知乎日報:渦輪增壓到底更省油還是更費油?

  “渦輪增壓到底更省油還是更費油?”

  自從我當試車員開始,不知道有多少人問過我這個問題,但一直都沒有系統回答過。不過在知乎上看到一個問題“渦輪增壓發動機與同動力水平的自然吸氣發動機相比,節油的優勢明顯嗎?”,決定克服一切困難,把這個問題徹底終結掉!

  問題其實很簡單

  增壓(俗稱“帶 T”),就是用渦輪往氣缸裏泵更多的空氣,配合等比的燃油,明顯提高發動機功率的方案。在這種情況下,氣缸的工作壓力、温度都會提高,更容易發生爆震。

  一台自吸發動機裝上渦輪後,為了控制爆震,就必須降低壓縮比,而且還得對點火時刻進行修整,緩和氣缸燃燒工況。這麼一來,燃燒效率也就隨之下降。而且,增壓越厲害,壓縮比就越是要降低。舉個大家耳熟能詳的例子,寶馬 320i 和 328i 的發動機都是 2.0T,很多人天真地以為 320i 刷個程序就可以成為 328i,其實發動機是不一樣的,比如壓縮比。盲目提高 320i 的增壓值的話,爆震等着你呢。

  圖:320i 和 328i 的活塞也不一樣

  總之,無論過程多複雜,只要效率下降,就意味着油耗上升,所以單純地講,帶 T 的會更費油,而且增壓越兇越費油。鑽石般清晰的結論,沒啥好爭論的了吧。

  現實中為何帶 T 更省油?

  現實中很多帶 T 的車子的確表現出更好的燃油經濟性。大家難以相信,哪有技術越先進,車子越費油的呢?

  出現這個現象的主要原因是:帶 T 的同時,降低了發動機排量~

  我打算把今天的帖子寫成兩部分,想粗淺瞭解的,記住結論就可以返回了;接下來的篇幅,寫給渴望充電的知友,別怕,依然是諾式技術風格,智商正常的就木有閲讀障礙。

  一張神圖幫你看透發動機

  提到發動機分析,有個圖叫“萬有特性圖”,光看名字就很 NB。很多人嘗試把它普及給車主,但效果都不大好,諾諾今天重蹈前人覆轍,用諾式語言把這張圖刻入大家腦子裏。

  發動機工況可用兩個主要參數描繪,一個是轉速,另一個是扭矩。(估計有人説功率,功率不是一個基礎參數,它是由轉速和扭矩計算出來的,工程界更愛談扭矩,改裝圈則尤愛討論功率或馬力)。

  轉速作為 x,扭矩作為 y,我們就能在一張二維座標圖中,標出發動機的工作點。

  圖:二維座標圖

  我們把油門踩到底,就可以測出各轉速對應的最大扭矩。把這些滿負荷工作點組成的曲線,圈內稱之為“外特性曲線”。它就是發動機的能力極限,這根曲線以下,沒有問題;以上的部分,臣妾做不到啊~

  圖:外特性曲線

  好,我們開始引入第三個重要參數——油耗。既然知道扭矩、轉速,當前的耗油也能測出來!於是,傻傻的工程師把曲線以下的區域劃分成幾百個格子,也就是幾百個獨立工作點,不厭其煩地測量每個工況的油耗率。最後把結果填入格子,就是下面這個效果(實際上更密集)。

  圖:寫滿油耗的外特性曲線圖

  好複雜啊!別急,如果把這些油耗看成高度的話,表格就變成 3D 的了,你可以想象成每個格子裏都有一棟樓,只是樓高不一樣罷了,類似下面這張圖。

  圖:高樓林立

  為了便於查閲和交流,工程師把油耗率相同的點連起來,構成類似地理上的“等高線”,這下子就清爽多了,於是有了大名鼎鼎的發動機萬有特性圖。

  圖:發動機萬有特性圖

  最小的那個圈圈,就是油耗最低地帶,燃燒效率最高。任意駕駛風格和工況,都可以在圖上找到對應點,並判斷有多費油。下圖裏,我例舉了幾個常用工況,沒想到吧?

  圖:行駛工況點位舉例

  可能有人會誤解,為啥看上去 120km/h 比 80km/h 更省油?今天暫不展開,否則就跑題了,對於今天的話題,大家只要知道這些等高線等效於發動機工作效率即可。工程師希望車子更加省油,就會盡量把常用工作點設計在最佳油耗區附近。

  如果你搞懂了萬有特性圖,鼓個掌~ 我們繼續聊“為啥帶 T 更費油”。

  單純增壓對油耗的影響

  我以某款 2.0L 自吸發動機為例,配圖説明。雖然示意圖都是我手繪的,但都真實有據,只是考慮到數據保密,不便直接掛原圖。

  圖:某 2.0 自吸發動機的萬有特性

  這台發動機很厲害,在測試中輸出可以超過 200Nm,牛米數能超排量 100 倍的發動機很少的哦~。

  如果經常跑 120km/h,換擋點不低於 3000rpm,那麼你的行車常用工況區域大致是下圖這樣的。如果你平時很少上高速,不到 2500rpm 就升擋了,常用區域就只有下圖陰影的 1/4 那麼大,而且更靠左下角。對於時不時地板油一下,拉個高轉速超車,都不是能夠長時間持續的,這裏不作為常用工況考慮。

  圖:常用工況區間的分佈位置

  如果工程師給這台發動機加上渦輪,發動機峯值扭矩提升到 255Nm,那麼這張圖就變成下面這樣了:

  圖:2.0T 常用工況的分佈位置

  增壓後的發動機,等油耗曲線其實是差不多的,最佳油耗區還在原位,只是外特性曲線以上又擴出去一些“新區域”罷了。發動機之外的其他地方如果都不變的話,那麼常用工況區域也不會變。

  前面提到了,降低壓縮比來抑制增壓帶來的爆震,一些工況下還會退點火角,這些措施都會降低燃燒效率,增加油耗,所以你仔細對比上面兩張圖,會看到等高線上的油耗數值,是有細微差別的。

  於是,結論來了,如果單純在原有發動機上加渦輪,其他都不變,駕駛習慣也不變,油耗會有所增加,因為發動機效率下降了。而現實中,駕駛者感覺動力充沛,更捨得踩油門,陶醉和炫耀推背感,實際的綜合油耗則會更高。

  小排量增壓是什麼鬼?

