德日1.5T小排量涡轮增压发动机颠峰对决

还记得几年前,当大众将一台1.4T小排量涡轮发动机塞进迈腾这样的B级车的引擎舱的时候,那时全都站在自然吸气阵营日系厂商们的表现是多么的不以为然。的确,当年的1.4T引擎匹配双离合变速器,动力表现并没有比日系2.0L自然吸气+6AT好多少,TSI+DSG的油耗表现甚至不敌日系同级2.4L匹配CVT变速器的对手,何况自然吸气发动机还拥有小排量涡轮发动机所不具备的线性的动力输出和高转速下更绵长的动力表现。加上TSI,DSG还存在这样那样的问题,也让理性的消费者望而却步。那时,涡轮增压阵营和自然吸气阵营平分江山,都拥有各自的簇拥者,一时难分高下。

然而由于各地区政策的导向作用,胜利的天平逐渐转向了涡轮增压阵营。越来越多的厂商将引擎涡轮化,就连法拉利这样玩转自然吸气发动机的高手也顺从了潮流。日系厂商也迅速转向跟进,逐一推出了自己的小排量涡轮增压发动机,以应对市场的变化。经历过涡轮增压的高性能时代的日系车厂(还记得当年F1赛场那台1050匹输出功率的本田RA167E 1.5T引擎吗?),虽然已多年没有重视涡轮增压,但日系厂商对小排量发动机的技术储备的确非常深厚,日系重拾涡轮的开路先锋们个个有绝活,完全不输给玩转现代涡轮多年的德系军团(要知道大众EA111 1.4T/EA888 2.0T的涡轮就是由日本IHI生产)。面对来势汹汹的日系小排量涡轮机的挑战,德国人也不敢坐以待毙,急忙更新自己的产品线,拿出了自己的看家本领予以回击。CarTech车技就以德日主流家用轿车的代表作-----大众高尔夫和本田思域为例,将代表了德日平民买菜车顶尖水平的两台1.5T小排量涡轮增压发动机拿出来比划比划。

本田思域,历朝历代都是以出色的自然吸气引擎作为打天下的资本的,思域TYPE-R就不用说了,虽然只是一台四缸小车,但红头引擎的转速之高,升功率之出色,足以叫板身价数倍的保时捷法拉利之流。而作为家用车使用的普通思域,发动机出色的燃油经济性和低故障率以及平顺性在同级都是数一数二的。思域type-R首先叛变到涡轮阵营,全新的K20C 2.0T引擎替代了经典的K20A,228KW和最大400牛米的扭矩输出帮助type-R一举将扭北前驱车的圈速记录从8分07秒提升至7分50秒。而第十代思域则破天荒使用了全新的1.5L VTEC TURBO地球梦引擎,主打经济省油低排放。作为回击,在刚刚结束的大众37届维也纳电机研讨会上,大众集团拿出了最新改良的EA211 1.5TSI EVO发动机,将在今年四季度开始量产,并将率先塞进大众的当家花旦高尔夫7的发动机仓,以替代现有的EA211 1.4TSI发动机,火药味真浓啊!

先看大众EA211 1.5TSI EVO,这台发动机并非是完全全新的设计,是一台以EA211 1.4TSI为基础改良而生的产物,所以后缀名为EVO,意为进化版。相对于老款EA211 1.4TSI引擎,这台发动机获得了一系列来自大众自家高端车型发动机技术的武装,不仅拥有跟保时捷一样的VGT可变截面涡轮,还拥有和奥迪S7一样的气缸可调技术,还拥有米勒循环和高达12.5的压缩比为其热效率加分,战斗力得以大幅提升。

本田的这颗1.5L VTEC TURBO发动机也不是从0开始研发而来,而是由成熟的L15B 1.5L自吸引擎为基础,进行涡轮化改造而来。但这不是简单的新瓶装旧酒,其缸体和缸盖设计相对L15B发生了很大的改变,燃烧室形状针对涡轮增压进行了优化,同时进排气系统拥有VTC(Variable timing control“可变正时控制”),还具备了源自全新Type-R K20C红头引擎的电控泄压阀技术,还可以利用排气的热能,使得效率达到38%,号称最强热效率引擎,实力不容小觑。

