谁需要涡轮增压发动机

最近一段时间，发动机涡轮增压之风越刮越猛，从柴油机刮到汽油机，在欧洲和中国，连那些１升到1.4升的小排量汽油机也搞起涡轮增压来，涡轮增压大有一统江湖之势。而在日本和美国，人们对涡轮增压汽油机却不感冒，除了一些跑车和性能车，如福特的野马，三菱枪骑兵和斯巴鲁翼豹STi之外，一般的家用车都是自然吸气的汽油机。要求不高的弄个1.6到２升的，要求高的弄个2.4到3.6升的。

　　有的人支持小排量涡轮增压汽油机的是小排量发动机能节能减排，保护环境，理由很高大上。是不是真的如此，那美国佬和小日本为什么自己不用，难道美国佬的环保标准低？实际上美国佬的环保标准不低，加州的环保标准比欧洲的还高。要说清这个问题，得从涡轮增压的原理，内燃机的工作原理和效率说起。

　　制造出体积小，重量轻，功率大的发动机一直是汽车厂追求的目标。无论是汽油机还是柴油机，它们的功率都等于P×V×n。其中P是发动机的平均有效压力，V是发动机的排量，n是发动机的转速。当排量一定时，要想提高发动机的功率，那就只有提高转速或者平均有效压力了。

    提高转速并不是一个很好的办法，因为转速高了，发动机的进排气，振动和摩擦等都将带来很多负面的影响。那么，最有效提高发动机功率的办法就是提高发动机的平均有效压力。

    要提高发动机的平均有效压力，首先得多给点油给这它烧，否则巧妇难为无米之炊.然而仅仅多给油是不行的。无论是汽油机还是柴油机，它们的理论空燃比都是14.7：1.也就是说，如果要烧掉1公斤汽油，那就得给它提供14.7公斤的空气，如果只给油不给空气，那多出来的油烧不完，除了浪费油和污染空气，对提高发动机的功率一点用都没有。

    要多给空气就要进行增压，在空气进入发动机之前先压缩一下，提高它的密度，这样就能把多给的油烧掉了，于是提高了发动机的平均有效压力，从而提高发动机的功率。

    衡量增压器的参数是增压比，也就是增压器出口的压力比上进口的压力，增压比越大则平均有效压力增加得越大。

    常用增压的方法有涡轮增压、机械增压等。机械增压由于要消耗发动机的动力，所以除了一些对性能要求特别高的车之外，别的车基本不用，涡轮增压用的是发动机废气的能量，不消耗发动机的动力，所以得到广泛地应用。

    通过以上分析知道了涡轮增压能提高发动机功率的原因，那与同样功率的自然吸气发动机相比，涡轮增压是不是节能？要弄清这个，得从汽油机和柴油机的工作原理和效率说起。

    四冲程发动机，无论是烧汽油还是柴油，它的一个工作循环都是由四个冲程构成，也就是吸气、压缩、作功和排气。而汽油机和柴油机，进气道喷射的汽油机和缸内直喷的汽油机又有所不同。

    进气道喷射的汽油机的吸气冲程将汽油和空气的混合气一起吸入发动机，而柴油机吸进来的是单纯的空气。

    当吸气冲程结束后，活塞上行对气缸内的气体进行压缩，在压缩时气缸内的气体温度升高，汽油机里混合气体中的汽油蒸发成汽油蒸气，而柴油机里的空气温度上升到超过柴油的着火温度。

    缸内喷射的汽油机在进气和压缩与以上两种发动机又有所不同，它有可能是在吸气时就开始往气缸里喷油，象进气道喷射的一样，也有可能在压缩时才开始向气缸里喷油，具体的喷油方法是各公司的商业机密。    

    当压缩过程结束时，柴油机的喷油嘴往气缸里喷射柴油。由于气缸内空气的温度高于柴油的着火温度，喷入的柴油马上燃烧。而汽油机的火花塞点燃混合气。这时活塞下行，发动机作功。

