问题

为什么只有保时捷911Turbo的发动机使用了可变涡轮技术?

回答
关于“为什么只有保时捷911 Turbo的发动机使用了可变涡轮技术”,这其实是一个误解,或者说是一个过于绝对的说法。事实上,可变涡轮技术(Variable Turbine Geometry, VTG,或者更常见的叫法是Variable Geometry Turbocharger, VGT)并非保时捷911 Turbo独有,甚至在很多其他品牌和车型上都有应用,尤其是柴油发动机领域。

不过,我们可以从保时捷911 Turbo的“特别之处”来理解这个问题,以及为什么这项技术在它身上如此具有代表性,给人的印象会如此深刻。

首先,要明确什么是可变涡轮技术(VGT/VTG)。

传统的涡轮增压器(Fixed Geometry Turbocharger, FGT)有一个固定的涡轮叶片角度。当发动机转速较低时,废气流量不足,无法有效驱动涡轮高速旋转,导致涡轮迟滞(Turbo Lag)现象严重,即踩下油门后需要一段时间发动机动力才会响应。而当发动机转速很高时,废气流量过大,可能会导致涡轮转速过高,输出过多的增压压力,如果控制不当,容易引起爆震或损坏发动机。

可变涡轮技术的核心在于,它能够根据发动机的工作状态(如转速、负荷、进气量等)动态调整涡轮叶片的角度。

低转速时: 叶片角度会收拢,减小涡轮内部的通气面积,使得即使是少量的废气也能以更高的速度冲击涡轮叶片,从而提高涡轮的响应速度,减少涡轮迟滞。
高转速时: 叶片角度会展开,增大涡轮内部的通气面积,允许更多的废气通过,避免涡轮转速过高,同时能够保持稳定的增压压力输出,提供更平顺的动力曲线。

那么,为什么保时捷911 Turbo会如此“固执”地使用这项技术,并且给人们留下了深刻的印象?

1. 历史渊源与技术传承:
保时捷在涡轮增压技术上的探索和应用有着悠久的历史。早在1974年,第一代930 Turbo就成为了量产车中首款使用涡轮增压的车型。自那以后,911 Turbo系列就与涡轮增压紧密相连,不断追求极致的性能。在追求极致性能的过程中,克服涡轮迟滞、提供宽泛的动力输出区间一直是工程师们的目标。可变涡轮技术自然成为了实现这一目标的重要手段。
可以说,911 Turbo在早期就将这项技术做得非常成熟,并且与这款高性能跑车的定位完美契合,逐渐形成了“911 Turbo = 尖端涡轮技术”的印象。

2. 性能导向的调校与需求:
保时捷911 Turbo并非仅仅是为了提升动力,更重要的是在高性能跑车的严苛标准下实现动力。它需要:
几乎瞬时的油门响应: 赛道驾驶或激烈驾驶时,每一次油门踏板的踩踏都期望得到立竿见影的动力反馈,丝毫的延迟都会影响过弯速度和出弯加速。VGT技术能显著改善低转速下的响应。
宽泛且强劲的动力输出: 911 Turbo的客户不仅仅是追求极速,也希望车辆在日常驾驶、赛道行驶或山路驾驶时都能提供充沛且易于掌控的动力。VGT技术使得涡轮在整个转速范围内都能保持较高的效率,输出平顺且强劲的动力。
极致的可靠性和耐久性: 跑车对发动机的负荷和散热要求极高。VGT技术在保证性能的同时,也通过精确控制增压压力,减少了对发动机部件的冲击,有助于提高可靠性。

3. 双涡轮的协同优化:
911 Turbo通常采用双涡轮设计。更早的911 Turbo(例如993 Turbo)就已经采用了“顺序式涡轮增压”(Sequential Turbocharging),即低转速时由一个小涡轮先行工作,提供快速响应,随着转速升高,大涡轮逐渐介入,接管增压任务。这个过程本身就与VGT的逻辑非常相似。
而将VGT技术应用在双涡轮系统上,保时捷能够更精细地控制两个涡轮的协同工作,实现更平滑的增压曲线,进一步消除涡轮迟滞,并将动力输出范围推向极致。例如,在某些高转速区间,即使大涡轮已经介入,通过调整小涡轮的叶片角度,也可以继续优化气流,提升效率。

