技术贴 | 一颗涡轮关于「未来」的自白

  • 发表于: 2015/12/03 12:08:00 来源:车云网

在家用车上日益普及的涡轮增压器在未来将如何进一步带来更高的动力和效率?

我们知道如今的涡轮增压器已经不再是八十年代那个很容易打碎发动机的高速旋转的零件。目前在北美每四辆车中至少有一辆便装配了涡轮增压。它们更加高效可靠,而且成本更低,许多我们非常喜爱的引擎都向涡轮增压做出了妥协,比如奔驰AMG的V8、宝马直列6缸、保时捷水平对置6缸等。

根据涡轮增压发动机生产商霍尼韦尔估计,在5年内世界上新推出的轻型车有将近一半的会搭载涡轮增压技术,比目前市场多1千8百万辆,其中预计北美将会占其中的39%。

采取增压发动机的目的无外乎为提高动力、提高燃油经济性或者两者兼顾。对于涡轮增压来说,未来的发展方向也许会在保证节能的同时,进一步提高动力性能,消除目前涡轮增压发动机上的缺点。

电动涡轮和混合动力

那些不喜欢现在F1赛车中正在使用的搭载涡轮增压混动V6引擎动力总成的人们将会在几年后也开上拥有类似技术的汽车。镶嵌在涡轮机和压缩机连接轴上的直流电动机可以使涡轮全速旋转而不必使用废气来驱动,而且这可以几乎在瞬间完成,从而使涡轮迟滞几乎降低为零。

因此,在传统涡轮发动机中涡轮还未能被驱动的低转速区间,电动机驱动的涡轮可以弥补掉传统涡轮发动机的动力响应不足。虽然目前部分高端车型配备的机械涡轮双增压同样可以达到此效果,但其成本高、占用空间大等问题使得普通车辆无法普及这样的技术配置。

其次,由于是电力驱动,通过软件可以更加准确和方便地控制增压功率。同时,电动涡轮将会利用多余废气的能量重新发电,而不是让其在涡轮高负荷运转的时候绕过涡轮浪费掉。一个超级电容将会用来储存这些电能,来驱动涡轮或者其他用电的零件,就像是一套可发电的混动系统。因此,使用电动涡轮的结果是带来了更快的动力传输和更高效的燃油经济性。

我们已经在福特福克斯和奥迪的柴油原型车上见到过电动机械增压,虽然原理略有不同,并不与排气管相连。不过,先不考虑电动涡轮在量产车上未经证实的可靠性,它与电动机械增压都面临同样一个最大的问题:在工作时需要很高的电力支持作为能量来源,或者说需要消耗更多的能量。

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在峰值负荷时,电动涡轮增压需要48伏的电压驱动,但厂商们对重新设计他们目前的12伏系统并没有展现太多兴趣。同时,由于功率以及有些采用轴流式涡轮结构的限制,电动涡轮在高负荷工况下很难达到传统涡轮机的效率。

所以,为满足高电压的需求,上文提到F1赛车技术中的涡轮发电机需要进一步在量产车上提高将废气转化为电能的效率。或者,传统混动车型上的高电压电池可能会被采用提供电动涡轮的驱动力。而且,如果执意通过电力尤其是高负荷状态下达到传统涡轮机相同的效果,能耗比、散热、寿命以及电动机系统的重量等同样是潜在的问题。

也许低转速区间采用电动涡轮,配合高转速区间切换为传统涡轮不失为一种两全的方法,比如沃尔沃和奥迪就在这种方向上发展。但同样有像斯巴鲁这样在技术上追求极致的公司,采用了更为激进的使用电动涡轮在全转速区间工作的方法,彻底取代传统涡轮。

但是退一步说,即使我们克服了各种技术问题,采用电动涡轮的必要性仍然还在各方讨论中。这是因为,从根本上说,电动涡轮是需要额外动力的,这与使用废气作为动力的传统涡轮机的在节能的目的上是相悖的。所以在节能与性能之间找到一个合适的平衡点也是在日后需要人们去探索的。

