从通用15T阿凡达发动机看涡轮增压发动机动力进化趋势

  从通用汽车在1962年首次在Oldsmobile Jetfire上装备涡轮增压发动机到今天，涡轮增压发动机在世界家用汽车领域已经走过了接近60个年头。而从2001年一汽大众在中国合资引进宝来)并推出1.8T版本至今，涡轮增压在中国汽车市场也已经整整20年。对涡轮增压，很多消费的人都经历了从排斥到接受，再到欢迎的心态转变，涡轮增压也因此在整个汽车市场中份额逐步扩大，到今天已经接近一半。而涡轮增压发动机在市场上得以取得成功，自然也是与其巨大的技术进步分不开的。本篇专栏，即借通用阿凡达1.5T发动机面世之际，梳理一下涡轮增压发动机是如何逐渐后来居上，通过技术的发展赢得了市场。

  涡轮增压在今天虽然往往与性能强劲联系在一起，但在其诞生初期，却并不见得如此。

  Oldsmobile Jetfire装备的发动机，是通用215 V8发动机（3.52L）的涡轮增压版本。相比自然吸气原版的116kw的上限功率，涡轮增压版增大到了160kw，升功率达到45kw。虽然对于当时的家用车来说算是很不错的水平，但与当时领先的自然吸气发动机相比还有很大差距。比如同样于1962年推出的法拉利250 GTO，装备了一台2.95L的V12自然吸气发动机，上限功率高达221kw，升功率有75kw之多。

  而即使到了2001年，当宝来在中国市场首次引入涡轮增压发动机时，这款发动机的升功率水平也只有62kw，比起40年前的老前辈也没有多大进步。

  尽管20年前的大众并没有能给中国消费者展示最先进的涡轮增压技术，但其实涡轮增压发动机在20世纪后期已经有了长足的进步。

  要考察涡轮增压发动机的动力发展的新趋势，一个很好的标杆，是保时捷911) Turbo车型的动力参数历史。从1975年保时捷首次在911车型上引入涡轮增压发动机开始（即保时捷930），在之后的911车系历史中，涡轮增压车款（Turbo，以及后来的Turbo S和GT2/GT2 RS）就从未再缺席过。因此我们正好能够最终靠911 Turbo的动力发展历史来一窥整个汽车产业中涡轮增压技术的发展。

  可以看出，虽然个别年份有波动，但整体上，保时捷的涡轮增压发动机的升功率水平一直在提升。35年的时间内增长了差不多一倍。

  如果采用国际标准度量衡，100千瓦的升功率也无疑是一个标志性的分水岭。能达到这一水平，也代表着发动机的技术足够先进，动力也足够强大。

  世界第一款升功率超过100kw的量产车，是1984年推出的法拉利288 GTO，这款V8中置后驱的跑车仅用2.855升的排气量，就做到了294kw（400马力）的上限功率输出。为了达到103kw的升功率，这款F114 B000发动机采用了双涡轮，中冷器和燃油喷射技术，在当时极其先进也极为昂贵。这款车仅仅生产了272辆，目前市面上二手车的售价高达250-350万美元。

  而足足23年后，升功率超过100kw的涡轮增压发动机，才能从超跑下放到豪华跑车的级别。

  保时捷旗下第一款升功率超过100kw的车型，是2007年推出的997 GT2。这款双涡轮水平对置六缸发动机通过采用可变几何涡轮，使得升功率达到了108千瓦。这款车不像288 GTO可以当打理财产的产品，但也非常保值，目前市场价仍然在20万美元以上，跟上市价格比基本没怎么跌。而这款车当时在国内的售价更高达330万元。

  直到前几年，才有相对平民一些的高性能车能够装备升功率超过100kw的涡轮增压发动机。比如宝马的第一款升功率超过100kw的量产车，是2014年推出的第五代M3（F80），以一款3.0L直6发动机做到了317kw的最大输出。同样，这又是一款双涡轮发动机，而且为了榨取动力，采用了封闭式水道（冷却能力更强）、轻量化曲轴、专门设计的曲轴轴承、弹簧和中冷器、加强活塞/曲柄、双油泵、主动排气等等一系列先进的技术。这款车在国内上市时，售价也高达99.8万元。

  而到了2021年，因为技术的持续进步，升功率超过100kw的发动机终于开始平民化。

  今年夏天，日产在新一代奇骏)上投放了采用可变压缩比技术的1.5T发动机，功率达到150kw，第一次在平价品牌中摸着了升功率上百的门槛。

  而随后在10月份上市的昂科威S)，则装备了通用最新的阿凡达系列1.5T发动机，上限功率达到155kw，升功率达到103kw，同时也是中国第一款按净功率计算升功率过百的平价品牌车型。要知道几年前的超跑车型，比如法拉利California T，保时捷991.2 Turbo，其升功率水平也只是类似水平，但现在普通人只要花20万元就能拥有，不得不让人感叹技术的快速的提升。自然，为了达到这样高的升功率水平，而且作为家用车，还要兼顾非极限驾驶情况下的燃油经济性（某些特定的程度上比可以仅仅聚焦最大性能的跑车发动机的研发更具挑战），以及低转速下的动力输出和动力响应，通用在这款发动机上也采用了很多最先进的技术：可以增大进气量从而增大燃烧的35MPa高压直喷系统，增大进气效率的高滚流气道，能更好的配合不同转速调节相位的DVVT全程可变进排气正时系统，能更智能控制压力的涡轮增压器电动放气阀，全可变排量机油泵，可按需控制增压气体冷却后温度的水冷增压中冷技术。