  簡單地加一個渦輪,動力強勁了,油耗卻上去了,工程師怎麼辦呢?於是小排量增壓 1.5T 發動機問世!

  這台 1.5T,可以理解成 2.0T 發動機縮小 25% 後的產物,這種等比縮放,經常用於發動機設計開發。那麼就可以直接把前面那張 2.0T 的萬有特性圖,縱向壓扁 25%,得到 1.5T 的版本,峯值扭矩仍是 200Nm 出頭,油耗值也會相應低一點。

  圖:1.5T 發動機的萬有特性圖

  可能你還看不出更多端倪,不急,把常用工況區域加進去,就豁然開朗了。

  圖:1.5T 常用工況的分佈位置

  哦 yeah!由於油耗等高線向下整體“壓扁”,最佳油耗區終於進入了常用區域,而且還引起了整個常用工況區域的油耗全面降低。

  所以增壓後要油耗迴歸,還得啓用小排量,因為小排量發動機的最佳油耗區更靠下,或者説“更接地氣”。

  關於變速箱調整

  大家也發現了,終極目標就是要讓“最佳油耗區”和“常用工況區域”遇到一起。聊了這麼多,我們一直是讓前者去將就後者。懂變速箱讀者可能會問,為什麼不通過更改變速箱的齒比,抬高後者,去將就前者呢?

  圖:通過降低主減速比改善油耗

  這裏涉及到一個儲備扭矩的概念。降低主減速比,在同樣行駛狀態下,發動機會更費力,整個常用工況區域的確會向上拉伸,直到覆蓋最佳油耗區(如上圖,主減速比從 4.5 變為 3.3)。這樣的確會比較省油,但是工作點太接近外特性曲線,在你需要加速超車時,就會發現動力不夠,車子肉更容易遭吐槽。

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  寫在後面

  為了聊清這個話題,我花了不少時間畫圖,我覺得手繪版直接貼上來可能更有意思,希望可以幫助大家理解。

  剛才舉例的是用 1.5T 達到 2.0L 自吸的效果,如果技術再 NB 一點,繼續下探排量到 1.4T、1.3T,“接地氣”效應就會更明顯,油耗也會更出色。

  如果下探到 1.2T 會怎麼樣呢?油耗會有質的飛躍,因為 4 缸可以變為 3 缸了,整整省掉一個缸也!這意味着發動機更小,機油、冷卻液更少,熱損失更小,熱車過程更快,要知道發動機自身熱損耗也來自燃油消耗啊;此外,發動機進一步大幅減重,輕量化繼續帶來燃油經濟性。

  以 BMW 的 3 缸雙渦輪發動機為例,這個 1.5L 的發動機架構用作汽油機,可以榨取 60~80Nm/ 缸(注意是每個缸!),如果用作柴油機,則可以達到 75~110Nm/ 缸,注意,也是每個缸!

  圖:BMW 的 3 缸增壓發動機

  圖:400 馬力三缸發動機,輕到令人髮指

  所以説三缸增壓才是未來的趨勢,而且依然可以靠強大的 NVH 技術做得很平順,好多豪華品牌飽受吐槽的“8 缸、6 缸變 4 缸”,其實還算“厚道”的了。

  此外,如今的增壓發動機往往會同步搭載各種新技術,直接提高燃燒效率,比如缸內直噴、分層燃燒、可變氣門升程等等,這些技術作為輔助手段聯合應用,大幅改善了增壓發動機的綜合表現,讓增壓機得以迅速普及。

  至於變態的寶馬,技術玩到登峯造極,甚至用噴水的方法來抑制爆震,獲得更加激進的點火提前角,把增壓機的燃燒效率捍衞到極限。

  現在,圈內的工程人士提到增壓機,默認考慮直噴和小排量等節油措施,再也不會單獨把“增壓”單獨提出來談論油耗了。所以“增壓是否省油”已經成了一個過時的問題。

  諾諾總結:關於帶 T 省油還是費油的爭論,到此為止。

  我將不定期回答更多的乾貨內容~~

  第一次認真地玩知乎,收到大家的贊很是受寵若驚,在這裏一併感謝大家了!

  還有很多同學也向我的回答提出了質疑,也有匿名用户寫答案指正我的回答,非常的感謝,特補充一段解釋

  這位知友可能有所誤會,我另加一段結論來説個明白。

  1)同排量,即單純在自吸發動機上裝一個渦輪的話,同樣的駕駛風格下,經濟性會惡化;

  2)同動力,即較小排量增壓和較大排量自吸比較,前者經濟性更好;

  探討“帶 T 對經濟性的影響”,我的文章圍僅繞發動機的效率,不考慮其他的整車因素的改變,否則問題就複雜了,就像這位大神亮出來的油耗關聯圖一樣。

  在我看來,就算把這張圖的影響都分析清楚了,最後還會有人冒出來説邏輯不嚴密,因為啥?因為“駕駛員”這個重要因素沒有考慮啊!司機不同,油耗差出 20% 不在話下。因此,我只能在一定的限制條件內探討效率的影響,固然存在侷限性,但私以為,這對本題是一個很負責的回答。

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