【EA211 1.5TSI EVO低功率版】

【L15B 1.5L VTEC TURBO低功率版】

先比较两台发动机外特性曲线,为了方便比较,两台引擎都以低功率版本呈现,大众1.5TSI功率为96kw,本田L15B 1.5T功率为110kw。两台引擎的出力曲线都很漂亮,如果遮住工况图上面的数据,光看曲线可能会误认为是两台更大排量的涡轮增压引擎的工况图。

大众1.5TSI引擎低扭表现非常出色,从1300rpm开始就进入扭矩平台,最大扭矩200牛米,并一直持续到了4000rpm以后开始衰竭,在6000rpm的高转速区间,其最大扭矩输出依然能够达到150牛米以上,高于同排量1.5L自然吸气引擎。而功率曲线也非常线性,很想自然吸气引擎的功率曲线,并且能够在5000rpm~6000rpm都保持最大功率输出,直到6500rpm断油,高转速区域的衰减也不算明显,总体而言这是一台非常友好的1.5T引擎,从低转速到高转速表现都比较平衡,之前被人诟病的小排量涡轮增压发动机后程乏力,功率“甜区”窄的问题并不突出(延伸阅读:《那些小排量涡轮发动机迈不过的坎》),以1.5L的基础排量而言,算非常优秀了。

本田L15B 1.5T引擎即使是低功率调校,最大功率输出也达到了110kw,与大众1.5TSI的低功率版本相比,等同于2.0L自吸与1.8L自吸的差距。本田L15B的最大输出扭矩为203牛米,最大扭矩平台从1600rpm开始,一直持续到了5000rpm。也就是说L15B 1.5T的低扭表现是不及大众1.5TSI的,但胜在后劲更足,比大众延后了1000rpm,如果驾驶者喜欢本田VTEC引擎的出力方式,那么L15B显然在快跑时更有激情。L15B的功率曲线也非常线性,类似自然吸气引擎。6000rpm~6500rpm这一段红区,L15B的峰值功率衰减状况好于大众1.5TSI,L15B更愿意让驾驶者尝试红线换档,虽然这只是一台买菜车的引擎。。。。

【1.5TSI evo 的VGT涡轮】

大众1.5TSI引擎的涡轮介入更早,低转速起压更迅速的原因就在于使用了一颗VGT可变截面涡轮,这是来自大众旗下保时捷911 Turbo引擎的技术。

VGT可变截面涡轮技术就是通过ECU控制的伺服电机执行机构去改变涡轮叶片的角度,这样就可以改变进入涡轮废气的流量和流速,等同于改变涡轮本体的A/R值,从而去主动控制涡轮的转速,相当于拥有了一颗体积可变的涡轮,降低Turbo Lag现象。前不久保时捷才将VGT涡轮“下放”到了保时捷卡曼的2.5T四缸涡轮增压引擎上,性能表现出色,而大众直接将VGT拿过来放在了高尔夫上,步伐不小。

【L15B的电控泄压阀】

本田其实也曾经在Legend车型搭载的C20A 2.0L V6和RDX的K23A1 2.3L涡轮增压发动机上使用过VFT(Variable Flow Turbocharger)可变截面涡轮技术,但这回本田还是保守了一些,没有将VFT下放给L15B 1.5T。为了改善小排量涡轮机的低扭问题,L15B也得有点干货才行,本田将首次出现在思域Type-R 2.0T的电控泄压阀技术“下放“给了这台1.5T引擎。电控泄压阀可在增压范围减少排气损失,保持住增压值,提升了涡轮的响应能力,结果就是在更广泛的转速域下维持足够的增压值,也达到了类似VGT可变截面涡轮的效果,但结构就简单得多,成本也更加低廉。L15B使用涡轮为三菱重工提供的TD03系列,不算什么新货。这是一颗适合小排量的涡轮,本身的响应性就不错,但L15B这颗TD03改善了叶片的形状,响应性再次提升。

