涡轮增压汽车,猛踩油门,为什么会有超过一秒的延迟? | 目的地Destination

涡轮增压汽车,猛踩油门,为什么会有超过一秒的延迟?

对于这个问题,前面回答者所提到的内容已经比较全面了。虽然从提问者的问题本身来看,传动系里变速箱降档的问题应该是个比较对口的答案,但是涡轮迟滞终归是逃不过的话题。所以以下回答我就专注于说明一下涡轮增压发动机为什么有涡轮迟滞这个事儿。

下面我来简单讲讲导致涡轮增压发动机动力输出有迟滞的根本原因,想要明白为什么会有迟滞只需要知道发动机的动力是如何输出的即可。

下面从三步来说,
I. 发动机输出动力需要空气
II. 自然吸气发动机的空气响应
III. 涡轮增压发动机的空气响应

注:为了让更多人能看懂,下面不会出现公式和过于专业的工程用语。

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I. 输出动力需要空气
为了输出动力,汽缸需要吸入空气,因为想要燃烧汽油(燃料)就必须要有足够的空气才可以实现,又因为在现代发动机上单位喷油量严格等比例于空气量(详见发动机输出最大扭矩时的转速为什么会出现一个范围?而有的则是一个定值? - 汽车 - 知乎1.1.2喷油量讲解的部分),所以发动机的动力输出直接等比例于发动机吸入的空气量。

II. 自然吸气发动机的空气响应
在自然吸气发动机上,进气响应这个事儿(就其反应速度而言)是比较好解决的。因为连接发动机汽缸和外部空气之间的进气系统,是由一个管道(进气系统)和管道中控制空气流量的节流阀体组成的(也就是俗称的油门),如果节流阀体全开,发动机就是全油门状态,输出全部动力,如果节流阀体关闭,空气的流量就减少,动力减小。又因为节流阀阀体的开关,能够非常快地影响进气系统中的空气流量(这个非常快是指在100ms左右,即0.1 秒),这也就是为什么自然吸气发动机的油门响应是非常迅速的本质原因,参考人眨眼的时间在0.1秒左右。

这里面影响自然吸气发动机油门响应的因素比较多,包括进气系统内部平滑程度(影响摩擦),进气系统几何形状设计,进气歧管总体积大小(越大压强变化的dynamics越大)等。但是不管怎么样,这个时间常数(可以理解为,从踩下全油门到基本输出最大动力)在100ms左右,多数民用自然吸气发动机都在100-300ms。(注:这个动力的响应,是指进气歧管压强(流量)的响应,和你踩下油门后转速的响应不是一件事,加上摩擦就是转速响应)

III.涡轮增压发动机的空气响应
然而涡轮增压发动机就没这么简单了。为了输出超过一个大气压强进气质量所对应的动力,发动机排出的废气必须被导入涡轮增压器,同时废气的高温能量会通过涡轮被转化为进气的高温高压。可是作为一个事实,废气的高温高压到底能有多少被转化为进气空气温度和压强的增长,主要取决于当时涡轮增压器的转速,所以如果想要高的增压值(高密度进气空气,高动力),涡轮增压器的转速要保持在一个比较高的数值。但是作为另一个不幸的事实,通常情况下涡轮增压器的转速在驾驶者想要输出高动力的瞬间是不够高的(原因可以见下),而且更悲催的是涡轮增压器是有一定的转动惯量的(即无法瞬间加速到输出高动力的转速),所以从理论上讲,这个时候涡轮增压发动机是不可能一下子输出全部的动力的,总是需要等上那么一两秒(等涡轮的转速上来的时候),才能输出全部动力。这就是所谓的涡轮迟滞现象的本质原因。