霍尼韦尔希望在2020年新发售的混动车型中有四分之一搭载涡轮增压技术,并希望最多可以在全球达到7%的占有率。看起来电动涡轮化的趋势已经不可避免了。

可变叶片涡轮和更高的压力

一颗常规的涡轮增加器可以被压榨到最高每分钟30万转,并通过进气系统以将近1马赫的速度抽进新鲜空气。但即使是这样往往依然不够。霍尼韦尔全球动力系统高级主管Peter Davies称,在未来10年中,生产商们会将压力提高将近18PSI(约1.24Bar),目前奔驰AMG的M133四缸2.0升引擎可以输出最高26PSI(约1.8Bar)的压力值,但Davies期待在未来高性能的涡轮增压引擎的正常压力值范围在31-36PSI(约2.14-2.48Bar)左右。

不过,增强到如此高的压力又一次说明了涡轮增压永远的劣势,在低转速区间有迟滞现象。甚至是连当今涡轮增压性能车,比如奔驰GLA45 AMG和三菱Evolution都没能幸免。两段式涡轮的结构设置是这一问题目前较为普遍的解决方案,分别安装一大一小两个涡轮,小涡轮作用在低转速区间加快动力响应,大涡轮在高转速区间提供更大功率。

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可变叶片涡轮增压(Variable Vane Turbo),也称可变喷嘴涡轮增压(Variable Nozzle Turbo)或可变截面涡轮增压(Variable Geometry Turbo),是另一种有效消除涡轮迟滞的办法。通过发动机软件,涡轮室内的叶片可以电动开关来控制通过涡轮的废气流动。打开角度较小的涡轮叶片可以在低转速时使涡轮转动得更快,从而使压力爆发得更快。在高转速时,叶片打开的角度增大,以免使排气阻力增加而产生排气回压,达到大涡轮的效果。

从另一个角度说,是改变了涡轮机A/R值中表示排气侧入口处最窄的横截面积的A,也就是说可以作为一颗可变A/R值的涡轮存在,随时根据需要变换成不同规格的涡轮。同时,由于涡轮的转速可以通过叶片角度进行控制,相当于实现了对涡轮的过载保护,用来排出废气的泄压阀也就不再需要了。

但由于此项技术制造成本过高,比如汽油机中涡轮温度会达到1000摄氏度从而对零件的材料有很高的要求,所以目前只有工作温度较低(约400摄氏度)的柴油涡轮发动机,以及像保时捷911 Turbo(使用了耐高温的航空材料)等少量高性能运动车型上配备了此项技术。

中段冷却和喷水法

在废气驱动的涡轮机和抽气式增压器之间有超过约600摄氏度的温差,而且整个涡轮增压器的温度会在很短的时间内超过1000摄氏度。无论是风冷式还是水冷式中冷器,都是在进气离开后增压器之后对其进行降温,这从技术上严格来说属于“后冷器”。

在未来的量产车中,发动机生产商也许会设计新的中段冷却装置,将会被置于两套涡轮机中间,可以在经过首个涡轮后的增压空气进入第二个涡轮之前直接降低其温度。因此,我们可以通过温度更低、密度更大的气体充量,从每个发动机燃烧循环中获得更高的动力和效率。

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另一种解决冷却问题的方法是在进气段喷水,就像在二战飞机、八十年代沃尔沃240赛车和2016款宝马M4 GTS中展示的那样。其中宝马车中,由一个5升的水箱中提供的水雾以145PSI的压力喷出,以减少在高温下发动机的爆震和二氧化氮的产生,同时降低峰值燃烧温度和排气温度。同时,宝马还可以进一步提高压缩比而获得更高的热效率。

小结

由于结构上的限制,传统涡轮增压器有其天生的不足之处。而在我们设计出弥补这些不足的想法后,目前来讲如何将这些新技术应用到车辆上对硬件材料同样是一大考验。比如上文提到的可以承受超高温度的材料便是涡轮系统向达到更高热效率发展的一个瓶颈。

进一步说,随着科技日益发展和进步,我们相信类似以上提到的技术问题会很快得到解决。但是,尽管更小的涡轮增压引擎在美国环保署(EPA)的测试中取得了更好的成绩,然而与自然吸气发动相比,在许多路试中小型涡轮增压并没有达到宣称的油耗水平。比如福特的Ecoboost 2.7升和3.5升V6引擎,与雪佛兰更大排量的6.2升V8引擎油耗水平相当。

现在测试仪器上认可的成绩往往在现实道路中无法合格,说明当前检验技术效果的手段还不够完善,距离完全真实的驾驶环境有一定的距离。所以下一步更需要解决的是找到一种将不同情况合适匹配的方式,以便能在现实中完全达到实验室和测试台上取得的成果,否则一切也只是纸上谈兵。

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