BMW的叛逆
“自然吸气”、“直列6缸”这都是早早就写进BMW经典词典的内容。自从上世纪70年代,BMW的M20引擎开始,他们就坚持着I6和自然吸气。最初的M20B23引擎,排气量已经达到2.3L,不过功率只有区区的105kW,它被装到当年代号为E21的3系上。不过宝马对于自然吸气6缸机的追求是狂热的。到了1989年,装在E30系列中的M20B25直列6缸机已经发育到了125kW。这样的故事一直延续着,经过了E36、E46等经典车型的时代一直到了2006年,这时BMW的普通直列6缸机已经发展到了190kW,当然人们一心认为BMW还专精于自然吸气6缸引擎的继续进化时,BMW却发布了一款带Turbo charge的E92 335i。涡轮增压器堂而皇之地入主BMW的直6引擎,让许多古板的NA迷觉得这是一种叛逆。
这台编号为N54B30的引擎,体现了BMW在Turbo Charge方面的造诣。凭借3升的排量,把最大功率逼到了306PS,升功率轻松超过100PS/L。最厉害的还是400N·m的最大扭矩,只需要轻微加油,在1300~5000rpm的超宽转速区间都能达到峰值。提供的爽朗加速感是很多更大排量自然吸气V8引擎都不能企及的。
BMW这台Turbo引擎具有的良好线性动力,来自于在Turbocharger和增压值上的合理设定。引擎使用的是两颗小涡轮分别对3个气缸进行增压,这样的涡轮排列方式通常被称为并联。由于涡轮直径较小,设定的增压值只到达了0.4Bar,但恰恰是因为使用了小涡轮,用排量3.0L的引擎去“吹”动它们变成了一件轻而易举的事情。Turbo Lag(涡轮延迟)现象被减小到无法察觉的程度,这样的表现非常符合BMW“优雅驾驭”的传统。
N54B30引擎重量有195kg,这比BMW同排量的吸气引擎相比要重,拿被人熟知的N52B30 直列6缸铝镁合金3.0L引擎来说,它的重量只有161kg。这是由于增压引擎为了得到更高的强度,采用的是铝合金缸体镶嵌铸铁缸套的结构,由此可以看出这台引擎的“体质”是相当健壮的,在日后的改装方面也应该有良好的表现。
Porsche的善变
在这里我们又得把A/R比值的这个让人头痛的概念翻出来说一下。按照字面意思,A是Area(面积),它指的是涡轮废气入口一侧的最窄处的横截面积。R就是Radius(半径),指的是A(横截面)的中心点与涡轮本体中心点的距离,面积与两中心点距离的比值,就是A/R值。其实不必太专研这个问题,只要明白A/R比值是决定了涡轮特性这个道理就好。
A/R值越小,表示废气入口相对小,而涡轮叶片的起动惯性低,流速相对高,发动机低转反应比较好,涡轮迟滞效应不明显,但是发动机高转时小涡轮又会显得力不从心,对于大排量的发动机来说又会出现进气“吃不饱”的情况。
然而A/R值越大表示入口面积较大,涡轮叶片惯性大,低转反应比较迟钝,涡轮延迟变得很厉害,要等发动机转速被提升到较高时,涡轮才迅猛的表现。所以我们常见的发动机A/R比值在0.18~0.75之间。随着涡轮增压技术的发展,人们总是想“鱼和熊掌兼得”。有没有什么办法能让一颗涡轮拥有多种A/B比值的特性呢?专精于涡轮增压技术的工程师们用VGT技术回答了这一难题。
VGT(Variable geometry turbochargers)既可变几何尺寸涡轮,通过改变涡轮进气端的叶片几何形状达到改变A/R值的一种涡轮增压技术。这样的技术最先是应用是在柴油引擎上,而应用在转速更高的汽油引擎上并不多见。最先使用这一技术的是克莱斯勒1989款Shelby CSX-VNT。它使用了一颗来自Garett的VNT-25可变喷嘴涡轮,2.2L的直列4缸引擎可以发出175PS功率,最大扭矩达到278N·m,以当时的眼光看来已经属于辛辣车种。不过它只生产了仅仅两台原型车和498台商品车,只让少数人领略了VGT增压技术的风采。