在下面这张图中可以比较明确地看到这种现象,横轴为时间,纵轴为动力输出(单位为百分比),黑色的线是宝马N20发动机的动力响应。

可以清楚地看到,在1500转下(转速由台架固定),从10%油门稳态状态,瞬间踩下全油门,在自然吸气部分只用了0.1秒就到达最大动力值(蓝色部分),之后动力增加的斜率陡然下降,就是因为进入了涡轮增压器开始加速的阶段,用约1.5秒达到最大动力输出。(红色部分)

或者也可以用王洪浩先生的举例来总结,自然吸气的响应速度就是你打架时候的出拳攻击,说出就出收放自如,但是威力小一些,涡轮增压发动机如果要输出增压部分的动力就是你打架的时候要发的大波儿,需要攒一下,“攒”的这一下就是涡轮在加速。

如果以上三部分你都看懂了不妨接着往下看看我觉得比较有意思的常见问题,如果你只对什么是涡轮迟滞感兴趣那么以上就是全部的回答了

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IV. 车迷在涡轮增压发动机的使用中关于动力响应的常见疑惑

  1. 涡轮增压发动机在涡轮没有启动的时候就是自然吸气发动机吗?
  2. 涡轮增压器什么转速下会启动?
  3. 涡轮迟滞的准确定义是什么?
  4. 现实中如何测量涡轮迟滞?
  5. 为什么有的车标明了动力输出在1600-5000RPM都有最大扭矩输出,我还是能感觉到非常明显的涡轮迟滞??
  6. 为什么有的时候我会感觉到涡轮增压发动机的迟滞在同样转速和负载的情况下还有不同??

最后再来回顾一下过去和展望一下未来,从涡轮增压发动机动力响应的角度,
V. 与过去的涡轮增压发动机相比和未来方向

  1. 和过去的涡轮迟滞比
  2. 未来的方向

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IV. 车迷在涡轮增压发动机的使用中关于动力相应的常见疑问

1. 涡轮增压发动机在涡轮没有启动的时候就是自然吸气发动机吗?
简单来讲,是的。对于目前市面上所有你能买得到的小排量直喷涡轮增压发动机,基本上都是使用这个控制逻辑(实验室项目除外,这里我们不讨论。显然,对于涡轮增压发动机同样的稳态动力输出,可以用不同的泄压阀与throttle valve的组合实现,从而获得有利于有油耗或者动力响应的控制策略。对于工业界的控制系统,我们就用非增压区间是自然吸气发动机(油门)来控制,增压区间用涡轮增压发动机(关闭泄压阀)来控制近似即可。虽然这个情况在未来几年会有越来越多的改变)所以如果你在你的涡轮增压发动机上安装压力表的话(进气歧管),你能看到你的发动机在输出其自然吸气动力区间动力的时候(比如你发动机是2.0T的,输出约180NM以内的动力),是和一台自然吸气发动机没有任何区别的,任何低于其自然吸气发动机最大动力的输出(低于约180NM)都会导致发动机进气歧管里的负压,这一点在康贱猫(看起来像是一个改装车主)的回答里有所体现。而当你进一步踩油门(康贱猫回答里所谓的大脚油门)的时候,进气的压力才会高于一个大气压,因为只有这个时候,泄压阀才会开始关闭,一部分排气才会进去涡轮增加转速,从而增加进气压力。

所以如果把刚才的那张图再拿来用一下,把纵轴的动力输出等价转化为进气歧管压强(单位为大气压)的话,就可以得出以下示意图,显然在自然吸气工作区间,进气歧管的压强都是小于一个大气压的,也就是负压。

而从响应速度上看,在所谓的较小油门开度的情况下(即对应自然吸气发动机动力输出区间),进气歧管的压力(也就是动力)变化是在瞬间完成的,原因即II.中所提到的,自然吸气发动机节流阀体的开关,会瞬间(也就是0.1s左右)导致进气压强的变化。只有当大油门的时候(即需要发动机被增压,涡轮转速要比较高)进气压力的变化才会有一个缓慢(1-2s)爬升的过程,原因也是III.中提到的,即使泄压阀全部关闭,全部排气进入涡轮,涡轮也需要一定时间加速,之后进气空气的密度才能被提高,空气多,喷油才能多,动力才会增加。如果基于以上图片举例,只要动力在自然吸气工作区间内,动力都是可以在瞬间得到调整的,如下所示(蓝色),但是涡轮增压区间的动力就不可能这么快地变化了(减小可以,主要是增加不可能这么快)。