    当作功结束后，发动机的排气门打开，活塞上行，将燃烧后的废气排出发动机。

    在发动机中有一个重要的参数是压缩比，也就是发动机开始压缩时的气缸容量除经压缩结束时的气缸容量，压缩比越大，气缸内的被压缩的气体的温度就越高。柴油机由于要让里面的空气温度超过柴油的着火温度，所以压缩比大多在16以上。而汽油机为了防止在压缩时缸内的混合气自燃而产生爆震，所以压缩比都远小于柴油机。

    知道了内燃机的工作原理就可以说说内燃机的效率了。内燃机的总效率等于燃烧效率×热效率×机械效率。燃烧效率指的是发动机能将提供的燃油烧掉多少，因为总会有那么一点油没有被烧掉，比如说柴油机冒的黑烟就是没有烧掉的柴油形成的，汽油机也一样，那些老式的汽油机总有一股特别的味道，这是因为这些车没有尾气净化装置，没有燃烧掉的汽油被直接排出来。

    内燃机的燃烧效率都在97%以上，而且汽油机的燃烧效率高于柴油机.

    热效率指的是燃油燃烧放出能量后，发动机能利用多少。根据热力学第二定理，燃烧放出的能量不可能被发动机完全利用，所以有一部分要被废气带走，还有一部分通过发动机散热而损失。无论是汽油机还是柴油机，热效率都与压缩比有关，压缩比越高则相对作功的行程就越长，能量利用越多。柴油机由于压缩比远高于汽油机，所以比汽油机省油，排出的废气的温度也低于汽油机。

    发动机工作时，必须克服内部各种阻力，从而损失部分能量。这些损失包括克服各种摩擦力的损失，如气缸和活塞之问的摩擦。驱动各种附件的损失，如机油泵、水泵等，还有换气损失。

    换气损失包括排气损失和进气缺失。先说排气损失，当气体在发动机内膨胀做功后就要被排出去，排气时发动机的活塞将废气从气缸里通过排气门排出机外。但是排气门的大小是小于活塞的，相当于排气时大量的气体从一个小门出去，要想把它们排出去只能用力推，这些把废气推出气缸所消耗的能量被称为推出功。推出功与发动机的转速和气缸内废气的量有关，发动机转速越高，气缸里废气越多，推出功造成的损失也就越大。

    为了减少推出功的损失可以利用自由排气技术，也就是当活塞还没有运动到下死点，下行做功还没有做完时就打开排气门，此时气缸内废气的压力高大于排气管里的压力，废气依靠自己的压力排出，这一过程叫自由排气，通过自由排气，减少了气缸内废气的量，当活塞把废气从气缸里排出时做的推出功就少多了。

    自由排气虽然减少了推出功，但是由于排气门提前打开，燃气本来还可以用来做功却跑了，这样带来的损失叫做膨胀功损失。

    当发动机通过进气门吸进空气时，由于进气门的截面积小于活塞，那么活塞必须用力吸才能将空气吸进来，从而造成能量损失，这一块叫进气损失。进气缺失也与发动机的转速有关，发动机转得越快，进气损失越大。

   对于汽油机来说，还有一块进气损失是由于节气门（油门）的节流造成的，当汽油机全负荷运行时，节气门开到最大，进气阻力小，但是当汽油机工作于部分负荷时，要减小进入气缸里的空气的量，这时节气门只开一个小缝，这时进气阻力就大了。

    人们常说大排量的发动机比小排最的耗油，特别是发动机低负荷运行时，原因主要是因为节气门的进气损失，对于大排量的发动机来说，当它低负荷运行时节气门的开度小于小排量的，进气损失大，而此时发动机输出的功率又小，所以它的总效率就低，耗油量也就大了。

