带给制造商的成本增加又不高,因此其普及程度比混动和新能源更广。 上面的内容,足以说明了为什么如今小排量增压发动机盛行。其目的并非为了追求性能,而是在各地节能减排政策的高压下出现的产物。 下面继续说说一些与涡轮增压发动机相关的知识。 1.阿特金森与米勒循环发动机对热效率的提升 涡轮增压汽油机都是采用奥托循环的内燃机。实际上还有一种发动机的循环模式出现在汽车上,就是阿特金森循环。阿特金森循环的发动机热效率高于奥托循环的发动机,那么为什么阿特金森发动机并未普及呢? 先看阿特金森发动机的基本原理,如下图所示。

与奥托循环发动机相比,阿特金森发动机依靠一套非常复杂的连杆机构,使得四个冲程行程是不一样的,其中做功行程最长。也就是,阿特金森发动机拥有比奥托循环发动机更长的做功行程,这样就延长了混合气燃烧后的做功时间,使得发动机的膨胀比大于压缩比,从而减少了热量损失,但同时降低了功率密度。 阿特金森发动机的问题是,低速动力不足,高速动力有限。因此,很难将阿特金森发动机单独装在汽车上使用。鉴于其热效率较高、节能的特点,所以后来被以丰田为代表的车商使用在了混动车型上。混动车型的电动机可以弥补阿特金森的动力不足问题。 但丰田、马自达、本田所使用的阿特金森并不是真的阿特金森发动机。如前所述,阿特金森因其独特的曲柄连杆机构导致其可靠性差,很难普及应用。因此丰田所使用的阿特金森其实和普通奥托循环的发动机基本一样,唯一的区别是在于对气门可变范围的调整mdash;即在压缩行程开始的初期阶段保持进气门开启,使得压缩比降低(压缩比是可变的),从而实现阿特金森发动机的特性---膨胀比高于压缩比,因此可以提高发动机效率,降低油耗。 马自达把这种发动机称作米勒循环发动机,并曾经给这种发动机加上了机械涡轮增压(装备在马自达千年车型上,发动机型号KJ-ZEM),以弥补其低速时的扭力不足问题。但这个设计逻辑就有点奇葩,一方面为了节油使用米勒循环技术,一方面却又加上机械增压加大了发动机的附件负荷,也就是一面省油一面费油。后来马自达对米勒循环发动机做了改进,后续的ZJ-VEM发动机(下图)就没有机械增压了。

2.涡轮增压发动机是不是会导致烧机油/是不是容易自燃/是不是寿命短/是不是难保养? 涡轮增压发动机与自然吸气发动机相比,最大的特点是因为进气压力增高后导致发动机燃烧室的压力更高。不过即便是自然吸气发动机,本身的工作环境也是在高温高压状态下。因此说增压导致发动机烧机油并无依据。但涡轮增压发动机可能会加速机油的消耗,主要是涡轮需要利用机油进行冷却以及润滑,这会加速机油的挥发及变质。 至于自燃,和涡轮增压根本没关系。网上曾有一些涡轮烧到发红的照片,看起来更像是Duang出来的特效,或者是发动机台架实验的持续高负荷工况。涡轮本身和废气管道连接,涡轮端的所谓高温也就是排气温度。虽然涡轮会以每分钟10万-20万的转速运转,但这个高速运转带来的温度上升也不会超过排气温度。在有一种特殊工况下,即超高负荷时涡轮可能会对排气气流形成阻碍,此时可能会导致排气温度上升。但无论如何,在没有可燃物的情况下,涡轮及排气管的高温点并不会起火。说涡轮车容易自燃是没有依据的。 关于寿命长短,涡轮增压发动机本身在机械部件就已经与自然吸气发动机有所区别,主要是强度提高以及更高的密封要求。至于涡轮本身,只要正确保养,现在的大部分涡轮都可以做到与发动机同寿命。 保养费用方面,涡轮增压发动机对机油和机油滤清器的要求比自然吸气发动机高。主要是涡轮本身的冷却和润滑需要对机油有这样的要求。某些涡轮增压车型的保养周期也会要求缩短。这个层面来说,涡轮增压的保养成本是会高于自然吸气车型,但高出的费用有限(对主流车型来说,每次保养大约会高200-400元,就是机油差价)。

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