在这方面,康贱猫的回答和例子其实非常到位,同时也做了一个非常好的例子。实践出真知,他可能不知道涡轮增压发动机的工作原理,但是在自己车上安了的sensors,也是能够把问题搞清楚的。

(注:最后为了保险再多强调一遍,目前的涡轮增压发动机是这样的,但是未来几年,随着更加精细化的发动机控制系统和更加复杂的驾驶模式(目前驾驶模式更多的还是比较直接的变速箱逻辑调教),尤其是在运动化的驾驶模式下,应该会采取更加倾向于响应的control input的组合)

2. 涡轮增压器什么转速下会启动?
这个部分说实话我纯是为了吐槽一个小时候听过的神话传说。十五年前有一个非常神乎的营销口号,那就是世界上有一种神奇的车叫驾驶者之车,而这之中最牛的就是当时上市的宝来。这种车有一种神奇的功能叫做涡轮增压,4S店销售告诉我说,这种功能在80公里的时候就会自动启动。。。卧槽。。。80公里自动启动涡轮增压,100公里你还不能上天了。。。

现在我们知道显然涡轮增压器在任何转速下都可以工作,只要你踩油门的幅度足够大的话(即稳态进气压力大于等于一个大气压)。只不过在低转速(对于多数民用车低于1500rpm)下,即使泄压阀全部关闭,涡轮增压器的增压效果也不明显,所以看起来好像是涡轮增压有一定的转速范围,但是其实那个是涡轮增压器和发动机配合的”最佳“工作的范围(比如某2.0T发动机最大扭矩是在1400rpm-4500rpm),不代表在低转速涡轮增压器没有尽最大努力在工作。

(注:为了严谨这里也再加一句,即使是在非(或大)全油门的情况下肯定也有一部分排气进入涡轮增压器了,也就是说较真儿的话,不管什么油门开度涡轮增压器也都是在工作的。但是鉴于在这里讨论的这个问题(的重点和范围)我们完全可以忽略。)

3. 涡轮迟滞的准确定义是什么?
严谨的涡轮迟滞在发动机学术界可以严格的定义,一般我们取1500rpm时动力从10%稳态增长到100%的时间作为涡轮迟滞的标准。这里面有三个需要注意的地方,第一点显然是发动机的增压值,显然不同的最大增压值设定会有不同的涡轮迟滞,所以一般做比较的时候都会使用类似增压值(或者扭矩输出)的发动机来比较,比如宝马的2.0T输出350NM和奥迪的2.0T输出350NM可以比较的,但是如果宝马的同样发动机和通用的2.0T(但是输出400NM)相比就有点儿不太公平了,显然对于增压值大的发动机不公平(当然你可以都比他们输出到350牛米时的时间)。二一个涡轮迟滞是转速的函数,转速越高肯定这个值越低(具体证明就不展开了,可以建模推导出来),所以在实际测量中发动机的转速都会在台加上被控制在一个稳定的转速,在整个过程中(油门0.1变到1)发动机的转速显然要保持在一个不变的值。第三点就是都要针对一类发动机,比如都是民用车的小排量涡轮增压发动机,拿宝马奥迪的2.0T和保时捷勒芒的超高转速2.0T在1500转比显然没有意义,因为这里牵扯到涡轮选择和匹配的问题(高转低转),如果同样是民用车,就可以假设对涡轮的选择是类似的。就前几年的世界最先进水平而言,民用涡轮增压发动机里比较出色的产品(比如N20,现在B48会稍微好一些但是有限,主要是机械方面的进步)在减小涡轮迟滞方面的表现已经非常不错了,详情感兴趣的朋友可以看一下宝马发表的文章,这个时间上面图片也看到了,在1.6秒左右。据我所知,其他品牌多数发动机在2-2.5秒左右。