    为了减小换气损失人们想了很多办法，比如说使用多气门，现在的发动机差不多都是四气门的，两进两排。还用了可变气门正时技术，也就是VVT技术，比如说在不同的工况时通过改变发动机排气门提前打开的角度，使推出功损失和膨胀功损失加起来最小；通过改变进气门开启的时间，从而使发动机在高速和低速时的进气都好些，有的发动机只在进气门采用VVT，而有的则在进排气门都使用可还有使用VVT，被称为DVVT。

    除了VVT之外还有可变凸轮，在低速时使用低速凸轮，高速时使用高速凸轮，如本田的VTEC，还有可变气门升程，如宝马的Valvetronic等。这些技术虽然有一定的效果，但治标不治本，因为它们都是通过凸轮来控制气门的开关，需要用节气门来调节进入气缸的空气量，所以都不能解决发动机部分负荷时节气门的损失。而菲亚特的Multiair发动机进气门由液压驱动，可以任意调节气门的开关时间，从而调节发动机的进气量，连节气门都省了，远优于DVVT，VTEC和Valvetronic。

菲亚特的Multiair发动机，没有节气门，红色的为液压驱动部件

    现在可以来谈谈涡轮增压发动机是否节能减排的问题了。对于柴油机来说，涡轮增压的确能提高效率。在燃烧效率上，涡轮增压没能提高燃烧效率，同样由于不改变发动机的压缩比，热效率也没有提高。但是由于用了涡轮增压，发动机的平均有效压力增加，相对而言用于克服摩擦损失的功就少了。同样由于增压后进气道压力增加，所以发动机的进气阻力减小，所以提高了机械效率。

    至于汽油机那就要另当别论了。空气经过压缩后温度必然上升，无论是被活塞压缩还是涡轮压缩。再到发动机里一压缩，那温度就更高了。柴油机由于吸进来的是空气，温度再高都无所谓。而汽油机则不然，为了提高热效率，发动机的压缩比都选在接近爆震的压缩比，如果经过涡轮一增压，提高了进气温度，到了发动机里再一压缩那就要爆震了。要想不爆震，一是给增压后的空气降温，比如说加装中冷器，但是中冷器不可能将它冷却到环境温度，二是用高标号的汽油，三是降低压缩比，增压器的增压比越大则压缩比降低就越多。象同样是2升的发动机，福克斯用的自然吸气发动机的压缩比是12，功率170马力，而蒙迪欧用涡轮增压，功率增加到240马力，压缩比降到10，而凯迪拉克SLS发动机功率增加到265马力，压缩比降取9点几，还要喝97号油。因为降低了压缩比，所以增压汽油机的热效率一定低于自然吸气的。

    如果是在低负荷工况下，因为同样的功率，涡轮增压发动机的排量小，而此时因为发动机转速低，所以涡轮基本不激活，相当于一台小排量自然吸气发动机，与同样功率的自然吸气的相比，虽然它的压缩比低，但是它的节气门开度大，进气损失小，所以机械效率高，所以这时涡轮增压汽油机的总效率高于自然吸气的。

    但是在大负荷下，由于节气门开度大，所以大排量的自然吸气发动机的机械效率上来了，而涡轮增压发动机由于热效率低于自然吸气的，所以总效率低于自然吸气的。

    通过以上可以看到，如果仅仅从技术角度而言，对于柴油机，除了一些小功率和廉价的发动机，上点档次的都是涡轮增压的。对汽油机而言，对于那些跑车和性能车，如福特的野马，三菱枪骑兵，还有斯巴鲁翼豹STi，用个高增压比的涡轮增压发动机是合适的。因为这些车需要大马力，如果用自然吸气发动机，发动机太重太大，装车后容易头重脚轻，平衡性不好。至于高油耗，买这些车的人还会在乎油钱。而一般的家用车而言，买个1.6到3.6升的自然吸气发动机就差不多了。

