发动机小型化道路,三缸涡轮增压发动机怎么越走越远

2020-09-27 汽车 112阅读

大排量自然吸气发动机在小排量涡轮增压发动机的冲击下已经日渐式微,而小排量涡轮增压发动机纵使有着不错的账面动力输出,但是那种大排量自然吸气发动机的从容感自然是没有的。

不过,不管车辙君喜欢还是不喜欢,小排量涡轮增压发动机的未来已经放在这里,而发动机的小型化和涡轮增压化在日渐严苛的全球排放法规限制下,已经是大势所趋。而这个点,就是2020年。不管是厂商,还是消费者,也不论你愿不愿意接受,这一点已经不可逆转。

以我国的CAFC法规为例,到2020年,车企的实际燃油消耗值就要看齐理论燃油消耗值,达到百公里5L。而在2018年到2020年之间,二者的比值也降低到了120%。

受此影响,我们在2018年到来之前就见到了国产的普拉多阉割了全时四驱系统,并且增加了启停系统来降低油耗。在此前的文章里,车辙君对此有过非常详细的分析(传送门:《车迷炸锅,普拉多为什么要阉割掉全时四驱?》)。

从内燃机发展的路线上来看,在经历了一轮四缸发动机的涡轮增压化之后,不知道大家有没有发现这样的一种情况:三缸涡轮增压发动机开始逐渐有抬头的趋势。

比如说,福特此前推出的1.0L EcoBoost三缸发动机就屡获大奖,而且这台1.0L EcoBoost三缸发动机也开始逐渐在福特旗下的车型中普及起来。随后,大众、通用、本田、PSA、宝马也都纷纷推出了自己的小排量三缸涡轮增压动力。排量也不再局限于1.0L,先后出现了PSA的1.2L、通用的1.3L甚至是宝马的1.5L。可以这样讲,小排量涡轮增压发动机的三缸化,正在席卷全球。

对于大多数消费者而言,三缸发动机留给我们的印象应该还是十几年前甚至是几十年前三缸夏利的表现——抖动、易开锅、动力不足等等问题都是我们不太喜欢它的主要原因。所以在四缸发动机的时代里,传统的自然吸气三缸发动机就被迅速的淘汰。

那么,在涡轮增压的时代,三缸发动机怎么又抬头了呢?尤其是涡轮增压和三缸这两个单独来看都会造成车辆震动增加的元素在合二为一之后怎么会负负得正了呢?

这事得从涡轮增压的原理说起。

涡轮增压发动机的结构简单点说,就是通过废气带动涡轮增压器的压气机旋转,而压气机又带动在进气位置的涡轮机旋转,实现对进气量的增压。由于有了额外的这一层增压作用,所以涡轮增压发动机的输出特性也是有别于传统的自然吸气发动机的。

通过对比传统的自然吸气发动机和涡轮增压发动机的发动机曲线图可以发现这样的现象。涡轮增压发动机的最大输出功率以及最大输出扭矩区间往往会出现在发动机相对较低的负荷和低转速的区域。而这一区域又正好是车辆在日常使用过程中,尤其是在城市通勤路况下最经常出现的工况。

比如说这里车辙君找到了一张上汽通用新一代1.0L EcoTec三缸发动机和其取代的1.5L自然吸气发动机动力输出曲线的对比。

从曲线上就可以很明显的看到1.0L EcoTec三缸发动机的特性。

在相对较低的转速下,小排量涡轮增压发动机就可以提供一个充足的动力表现来满足车辆的动力性需求。而这种集中在低负荷和低转速输出动力的特性也恰好符合了目前各大测试规程,尤其是欧洲的NEDC循环工况下的低负荷测试标准。

所以,涡轮增压技术在过去的十几年时间里在欧洲车上发扬光大是有原因的。一旦进入到高负荷的工况下,涡轮增压发动机的经济性和环保性能往往会遇到大幅衰减。这是后话,我们可以在以后的推送中讲到。这里只需要记住一个点,就是小排量的涡轮增压发动机是可以提升在日常驾驶过程中的经济性需求的。

那么,为什么三缸发动机竟然在逐步成为了主流了呢?

于是,我们要从发动机的工作原理说起了。

四冲程发动机的一个工作循环是曲轴旋转两圈,也就是720度,完成进气、压缩、作功以及排气四个冲程。

在前面已经讲过,涡轮增压原理则是通过排气冲程中排出来的废气推动压气机,再由压气机带动涡轮机实现对进气量的增压。所以,这就必然涉及到一个排气脉冲的问题,也就是说,什么时候能有废气来推动涡轮增压器工作的问题,毕竟,废气不是随时都有的。而最理想的状态就是废气可以保持在一个不变的流量情况下不断的为发动机提供增压。

在考虑进气门提前打开和排气门滞后关闭的情况下,一个排气脉冲应该是180度的曲轴转角。但是,正常的发动机比如要有一个进气门提前打开和排气门滞后关闭的情况以保证发动机气缸内燃气不相互干扰,这个过程的正式叫法为气门正时。一般来说,进排气门的正时总共加起来有个60度左右。那么,也就是说,一个排气脉冲大概是在240度曲轴转角左右。

有了这个基础,那么,单个气缸的排气脉冲需要的240度曲轴转角在乘以三个气缸之后是多少度呢?是不是正好就是发动机一个工作循环曲轴旋转的720度。

这也就意味着,三缸的涡轮增压发动机可以做到理想状态下的废气持续不断的提供的。至于四缸涡轮增压发动机,还会出现那么点排气重叠的问题,也就是说,在某个时候,废气会多一些。一旦出现排气重叠,发动机就会有进气压力的波动。

三缸发动机反而不会出现这样的现象,扭矩输出会更加的平稳,车辆的震动自然也就有了一个较好的控制。

所以进一步来看,我们看到很多的V6涡轮增压发动机也都采用的是双涡轮增压技术就是这个原理,一个增压器负责一排气缸,让废气可以源源不断的为涡轮增压器提供动力。

再加上现在的平衡轴技术等等的运用,小排量三缸涡轮增压发动机的平顺性,已经要比自然吸气时代好上很多了。更何况,直喷技术的运用也降低了涡轮增压动力趋向于爆震的趋势,使得涡轮增压发动机震动较大的问题得到了很好的改善。也就是说,现在的三缸发动机抖动、动力不足、容易开锅等等这些问题已经基本不存在了。

所以,在这几方面的原因作用下,我们看到的情况是,三缸的小排量涡轮增压发动机正在昂首阔步的迈向未来,不管你喜欢还是不喜欢,反正,它就在这里,并且会在未来成为一个你没法去回避的动力选择。

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