为什么现在的涡轮增压发动机从一两千转就输出最大扭矩但是还有明显的涡轮迟滞呢?

为什么现在的涡轮增压发动机从一两千转就输出最大扭矩但是还有明显的涡轮迟滞呢?_58汽车

涡轮增压发动机虽然在较低转速下就能输出最大扭矩,但这并不意味着涡轮迟滞现象会完全消失。涡轮迟滞是由于涡轮叶片需要时间加速以达到工作状态,因此在全油门加速时,会有一个短暂的延迟。这种现象与发动机的最大扭矩输出转速没有直接关系,但与发动机设计、涡轮大小和发动机管理系统有关。小涡轮虽然能减少迟滞,但可能牺牲一些高转速下的效率和动力输出。现代发动机通过优化设计,如使用双涡管技术,已经在减少涡轮迟滞方面取得了进步,但完全消除迟滞仍然是一个挑战。

两年后加:

@NitroDomi的这张图真的非常好,感兴趣的朋友应该好好看下,

它就是我在回答最后部分补充的下图的更加清晰和具体的版本,苦于没有具体数据,我没有像他那样展开,但是想表达的意思其实是相同的。而且目前看这个我随手写的猜测(基于四缸2.0T单涡管),在数值上还是比较准确的,除了在高转速乐观了一些,

我俩上面这种展现形式,其实就是我回答里最后这两张图,在各个rpm下的投影的集合,

具体数据上他参考的是宝马12年的三缸机(下图),我用的是11年的N20(上两图),但是可以看到量化的表现两者是差不多的(1.5-1.7秒),明显优于同品牌的四缸单涡管(2.5-2.7秒)。

据我所知,同时代的其他四缸单涡管(M274/EA888Gen3)其涡轮迟滞也是同样的数量级,即2.5-2.7秒(1500rpm下),等M264和Gen3B换到双涡管以后都有明显提升。

以下是原回答:

这个问题是很多车主,汽车爱好者,甚至工程师都会有的典型疑问。

简单来说,涡轮增压发动机在厂商声称的转速范围(比如2000-5000rpm)输出最大扭矩,和这台发动机在这个转速下没有涡轮迟滞这件事,是没有任何(直接)关系的。

为什么是这样呢?是不是厂家欺骗我们了呢?

并没有,厂商说的都是实话,但是由于这个事情解释(还有理解)起来稍微有一点点繁琐,一般厂商也都只说了一半。

哪一半呢?就是人家说了在2000转开始输出最大扭矩,但是没说要你等多长时间啊(也就是涡轮迟滞)。从你匀速行驶,踩着10%的油门的状态到你踩下全油门加速,等0.1秒就给你输出最大扭矩是输出了最大扭矩,让你等2秒之后再给你最大扭矩,也是输出了最大扭矩。

下面举例,应该能更清楚一些。

考虑上图这样一台2.0升自然吸气发动机的动力输出扭矩图。如果你挂着最高档在100公里巡航,比如转速在2000rpm,此时你需要加速。假设档位不变,那么作为自然吸气发动机动力可以在0.1秒左右就从A点上升到B点。

相反,如果是一台1.4T小排量涡轮增压发动机,你的发动机在你踩下全油门的瞬间只能输出130-140NM左右(C点,1.4自吸发动机等价最大动力)的动力输出,剩下就要等排气把涡轮的转速提升之后才能有足够的额外进气,也就是说,你现在的A点到B点不是0.1秒了,是A点到C点的0.1秒加上C点到B点的若干秒。(详见涡轮增压汽车,猛踩油门,为什么会有超过一秒的延迟?-百度58汽车)

但是这和厂家宣称的,2000rpm开始输出最大扭矩并不冲突啊,只不过(在现实中)因为涡轮迟滞的存在,你不能马上感受到(那个声称的转速下的最大扭矩)而已。

而进一步的事实是,(一般情况下(非quasistatic))你也永远感受不到这个转速下(比如2000rpm)的最大扭矩,什么意思。因为实际过程是,即使不降档,从你踩下油门的瞬间开始,因为你输出了动力,所以车辆是在加速的,也就是说发动机转速也是在上升的,所以实际过程中你的动力输出是这样的(见下图),不是从A到B而是从A到D,当你感受到最大扭矩的时候,发动机转速已经到D点对应的转速了。(注:而由于自然吸气的动力响应足够快,你感受到的(基本上)确实是从A到B再把车加速到D)

除了你感受不到(在这个转速下的)最大扭矩,你还感受不到(纯粹在这个转速下的)涡轮迟滞。因为在实际过程中,随着转速的上升,你(这个过程)综合实际感受到的迟滞是从E到D的迟滞和从A到B的迟滞的中间值。又因为转速越高,涡轮迟滞越小(因为发动机是volumetriccyclicmachine而涡轮机是flowmachine),就会给你产生低转速(即使是厂商宣称的可以输出最大扭矩的起始转速)没有动力还有涡轮迟滞,而转速一高动力就变得充沛而且涡轮迟滞也小了的真实而又虚假的现象。其实动力是在任何(宣称可以输出最大扭矩的)转速都有的,只不过由于低转速涡轮迟滞比较大,所以释放不出来而已。

再换一个说法,那就是扭矩平原和涡轮迟滞,是两个一起发生的现象有相关但是没有因果关系。不能因为有扭矩平原,就认为没有涡轮迟滞,不管这个扭矩平原有多宽广。

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问题到这里貌似回答完了,但是其实还没有。

因为上面只说了,有扭矩平原(这个静态现象)和不会有涡轮迟滞(这个动态现象)并没有什么直接关系。但是他们有间接关系啊,How?我们继续往下看。

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假设你大致了解涡轮增压的背景和缘由,那么增压发动机的设计还有涡轮迟滞的结果可以参考下面简单的分析。