    至于那些1升到1.4升的小排量涡轮增压汽油机则是中国和欧洲的测试方法和排量税的产物。中国和欧洲的测试法一样，是先跑四个小负荷稳态循环，再跑一个大负荷稳态循环。由于测试的小负荷工况多，所以虽然小排量在涡轮增压汽油机的油耗低于大排量的自然吸气汽油机。在这些国家和地区，汽车的税是按测试时的油耗来收的，所以小排量发动机的税低。

    而美国佬却不那么认为，他们用一个模拟开车上下班的工况来测试发动机，有加速的，有减速的，有开空调的，有高负荷，还有低负荷。这样一来小排量涡轮增压汽油机低的油耗就上去了。按美国权威非营利性媒体《消费者报告》（《Consumer Reports》，此媒体/组织的官方网站结尾都是.org，而且对于包括汽车等商品的测试，均为自购，不接受厂商提供测试品）的实际综合燃效测试数值：

紧凑级车方面（均使用AT或者CVT等非MT变速箱版本数据）

涡轮增压车型

雪佛兰科鲁兹1.4T，燃效26MPG；

自然吸气车型

本田思域1.8L，燃效29MPG；

丰田花冠1.8L（最新十一代车型），燃效32MPG；

马自达3 2.0L（国内对应车型为Axela 2.0L），燃效33MPG；

中级车方面（均使用AT或者CVT等非MT变速箱版本数据）

涡轮增压车型

福特Fusion 1.5T，燃效24MPG

福特Fusion 2.0T，燃效22MPG

（以上两款车型对应车为长安福特蒙迪欧）

雪佛兰迈锐宝2.0T，燃效24MPG

现代索纳塔2.0T，燃效22MPH

自然吸气车型

丰田凯美瑞2.5L，燃效27MPG

丰田凯美瑞3.5L，燃效26MPG

本田雅阁2.4L，燃效30MPG

本田雅阁3.5L，燃效26MPG

日产Altima 2.5L（国内对应车为日产天籁2.5L），燃效31MPG

日产Altima 3.5L，燃效24MPG

马自达6 2.5L（国内对应车为马自达Atenza 2.5L），燃效32MPG

PS：美国使用的MPG（每加仑燃效可行驶的英里数）为燃效值，非油耗值，数字越大，燃效越高，也就是油耗越低。与我国以及欧洲诸国常用的升每100公里油耗值的大致换算方式为，以235除以MPG值。

PS2：《消费者报告》进行的实际燃效测试有固定的规程和路线等，并且会挑选拥堵程度类似的时间段进行测试，因此能够极好的反应在美国进行实际使用时的油耗水平。

    从以上数据可以看出，真正在使用时，小排量的涡轮增压汽油机比大排量的自然吸气汽油机还要耗油。美国佬搞凯迪拉克ATS时准备了2.0T、2.4升和3.6升三种发动机，其中2.0T给中国，因为中国收排量税，而2.4和3.6升的留给自己用，因为美国没有排量税。

    欧洲的油耗测试方法是1990年提出来的，太老了，也不科学。相对而言美国的更科学些。为此现在搞了个WLTP（轻型车国际共同排放、燃效测定法），这个测试方法是通过综合了美国、日本、中国、印度和欧洲的汽车运行工况而提出来的，和美国的类似。中国的国六标准将参照美国的标准。欧洲自己也觉得他们的方法不科学，于是准备在2017年引进该方法。面对新的测试方法，美国和日本的汽车厂一点都不着急，因为他们的自然吸气发动机问题不大，而欧洲的汽车厂却一片叫苦，因为他们搞小排量涡轮增压发动机就是按原来欧洲的测试标准开发的，现在你的测试方法变了，那他们原来搞的那一套不就白花钱了？宝马说，17年引进WLTP太激进，欧洲车厂在集体游说，希望能把WLTP推到2020年后再实行。

    不管再怎么游说，技术的进步是挡不住的。等到WLTP全面推开时，小排量涡轮增压汽油机这一特殊时代的产物恐怕就要退出市场了。不管排量多大，按WLTP来测试。那时候如果再按排量来收税就不知道该怎么说了。