  不仅涡轮增压发动机的绝对动力水平一直在提高，他对自然吸气发动机的动力优势也不断在扩大。

  2001年国产的宝来1.8T发动机，其上限功率只有110kw，这一数值还不如同样出自大众的2.3L直列5缸自然吸气发动机，后者于2001年推出的新一代产品已经有125kw的上限功率。如果我们考虑到宝来1.8T投放中国市场的滞后性，用2000年的上一代2.3L5发动机作比较，那么二者功率同为110kw，当时的主流涡轮增压发动机，动力输出也仅仅相当于1.3倍排量的自然吸气发动机。

  而到了2010年前后，市场主流的高功率版涡轮增压发动机大概就能达到1.5倍排量的自然吸气发动机的动力水平，比如09年上市、装备在)上的通用1.6T发动机上限功率为132kw，08年推出的本田2.4自然吸气发动机上限功率130kw；13年随翼虎)上市的福特1.6T发动机上限功率134kw，同年美国装备的2.5L自吸发动机上限功率则为130kw。

  而近两年的涡轮增压发动机则进一步达到了1.7倍左右排量的自然吸气发动机水平。比如2017年推出的本田地球梦1.5T发动机上限功率为142kw，超过了2014年推出的马自达创驰蓝天2.5自吸发动机的141kw的水平；今年通用推出的阿凡达1.5T发动机更是以155kw，超过了2019年号称最强家用车自然吸气发动机的丰田A25A-FKS 2.5的154kw。

  如果考虑到涡轮增压发动机在中低转速区间的扭矩/功率更远大于上限功率类似的自然吸气发动机，甚至可以说今天最先进的1.5T发动机，综合动力水平已能跟3.0L的自然吸气发动机相媲美。

  下图为获得“中国心”2021年度十佳发动机的通用阿凡达1.5T发动机。这款发动机能够赶超2.5L自然吸气发动机动力水平的关键，即在于其35Mpa高压直喷系统及高滚流气道，能够大幅度的提高进气量。

  本质上，涡轮增压发动机因为是加压进气，因此进气量远大于同等排量的自然吸气发动机。从进气量来说其实本来就应该跟更大排量的自然吸气发动机相比。

  而随着涡轮增压发动机进气量的进一步增加，我们也会看到同级别车型采用的涡轮增压发动机的排量逐渐减小。以中型SUV匹配的发动机为例，就从当年的2.0T，一路下降到1.8T，1.6T，乃至今天通用、日产、本田等增压技术领先的厂商的1.5T。在家用车要兼顾动力和燃油经济性的前提下，随着获得同等进气量所需的排量不断减小，或者说相当于同时代2.5升自然吸气发动机水平的涡轮增压发动机的排量不断减小，不断降低排量也是最合理的选择。

  而不仅如此，甚至仅仅追求性能、几乎不考虑经济性的超跑发动机，也慢慢的开始从自然吸气切换到涡轮增压。早在2014年，法拉利旗下定位相对最为适合日常使用的California硬顶敞篷跑车，就已经用F154 BB这款3.9L V8涡轮增压发动机取代了之前的4.3L V8自然吸气发动机。而紧接着的2015年，这款发动机又在新一代跑车488上取代了458的4.5升V8自然吸气发动机。

  这还没完，对于2+2的12缸大型GT车型，法拉利在2016年用GT4Lusso取代FF时，也同时提供了3.9L V8和6.3L V12的选择。可见涡轮增压车型的竞争力。

  实际上，对于追求极限动力、同时限定排量为1.5升的F1赛场，早在7、80年代，涡轮增压发动机就已经表现出对自然吸气发动机压倒性的优势，乃至没几年就出于安全考虑被禁止。但早年的涡轮增压发动机常被人诟病的原因，还在于动力响应。

  涡轮迟滞产生的最终的原因，在于涡轮增压发动机需要废气推动涡轮旋转，在涡轮转速提高后，进气压力才能提升，才能提高进气量，达到相当于更大排量自然吸气发动机的动力水平。但涡轮转速的提升需要时间，因为废气的功率在时间维度上积分后才能有足够的功，然后转化为涡轮的动量。

  传统的改进动力响应的办法，主要是采用更小的涡轮，因为涡轮惯量小，因此就需要达到目标转速的动量也就小，也就是俗称的涡轮延迟小。但另一方面，为了能在高转速时有更大的进气压力以达到更大的动力，又需要一个大涡轮，因此这种方案往往需要采用双涡轮，成本比较高，一般只有高价位的高性能车采用。

  还有一种办法，则是采用双涡管，将点火正时相邻的气缸的排气涡管分开，也就是4气缸分成两组，避免两个气缸进排气时间相近，共用排气管道时相互干扰。但这种结构仍然造价较高。

  而通用的阿凡达发动机则采用了多管齐下的方式。发动机缸盖集成排气歧管，配合紧凑型的增压器与催化器，能够更好的降低排气阻力，而涡轮压力的建立直接依赖于排气效率，从而上限功率和动力响应都得到提高；先进的水冷中冷器能够更好的控制增压后气体的温度，也能提高增压响应——因为增压空气的温度每上升10 ℃，发动机功率就会下降大约3%～5%；通用独家的Dual Fast相位调节器，配合中置大角度结构设计，也能明显提升扭矩响应速度。

  除此之外，昂科威S还同时搭载了48V轻混系统，48V电机在中低转速涡轮压力未建立时，也可以轻松又有效补充动力，减少涡轮迟滞感。

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