把VGT技术发扬光大的还是来自斯图加特的速度机器。2006年代号997的新一代Porsche 911 Turbo带着傲人性能面世。3.6升的水平对置6缸增压引擎可以产生令人眩晕的480PS,让最高车速达到311km/h。扭矩更是达到狂暴的620N·m(通过选装Sport Chrono Package运动包可以达到680N·m!轮胎要倒霉了!)。这样的扭矩能让干掉扭矩“仅有”465N·m的老冤家——法拉利F430。如此狂暴的低扭,如此放肆的高转输出,都由一颗善变的涡轮撑腰。它就是来自BorgWarner(博格华纳)的VTG(Variable Turbine Geometry)涡轮。涡轮废气入口端的叶片加上了可变装置,就是在涡轮叶片周围加上了一圈能调整角度的导流叶片。引擎低转时,叶片的相对与气流的角度较大,能充分利用废气的能量,让废气尽快推动压气机涡轮高速旋转起来;在大负荷、高转速的情况下,叶片的角度变小,加快废气流动的速度,防止发生过增压的情况。这套系统由发动机ECU控制,满足引擎不同转速下的增压需要,使其兼备小涡轮的低延迟和大涡轮高效率的特性。这也是VGT增压技术第一次在大量生产的汽油车型上亮相,这样的亮相可真够凶猛的。
Volkswagen的合二为一
我们常见的引擎增压方式除了由废气推动的Turbocharger以外,还有一种由曲轴直接带动的Supercharger,通常被我们叫做机械增压。Supercharger的压气机的驱动力来自引擎曲轴,一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮,间接将曲轴运转的扭力带动增压器,达到增压目的。机械增压的特性就是完全没有延迟现象,在发动机中低转速的情况下就能发挥良好的增压效果。而且这个区间正是Turbocharger还没有介入的区间。到了发动机高转速时,机械增压会消耗掉一部分引擎动力,而且增压效果也会变差,但这时正是Turbocharger努力工作的时候。于是在工程师的脑子里有了Supercharger和Turbocharger弄到同一台发动机上念头,而Volkswagen更是把这一念头变成了现实。
疯狂的大众工程师,在一台基于EA111构架的1.4L FSI发动机上匹配了涡轮和机械双增压系统。把一台Roots式双转子机械增压器和一颗小涡轮串联起来。在低转速时,让机械增压提供大部分的增压压力,这些压力也用来驱动涡轮增压器,因此涡轮增压器的启动更平顺,响应速度更快。.在1500rpm时,令人兴奋的事情发生了。两个增压器同时提供增压压力,其总增压值达到2.5Bar!,引擎开始变得狂暴。随着转速的提高,涡轮增压器能使发动机获得更大的功率,与此同时,机械增压器的增压压力逐渐降低。在转速超过3500rpm时,由涡轮增压器提供所有的增压压力,此时驱动机械增压器的电磁离合器分离,不再消耗引擎的功率。
通过把机械和涡轮增压两套系统合二为一,装备了这台1.4TSI引擎的GOLF GT创造了一个奇迹。170PS的最大功率,从1750rpm漫延至4500rpm的240N·m最大扭矩,综合油耗7.2L/100km,这些数据同时出现在一台汽油引擎上实在是太难得了。升功率为121PS/L,升扭矩为171N·m/L,0~100km/h在7.9秒内完成。这样的表现会让被奉为“钢炮之神”的GOLF GTI感到紧张,也从新改写了引擎动力和排量之间的传统公公式。这台引擎一举获得2006年世界最佳新引擎的荣誉,这一切都是源自那套合二为一的双增压系统,通过这台引擎,我们可以大声宣布:小排量增压引擎的新动力时代来临。
SUBARU的水平
一提起SUBARU,最容易想到的就是水平对置,全时AWD系统,而柴油机仿佛和SUBARU沾不上边。在2007年的日内瓦车展上SUBARU却给了人们已经惊喜,他们让增压柴油引擎躺下了,让水平对置引擎的低重心、低振动与柴油增压引擎的低速大扭矩相结合,带给人们全新的感受。
作为世界上第一台4缸水平对置柴油引擎,SUBARU应用了许多流行技术。例如电子控制共轨燃油直喷,DOHC双顶置凸轮轴配合低噪音正时链条等,当然Turbocharger是一定不会缺席的,在发动机的右侧(飞轮端)赫然安置着一颗中型涡轮,而在缸体上方的中冷器面积被加大很多,以对应柴油机更高的增压值。这款引擎的详细参数还没有公布,不过以现在2.0L先进柴油增压引擎的数据推算,这款H4的引擎出力应该在200PS左右,而扭矩应该在380N·m上下。
写在最后
Turbocharger发展到现在已经是一项比较成熟的引擎技术。各大厂商不再单纯地用Turbo往发动机内压入更多空气,而是应用各种方法解决Turbocharger的故有不足,榨取更多线性的动力输出。日后我们将可以看到更多的车型用上并联涡轮、串联涡轮、VGT几何可变涡轮、机械与涡轮混合增压,水平对置涡轮增压等先进的技术,涡轮和引擎的故事将翻开新的篇章。