虽然名字叫VTEC TURBO ,但L15B并未搭载本田招牌式的i-VTEC系统,仅在进排气气门加装了VTC可变正时系统,等同于目前主流的DVVT可变气门升程系统。

【上图为自吸版本L15B的进气气门单VTC】

与自然吸气版本的L15B发动机比较,涡轮版本取消了进气侧VTEC(i-VTEC=VTEC+VTC),但与自吸版本的进气气门单VTC(VVT)相比,增加了排气侧VTC(VVT),在过去只有本田高性能发动机才会有这样的待遇。

【双VTC示意】

在起步或者低速行驶加速的低转速情况下,双VTC通过增加进排气气门的重叠角,气缸内的扫气效果得到了提高,也促进了排气,降低泵气损失,变相提升了热效率,同时也提升了涡轮增压器的响应。在高转速的情况下,双VTC则可以减少进排气气门重叠角,增加了进气量,从而提升功率输出。

【L15B 自吸与L15B涡轮版进气口比较】

L15B 1.5T引擎将进气口的高度降低、形状改变,被称作高滚流进气道。为了保持进气涡轮,活塞顶部采用了浅碟状设计。两者都是为了提高了缸内混合气体(油气混合物)的流速、使缸内能够产生更强更大量的滚流,提升燃烧效果,提升燃油经济性。

出现在L15B自吸版本活塞裙部的低摩擦涂层继续沿用,降低了引擎内部的摩擦阻力。

L15B 1.5T重新设计了气缸盖,采用了安装孔更小直径12mm的M12小尺寸火花塞取代了常见的M14螺纹规格的火花塞。虽然只是小的改动,但也为减小进气管的布置角度做出了贡献。

L15B还在排气歧管周围布置了冷却水套,更利于冷却涡轮本体。同时在热车过程中,还可以利用排气热量让冷却液温度更快的上升。

话题回到大众1.5TSI,为了提升燃油经济性则更进一步,采用了过去只能在大众旗下高端品牌才能看到的气缸管理系统。比如兰博基尼V12引擎可以关闭一半的气缸,奥迪A8,奥迪S7,宾利欧陆的4.0T V8引擎也可以关闭掉一半的气缸,实现更低的燃油消耗。以奥迪S7为例,在搭载了拥有420马力输出的奥迪Cylinder on demand的4.0T V8引擎的同时,还能够做出9.7L/100KM的油耗表现。大众将奥迪的这套气缸管理技术下放到了1.5TSI四缸引擎上,并重新命名为ACT,即气缸可调技术。

和奥迪的V8T引擎一样,这台四缸引擎的闭缸原理依然通过一个控制器控制凸轮模块的左右运动形成,达到对需要闭缸的第二第三个气缸的进排气气门的运行和停止的控制。当车辆行驶不需要大功率的时候,ECU会自动判断是否进入闭缸状态,当ACT开始工作,第二和第三缸的进排气门不再上下动作,从而使这两个气缸不工作,四缸发动机的气缸工作顺序为1-3-4-2,关掉第2缸和第3缸后,发动机曲轴本来每旋转180度就有一次来自活塞的做功,变成了旋转360度才有一次来自活塞的做功,而车辆的传动比跟以前一样,这样行驶相同距离,喷油次数就少了一半,虽然油耗远远达不到降低一半的水平,但ACT的加入,油耗表现肯定是降低的。