4. 现实中如何测量涡轮迟滞?
如果顺着上一个问题的第一部分进一步思考一下就不难理解,在现实生活中准确的涡轮迟滞是没办法被测量的。因为测量涡轮迟滞必须保持发动机输出动力的同时转速不变,在车辆上也就是加速还保持车速不变(台架可以保证是因为有刹车),这显然是不可能的,所以在现实中我们只能尽量地去还原涡轮迟滞的时间。显然,用更高的档位(动力在输出端会小而且车速变化比例也更小)就可以比较好的解决这个问题,比如对于多数民用车在80-100公里左右,8-9档是一个比较理想的测试区间(因为对于大多数民用车的动力,这个速度8-9档,在2-3秒的时间内速度的变化是比较小的)。这个时候只需要通过手动模式(假设自动挡)固定档位,从较小油门开度(10%左右)踩到底即可。只不过任何你在车上测得的涡轮迟滞都要比实际的要小,因为车速增加了,档位越高这个误差越小。

5. 为什么有的车表明了动力输出在1400-4500RPM都有最大扭矩输出,我还是能感觉到非常明显的涡轮迟滞??
1400-4500rpm都能输出最大扭矩和没有涡轮迟滞是没有半毛钱关系的,因为这两个描述一个说的是稳态,另一个说的是瞬态。网上有些人会质疑说,某某某品牌都写了说这款2.0T发动机的动力输出在1400-4500rpm是350NM,但是我在1500多转还是感觉没什么劲儿,而且要等转速上去以后才能感觉到动力,同时还能感觉到涡轮迟滞,这些宣传都是骗人的。

其实不存在骗人的问题,因为厂家发动机扭矩图的测量都是在稳态情况下得出的,也就是说发动机稳定运转(稳定运转指在这个转速下运转一段时间,这个时间可能是2-4秒)的情况下是肯定可以输出这个动力的。但是现实世界中,尤其是在车辆的行驶过程中,基本上没有稳态的情况发生,所以在一千多转的时候发动机总是达不到输出这个最大动力的状态的(本质上就是涡轮的转速变化不够快),再加上随着踩下油门车辆加速,发动机的转速上升,涡轮迟滞减小,这就进一步的加剧了动力的爆发,造成了人为了感受,好像发动机在低转速完全没有动力(涡轮增压器不工作,没有输出厂商标定的动力),转速高了就有动力了。其实在低转速也是有同样(大小)的动力的,只不过现实中因为涡轮迟滞不好释放出来(需要时间)。

6. 为什么有的时候我会感觉到涡轮增压发动机的迟滞在同样转速和类似负载的情况下还有不同??
这其实是我自己的一个问题,如果有明白原理的大神请指点。下面是我拿一辆奔驰E300(W213)做的简单测试,同样的车速和档位(5档60公里),同样的从小油门开度的Step input,涡轮迟滞会在2.3秒左右和4秒左右之间变化。我个人认为是状态量不同的问题,但是4秒的极限也太长了。难道是控制系统的一些特殊function?