4. 成熟的匹配与调校:
保时捷在将VGT技术应用到911 Turbo上时,进行了大量的研发和调校工作,使其与自己的水平对置发动机(Boxer Engine)以及整个传动系统(如PDK双离合变速箱)完美匹配。这种深度定制和优化,使得VGT技术在911 Turbo上的表现尤为出色,成为了其性能基因的重要组成部分。
相比于其他品牌可能将VGT更多地用于提升燃油经济性或降低排放(尤其是在柴油发动机上),保时捷911 Turbo则更纯粹地将VGT作为提升绝对性能的利器。

为什么会有“只有911 Turbo使用”的误解?

柴油机的普及: VGT技术在柴油发动机上的应用非常广泛,几乎成了柴油机的标配。这是因为柴油机本身的工作特性(低转速、高压缩比、高扭矩)以及对燃油经济性和排放的更高要求,使得VGT技术能够带来显著的优势。当人们提到VGT时,往往会先想到柴油机,因此忽略了其在高性能汽油机上的应用。
汽油机应用的复杂性: 在高性能汽油发动机上应用VGT技术,其挑战和成本都更高。汽油机的工作温度更高,对涡轮材料的要求更苛刻;同时,汽油机更易发生爆震,对增压压力的控制精度要求极高。保时捷在这些方面的技术积累和投入,使得911 Turbo能够成功地将VGT技术推向了新的高度,并且保持了其独特的性能魅力。
市场定位与宣传: 保时捷一直将911 Turbo定位为“超级跑车的标杆”,其每一次技术革新都会被放大和宣传。VGT技术作为其提升性能的关键一环,自然成为了911 Turbo的标志性技术之一,从而在消费者心中留下了深刻的印象。

总结来说,保时捷911 Turbo之所以如此“依赖”并以VGT技术闻名,并非因为它是唯一使用者,而是因为:

它最早且最成功地将VGT技术大规模且成熟地应用于高性能汽油发动机。
VGT技术完美契合了911 Turbo对响应速度、动力平顺性和宽泛扭矩输出的极致追求。
保时捷在技术传承、研发投入和系统匹配上做得非常出色,将VGT的优势发挥到了极致。

因此,与其说“只有911 Turbo使用了可变涡轮技术”,不如说“保时捷911 Turbo是可变涡轮技术在高性能汽油机领域最成功的代表之一,并将其推向了新的高度”。这项技术成为了911 Turbo独特魅力和卓越性能的重要基石。

网友意见

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答案很简单,因为贵啊。

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众所周知,涡轮的工作原理,是先把排气在涡轮的Nozzle中加速,使得高温高压气体中的内能转换为动能,再把动能的一部分传递给涡轮叶片,让这个叶片带动另一端的压气机(Compressor)增压空气,如下图所示,黄色的是Nozzle,白色的是涡轮叶片。

对于绝大多数涡轮增压发动机,上述黄色部分是固定的,这也就导致,一个涡轮增压器只有一个固定的工作范围,并且不能自主调节负荷。这就是为什么涡轮增压发动机在涡轮增压阶段的动力输出,需要用控制废气旁通阀来调节(详见涡轮增压发动机如何控制扭矩输出?),并且转速过高或者过低涡轮的工作都不够高效,比如为了让发动机在低转速输出大扭矩,需要一个小涡轮但是在高转速小涡轮不够有效,如果为了在高转速输出大扭矩也就是功率取向,需要一个大涡轮但是涡轮迟滞比较大(详见为什么现在的涡轮增压发动机从一两千转就输出最大扭矩但是还有明显的涡轮迟滞呢?)。


可变涡轮全称可变截面涡轮,英文可以叫VGT也就是Variable Geometry Turbine(可变几何形状涡轮)或者VNT也就是Variable Nozzle Turine(可变Nozzle涡轮),都是指上图黄色的部分可以改变形状,如下图所示。