大众1.5TSI引擎利用米勒循环实现了等效12.5:1的高压缩比,提高了热效率。米勒循环大家已经非常熟悉,马自达创驰蓝天引擎利用米勒循环,也就是进气气门的提前和延长关闭技术,实现了超过14:1的等效压缩比,获得了更高的热效率,但实际压缩比依然是正常的水平,所以依然可以方便的使用93号汽油。和奥托循环压缩比和膨胀比相等不同,米勒循环的膨胀比大于压缩比,有效压缩冲程更短,燃烧和膨胀过程则保持不变,从而实现了高膨胀比,同时减小了泵气损失,发动机热效率因此提升。大众1.5TSI引擎显然学到了马自达创驰蓝天引擎的精髓,等效12.5:1的压缩比并不会对油品提出高要求,95号汽油即可满足。

1.5TSI EVO使用了最新的第四代燃油直喷系统,实现了350bar的燃油喷射压力。更高的压力意味着形成更小的油滴,油滴越小,也就意味着喷射等量的燃油与空气接触的表面积更大,于是提升了燃油和空气混合燃烧效果,燃烧反应更充分,因此降低了颗粒物质的排放量,因此这台1.5TSI引擎可以满足欧盟未来几年的排放标准。

车用发动机发展了这么多年,冷却系统的变化一直不大。这台1.5TSI搭载了基于ECU控制,根据map模型的智能控制冷却系统。简单来讲,就是在热车过程中,1.5TSI引擎曲柄箱和发动机中的冷却液不会流动,降低了热损失,缩短了热机的时间。这样一来就降低了缸体的磨损(发动机的大部分磨损都发生在热车阶段),由于润滑油没有处于最佳工作温度,并不能提供良好润滑,因此发动机在热车阶段磨损很大。智能控制冷却系统的加入,可以让发动机根据预设的map图,根据不同工况和冷却液温度实现不同的冷却强度,从而保证了在各种复杂引擎工况下,都能够找到最优的冷却效果,实属发动机冷却系统的一大进步。

和本田一样,为了降低引擎内部机械磨损和运转阻力,大众1.5TSI也做出了努力,缸体被镀上了称为APS (Atmospheric Plasma Spray) 的特殊涂层,摩擦面硬度得以提升,同时摩擦系数更小更光滑,降低了运转阻力,无疑能够提升油耗表现,而降低磨损,延长了引擎的寿命(EA211 1.5TSI应该不会再烧机油了)。APS涂层还可抵抗因燃油品质不佳(含硫量高)所导致的侵蚀现象,这无疑是中国消费者的福音。

以上,本田和大众两台最新的1.5T小排量涡轮增压引擎的对抗,虽然两台引擎所匹配的都是平价的车型(高尔夫和思域),但从两者身上可以看到两大集团都在很认真的对待这样的中低端产品,毫不吝啬的将自己高端车型才会用到的先进技术下放。

本田这台1.5T引擎虽然没有采用米勒循环技术,压缩比也仅为10.6:1,但却是目前采用奥托循环的引擎中热效率最高的,达到了38%。热效率仅仅比采用了阿特金森循环的丰田第四代普锐斯的2ZR-FXE低2%,同时它还具有非常好的动力表现(实测中国版十代思域1.5T CVT版本(130kw)百公里加速做到了7.2秒),拥有出色的油耗表现,同时还可以带给驾驶者类似自然吸气引擎的线性驾驶感受,可谓优秀。

而大众1.5TSI引擎同样不差,按照大众的规划,这台引擎功率将覆盖85kw-118kw的宽阔区间,也就是说将与大众的1.0T三缸引擎做一个高低搭配,1.5TSI引擎将取代目前的1.4TSI和1.8TSI,成为大众车型动力的中坚力量,匹配从A0级到B级,从轿车到SUV,MPV的多款车型。

从这两台引擎身上,我们也可以看出厂商对于小排量涡轮发动机的改良方向,那就是更低的涡轮迟滞,更接近自然吸气引擎的线性输出,更优秀的排放,更高的热效率和更低的油耗表现,同时耐用性和可靠性也要向自吸引擎看齐。技术对抗的最终结果,就是终端的用户受益,所以汽车厂商的技术对抗,是我们愿意看到的。

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车系: 思域 高尔夫
标签: 技术解析
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