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大众汽车的涡轮增压,处于什么水平?

大众的涡轮增压发动机的发展大致可以分为以下三个阶段(图1和图2是大众两个平台直喷增压发动机发展的历程):

1.涡轮增压发动机尝试阶段
大众从上世纪90年代开始尝试将涡轮增压发动机大批量推广到民用车上,主要的目标是实现整车性能的提升。这就是大家非常熟悉的大众EA113系列1.8T发动机,在帕萨特和奥迪上广泛使用。

此时的增压发动机是从大众EA113系列经典的5气门自然吸气发动机升级改造成增压发动机的(图3可以看到每个缸5个气门,3进2排),当时直喷技术还不成熟,采用的是进气道喷射的电喷技术。因此,今天来看当时1.8T发动机的性能并不高,只有118Kw,250Nm和现在的1.4T发动机差不多。但是在那个时代,这个性能已经非常先进了,和同时代的自然吸气发动机相比性能上有很大的优势。

这一系列发动机后期开发出了2.0T的直喷增压版本,在早期的奥迪A4上使用。此时涡轮增压技术还刚刚进入市场,大家都在观望,并没有企业跟进。这一时期大众增压发动机的主要问题是增压器的耐久性,在10万公里以后增压器大多会出问题,需要更换。

2.全面开发涡轮增压直喷小型化发动机
从2005-2006年大众推出了继续直喷增压小型化方案的EA111和EA888二代发动机。从这个时期开始,大众开始设计涡轮增压直喷的发动机,而不是从现成的自吸平台改增压。这一系列的发动机非常成功,从此大众奠定了均值混合直喷增压小型化发动机的技术路线。目前这一技术路线已经成为业界当前最主流的方案之一。几乎所有的汽车公司都在跟随这一技术路线。

直喷涡轮增压小型化这一概念的核心有三条:
(1)涡轮增压和直喷技术的结合
涡轮增压和直喷技术的结合存在一系列优势:a.可以大幅度的提高发动机的性能,尤其是低速扭矩,使小排量的发动机也可以达到很高的性能。
b.可以显著提高增压器的响应速度,解决涡轮迟滞问题。

(2)通过小型化降油耗
由于小排量涡轮增压发动机也可以达到很高的性能,因此可以用来代替同等功率大排量自吸发动机,由于增压发动机尤其是直喷增压发动机可以在低转速实现很高的扭矩,通过变速箱速比的调整(减速比变小),在同样的整车需求功率下和自吸发动机相比增压发动机可以在更低的转速更高的负荷工作,这样更容易进入发动机万有特性中的高效率低油耗区域。这样通过转移发动机运行负荷点的办法来使发动机更多的运行在低转速高负荷区域,大幅度提高发动机的效率,从而降低油耗。

图5是大众在EA111开发时候的研究结果,对比了同功率的1.6自吸和1.4T 的油耗和性能对。大家可以看到涡轮增压小型化发动机如何转移运行工况点,从而让发动机在高效率区运行降低油耗。最终整车工况油耗降低了22%,加速性还有提升,非常有优势。

(3)均质燃烧降低排放
大众在增压直喷发动机由于采用了小型化的概念来降低油耗,因此果断放弃了之前直喷发动机稀薄燃烧降低油耗的概念,采用均质燃烧。这一创新思路使得简单的三元催化器可以很好的解决排放问题,不会出现稀燃发动机上令人头疼的氮氧化合物NOx排放问题(图6是直喷技术发展的历史)。
排放法规的日益严格证明了这一路线的前瞻性和生命力,原来在稀薄燃烧上投入大量开发经费的奔驰和宝马也都转向了增压直喷小型化方案。

这一时期大众增压发动机的主要问题是:
a.EA111 1.4T双增压发动机的可靠性问题,大众在这个发动机上采用了机械增压加涡轮增压的双增压概念,功率能够达到125kW。但是这个发动机的可靠性并不好,市场问题比较多,大众因此在后面的发动机开发中放弃了双增压概念,也不在一味通过增压器压榨发动机的极限性能。后期大众发动机的功率都比较保守。
b.著名的EA888二代烧机油问题,这个影响太大,应该大家都知道了,就不详细再说了。

3.走向成熟的涡轮增压直喷发动机
通过前两代的发展趋势,大众已经在涡轮增压发动机上积累了非常多的经验和教训。同时随着油耗和排放法规的逐步加严增压发动机的技术也需要进一步提升。

于是大众从2011-2012年开始发布了EA211 1.4T和第三代EA888 Gen3版本(图7)。大众的涡轮增压发动机逐渐走向成熟。随后,大众在2016-2017年有发布了这两个平台的低油耗升级版本发动机:EA888 Gen3b和EA211 1.5Evo(图8)。这一时期的主要技术特点是:

(1)提出了Right Sizing的概念,也就是在新的排放和油耗法规要求下发动机排量不能太小,压榨不能太狠,否则无法满足法规。EA888平台逐步放弃了1.8T版本,EA211平台1.4T逐步升级到1.5T。
(2)引进了更多的先进技术来降低油耗和排放,比如双喷射技术,350Bar高压喷射系统ACT停缸技术,热管理技术,EA888 Gen3b米勒循环燃烧技术(图9),EA211 1.5Evo的VTG可变截面涡轮增压器技术。基本上拥有了目前最先进的技术配置。

大众汽车的涡轮增压,处于什么水平?
(3)功率有逐步降低的趋势,这主要是由于欧6排放中实际道路驾驶排放RDE的要求。
(4)减轻重量,降低摩擦。
(5)重点解决上一代发动机的机油耗问题,在可靠性方面也进一步进行了优化。

总结一下,大众是增压直喷小型化发动机技术的开创者,在增压直喷发动机技术上的积累应该是所有企业里面最多的。前两代出现的问题不但为大众自己提供了经验教训,也让后来开发涡轮增压直喷发动机的公司得到了借鉴。
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