首先如果你想用一个1.4t的发动机替代2.0的稀然吸气发动机,假设你会把小型化的全部红利都用于效率的提升。那么对于最大扭矩在200NM左右的自然吸气发动机,如果你选择一个小一些的涡轮,它会让你的扭矩图看起来是这样。

如果你选择一个大一些的涡轮,那么他的扭矩图看起来会是这样。(假设为了输出相同的最大扭矩和马力)

如果是一个大涡轮,可以看到,同样的最大扭矩输出的起始转速就要高一些(3000rpmVs2000rpm),不利于日常驾驶,但是其理论上可以达到的最大扭矩还有最大马力都要高很多。上图是让一个大涡轮输出和小涡轮一样的最大扭矩和功率(通过泄压阀控制),但是如果再释放一下他的潜力呢?扭矩图就看起来会是这样。

显然,扭矩T和功率P都可以轻易大很多。所以,人们经常讨论的所谓的小涡轮大涡轮的影响,在具体到发动机扭矩图上的表现就是这个样子了。对于同样的马力和扭矩的要求(当然也必须是对同一台发动机进行增压),显然小涡轮会提供更广的扭矩平台,但是在高转速区间的效率会低一些(这个低主要是pumpinglosses的增加,燃烧的效率必须是妥妥的(基本上)不影响),大涡轮扭矩平台小,但是高转速效率高(同理还是pumping部分效率高),而且进一步提供更高动力的潜力更大。(详见奔驰A45AMG为什么可以把2.0T的发动机调校地那么强劲?)

当然,除了扭矩平台和效率的区别,还有一点很重要的,就是小涡轮小啊,也就是轻,涡轮迟滞就小。如果定性地用画图来描述,就是上图的样子。显然,同样在3000转下面加速,橘黄色的X到Y点的响应要比红色的快。(橘黄色和红色的X与Y其实在一点,为了展示分开写)

所以可以看出,涡轮增压发动机有宽广的扭矩平台,和有没有涡轮迟滞并没有直接的关系,但是他们有间接的关系。我们可以说,在其他条件都相同的情况下,扭矩平台广的发动机涡轮迟滞会相对来说小。但是这个小,不是说没有。

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所以,最后再做一个总结。

2000转开始输出最大扭矩但是还有涡轮迟滞,并不是厂家在骗人,是因为两者没有直接关系。但是这两者有间接关系,具体就是第二部分讲解的那样。

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一天之后根据评论再添加4部分常见问题讲解。

1.双涡轮的应用

显然,如果用一大一小两个涡轮(并且序列放置(inseries)),一个负责低转速一个负责高转速,可以得到动力,效率,响应各方面更好的兼顾。但是为什么基本上没有汽油机(柴油机增压是另一个情况,这里不讨论)使用双涡轮呢?

因为贵啊。我研究生教授博士论文毕业只不过给大众提了一个新的后处理控制方案能够提升10%左右的精度,差点儿就被骂成狗,只是因为这个控制方案要每辆车多装一个“只要”10欧元的sensor,乘以大众每年几百万辆车试试?知道现在一个1.5升发动机用的turbocharger多少钱么?尽管得益于我国自主主机厂飞速上升的智商和经验,使得同样的外资产品几年内价格下降三分之二,一个外资的turbocharger也要小一千块(就2017年而言,1.5升自然吸气用。两三年前这个价格在这个值三倍左右)。一个增压器变两个,那就是增加100%的成本啊。。。(当然现实不会是100%因为涡轮增压是一个系统。。。但是也不低)

2.现实的情况

现实是,通过对涡轮增压器流体力学还有制造工艺设计的优化(什么单涡轮双涡管)还有和发动机匹配工作的深入,各大主机厂基本已经能做到,用(传统意义上讲)很小的涡轮,在动力(马力/扭矩),效率和响应之间得到一个(对于目前车用动力需求)可以接受的解决方案。

目前主机厂的主要趋势都是不光是2000rpm的问题,基本都做到在1400-1800rpm就输出最大扭矩,更极端的宝马在1200rpm这种,什么双涡管blabla,相信你们数据名词儿都背得很熟了。

从我个人开过的车来看,(在削减涡轮迟滞方面)做得最好的是宝马和保时捷。其他品牌基本上在一个数量级上,落后于这两者。

3.具体的迟滞时间和趋势

这个最上面我没说清楚,请看下面的图。

如果这是一台性能比较“平均”而且“正常”的现代的,小排量,涡轮增压,直喷发动机,那么我会说,

A-B,2.5秒

C-D,1.5秒

E-F,1秒以内

G-H,0.5秒以内

考虑到如果是自然吸气发动机,同样的动力变化,时间都在0.1-0.2秒。具体数值请不要和我纠结,我也不可能把真实的量产车数据摆出来。我画这个图的意思是,想让你知道转速越高,涡轮迟滞越小这个趋势,和他们迟滞这个值,大概的数量级。

4.涡轮迟滞时域看起来的样子,进气歧管的正压和负压

这是宝马N20发动机在1500转下,10%动力到100%动力的动力响应,蓝色自吸部分动力增长,红色增压部分动力增长。

同样过程换算成进气歧管正负压强,

其实这些都在涡轮增压汽车,猛踩油门,为什么会有超过一秒的延迟?-百度58汽车里,前面也都给过你们链接了。

References:TheNewBMW2.0-lFour-cylinderGasolineEnginewithTurbocharger,FSteinparzer,NKlauer,DKannenberg,HUnger.2011.

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