V. 一些亲身感受和未来方向

1. 和过去的涡轮迟滞比
现代的,尤其是近些年的小排量直喷加涡轮增压发动机(奔驰宝马奥迪丰田福特大众的240-250匹左右的2.0T)已经非常大程度的减少了涡轮迟滞的现象,这主要是针对和上世纪八九十年代的那些缸外喷涡轮增压发动机(丰田斯巴鲁三菱280匹的2.0T发动机)相比较而言(量化来看那个时候3-5秒,现在1-3秒)。主要原因是现在的发动机围绕涡轮增压这一系统的优化基本上做到了比较极致的程度,像双涡管设计,轻量化的涡轮增压器转子和叶片工艺,更短的进气通路(增压空气水冷)还有直喷等等等等,同时很重要的一点是增压值其实也降低了(因为增加增压值在测量中显然会增压涡轮迟滞,上文也提到了),整体的风格和方向由二十年前的狂野和追求动力输出,转变为了更为精致细腻,节油环保和增加可驾驶性。但是不管怎么说,即使做得再先进,和自然吸气发动机相比,涡轮迟滞也是涡轮增压发动机在驾驶过程中不可能被抹去的特点。目前动力响应和驾驶性方面做的最好的应该是宝马,保时捷和法拉利的涡轮增压发动机。

2. 未来的方向
从动力和环保的角度,未来不会再有没有涡轮增压发动机的车型了,尤其是随着未来发动机技术的发展,全新燃烧系统的超级节油型发动机必须需要涡轮增压来弥补低温(也就是稀薄)燃烧所降低的动力,不过这里就不展开了,以后找机会从节能角度谈谈发动机未来的几大进化方向。

从响应的角度,未来应该有几个方向可以更好的减小甚至消除涡轮迟滞。

首先就是混合动力,还是以同样的宝马N20举例。就考虑最简单的平行式的混动,如果给变速箱前加一个扭矩输出达到这款发动机扭矩输出一半的电机,涡轮迟滞就可以被完全消除。显然,前提是发动机增压值不能太高或者混动度不能过低,迈凯轮P1就是一个动力过大(混动度偏低)同时动力部分发动机小型化(也就是增压值)过大的例子,即使有电机还是能感受到涡轮迟滞(因为电机扭矩不够),这在消除迟滞增加响应方面不是一个很理想的例子,特别对于Hypercars。其实以后的发动机都会增加ISG,不过估计和P1情况类似,电机不会有那么大的输出比例,但是能减少一部分动力迟滞也是好的。(蓝线为理想混动系统中电机的动力输出)

第二个很有意思的就是电涡轮,相信很多人都对这个有很强的憧憬。很多人开始的想法都是在涡轮中间加一个电机,但是工业界和学术界很早就发现这事儿不能这么做,涡轮过十万的转速使得连接Turbine和compressor的轴如果要放得下电机,增加的长度给制造工艺精度带来的挑战是非常巨大的,更主要的是涡轮温度太高,还得给电机散热。所以现在(因为都电气化都有48V系统了,混动也有了也就是车里电多了)就直接在进气端单加一个compressor直接由单独电机驱动,虽然没有混动电机直接输出动力那么快,但是也差不多了,成本复杂性也能接受,这个毋庸置疑就看奥迪的六缸柴油机。

第三类有意思的就是空气增压,就是也用车里现成的电用电机压缩空气,先放在一个高压气罐里面,然后再使用(比如喷到哪儿)。这里面又有两类,第一类是沃尔沃去年刚发布的“PowerPulse”,原理就是直接往排气里涡轮前喷压缩的高压空气,然后更快的驱动涡轮加速,说实话我真的不明白他是怎么想的。如果是我的话,我会把这些压缩的空气直接喷到进气歧管里,直接就可以进汽缸燃烧了,完完全全的零迟滞,而这也是我们实验室做的项目,打一个广告,ETH/IDSC的空气混动发动机。如果看图就是,类似于混合动力,但是不需要电机的高成本就可以把涡轮迟滞从2秒左右削减至零。

往上一看有的没的说了不少,应该是把涡轮增压发动机迟滞相关的问题基本讲清楚了。

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References:
Intake Manifold Boosting of Turbocharged Spark-Ignited Engines, Zsiga N., Voser C., Onder C., and Guzzella L.,Energies 2013 (6), pp. 1746-1763
The New BMW 2.0-l Four-cylinder Gasoline Engine with Turbocharger, F Steinparzer, N Klauer, D Kannenberg, H Unger. 2011.

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:苏黎世贝勒爷

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