放大看不同的角度会导致不同的喷嘴截面和气体喷出的角度,这样就可以主动控制涡轮的工作负荷,也扩大了和发动机匹配的工作范围,所以有VGT的发动机控制增压阶段的动力输出直接调节Nozzle的角度就可以了。




但是为什么这么好的系统没有什么车在用呢?很简单,因为贵。

为什么会贵?因为涡轮直接连接排气段,高温是最大的问题(汽油机最大功率点排温稳态在1000摄氏度以上,考虑不同转速不同负荷排温范围700-1000摄氏度)。

对于固定Nozzle涡轮,还是可以实现在很长时间内承受这个温度的要求的,因为Nozzle是直接和涡轮壳体造在一起的,其实就是个固定的固体。但是如果为了实现可变,就需要加Nozzle可变的机构,如下图所示,可变机构清晰可见。

有了这些,事情就没那么简单了,这不是说可变涡轮无法承受高温排气,而是无法做到在可靠地保证可变性能的情况下,还长时间承受高温排气。这个所谓的长时间就是各家整车厂自己的标准了,比如在最大功率点跑xx小时。

我知道的是,除了众所周知的抗高温合金材料还有加陶瓷涂层,当时上学的时候教授还说,保时捷是还把VGT承受最大功率排温的试验标准缩短到半个小时,这个事情才成行的。也就是说,当时这个技术的robustness还是比较低的,当然,半个小时也是足够的,因为当时保时捷的依据是,没人会开着911 Turbo在Autobahn上连续保持接近极速半个小时,主要是路况不允许。

所以整个事情最终的结果就是,VGT可行,也能满足要求,就是贵(材料制造工艺等)。好处么,就是减小一些涡轮迟滞,和改善全转速领域的动力输出。如此一来,多数普通民用车就没有什么用的必要了。


第一个用VGT的是2006年model year的997的911Turbo,之后多次经过斯图加特的保时捷博物馆,总是能看到这个“著名”的涡轮。


译文:

年度型2006,911 Turbo(代号997),因为使用了新型的抗高温合金,这是世界上第一款也能够用于汽油发动机的可变截面涡轮增压器。


咦?为什么说是也能用于汽油发动机的可变截面涡轮?

因为柴油机基本都是VGT了啊,为什么柴油机基本都是VGT了啊?

因为柴油发动机排温低(200-600摄氏度)啊,为什么柴油发动机排温低?(千万不要告诉我因为柴油发动机效率高)

嗯。。。因为柴油发动机空燃比稀啊,为什么柴油发动机空燃比稀?

因为是扩散燃烧。。。为什么柴油发动机是扩散燃烧?

因为。。。柴油性质决定的。。。嗯。。。就到这儿吧





PS:当然保时捷911Turbo现在不光是911Turbo了,还有卡宴,Macan,Panamera的Turbo,还有718的2.5T也就是718s,这些车都是有VGT的,并且因为十多年技术的进步,我猜那个实验的标准也不再是半个小时了。

还有,汽油机里,大众马上国产的1.5T也有VGT了,不过原因不太一样,他能用VGT是因为用了阿特金森循环,排温降低了,当然可能材料也得稍微好一些,据我了解采购价比wg的涡轮多30%。











以上是原回答。

至于德国高速的极限情况,根据我几十次自驾的经历来看,找一段能够不限速敞开跑的路,在周末的早上是不难的,但是要保持半个小时以上极速,那是肯定不可能的。

根据我的经验,全德国不限速的道路中,如果能敞开不限速跑40-50公里(保持速度200以上)已经算是很长的了,最长的见过100公里左右完全不限速的,但是是两条车道,40-50公里可以找到三条车道的,之后一定会遇到限速。

下面是我开一辆S6 Avant,4.0T的V8输出450马力,车1.8吨重,算上人2吨。这个不限速区间长度40公里左右,我开平均速度220km/h,如果给我RS6,做到240-260km/h是没什么问题的,超跑路况好的话可以更快一些,但是不管怎么样,那种持续半小时在最大功率点的工况是怎么样也遇不到的。



https://www.zhihu.com/video/950791995472429056

下图是对应的速度Vs.时间的曲线,速度单位公里/小时(km/h),时间单位秒(s),是从视频里抠出来的,sampling time为3秒。

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