Super GT惊奇百科最终回:预燃室是重中之重 NRE是最后的伟大创举吗?
*2014-2019年期间安装在GT-R GT500赛车上的NR20A发动机,在使用Class 1新规则的第一年(2014)就获得了年度冠军,并在其后的一年成功卫冕。2020年的GT-R赛车将搭载全新的NR20B发动机参加比赛
在第十期中,让我们重温自2014年推出并沿用至今的2.0L直列四缸涡轮增压直喷发动机NRE(Nippon Racing Engine)来作为本企划的总结。
自2014年起,所有GT500赛车都采用了按照NRE标准研发的直列四缸涡轮增压发动机。这并不是四缸涡轮机第一次出现在GT500组,2002年之前,丰田Supra赛车上搭载的就是3S-GTE涡轮增压直列四缸发动机。不过,如今涡增直四的机理和当时的引擎比起来可谓是天壤之别。
众所周知,在汽油发动机中,气缸内的混合气被活塞压缩后由火花塞点燃,膨胀的燃烧气体推动活塞产生动力。而自然吸气发动机不可能吸入超过其排量的空气。但如果用燃烧废气驱动涡轮,涡轮又带动压缩机,那么就可以强行输入比排量更多的油气混合物,榨取比自然吸气发动机更多的动力。这就是涡轮增压的原理。
然而功率增加后,燃烧的汽油也更多,燃油效率会降低。这被称为“动力”型涡轮发动机。另一方面,当前GT500使用的NRE同样被称为直列四缸涡轮增压发动机,但它是以燃油效率而不是动力为主要考虑因素开发的“燃效”型涡轮发动机。近年来,随着将高压汽油液直接喷射到气缸内的直喷技术和精准控制技术的发展,以及新材料的应用,这样的“省油”涡轮已经在量产车上广泛地使用。通过少量的汽油燃烧稀薄的油气混合物,即所谓的稀薄燃烧技术,这在过去是无法实现的。
在以往的“动力”型涡轮增压器中,汽油不仅要在气缸中燃烧并产出能量,如果不使用汽油本身进行冷却气缸和排气系统的“燃料冷却”,活塞和排气系统就会因为过热而损坏。也就是说,除了输出功率,汽油还要被用在其他地方,所以虽然这些发动机可以产生大马力,但同时也是油老虎。在燃油经济性和动力性都很差的年代,这还能被接受。但是,时代在慢慢改变,节油性越来越受重视,涡轮增压发动机慢慢被视为一种不合时宜的东西。
涡轮增压发动机在性能为先的赛场上继续使用,但随着时间的推移,燃油经济性也成了赛场中的热门话题,它也因此慢慢失去地位。但是,在节能时代,涡轮增压发动机又逐渐回到了人们的视野中,先是在量产车上,然后又出现在赛道上。出现这种趋势的原因是基于稀薄燃烧技术的“燃效”型涡轮增压发动机的出现。
*由于要更换在2013年及之前使用的3.4LV8自然吸气发动机,三家制造商在新引擎的研发阶段和实装的第一年都频繁出现问题,还遭受过和涡轮相关的热损伤。如图是2014年第二轮在富士赛道起火的GT-R,是因为直列四缸的震动导致燃油收集器出现裂纹而造成的
新一代涡轮是如何“降低油耗,提升动力”的?
与老式“动力”型涡轮机相比,“燃效”涡轮增压器向气缸内输送的汽油更少。这是因为涡轮加压推入的只是“空气”。为什么增加空气量会提升功率?如上所述,发动机的动力是在气缸内发生燃烧,燃烧气体发生爆炸性膨胀产生的。汽油在这个过程中充当燃料,但我们应该注意的是“燃烧气体”这个词。
燃烧气体不单单是由汽油燃烧产生的。汽油燃烧时会产生高热量,但此时,本身不会燃烧的空气也会吸收热量而急剧膨胀。也就是说,燃烧气体包含了汽油和空气。自然地,空气越多,燃烧时吸收的热量就越多,空气就越膨胀,压力就越大,这就意味着更高的功率。但空气越多意味着汽油的比例就越小,即油气混合物更“稀薄”。如果只是把空气推入老式的动力型涡轮增压发动机,混合气就会变得非常稀薄,发动机反而无法运转。如果试图强行启动发动机,就会发生爆震或异常燃烧,活塞可能会熔化或破裂。
但是,随着稀薄燃烧技术的创造,即使油气混合物非常稀薄,也能让发动机顺利运转。另外,汽油直接喷入气缸内时,汽化潜热可以冷却气缸内部,所以不需要像老式发动机那样非常麻烦地用汽油本身冷却气缸。另外,随着电子控制系统的进步,如果精确地控制点火正时,即使在压缩比远高于老式涡轮机的情况下,也可以避免缸内爆震。因此,新一代的燃效涡轮机可以使更少的汽油和更多的空气在气缸里膨胀,在减少油耗的同时提升功率。
此外,近年来,不仅仅是火花塞点火,气缸内还设置了称之为预燃室的副燃烧室。在预燃室里点燃少量的浓混合气,并向气缸内喷射浓烈的火焰(湍流喷射系统)。稀薄油气混合物有效燃烧的技术越来越普及,进一步地提升了燃效涡轮增压引擎的性能。乍看之下,NRE和过去的动力型涡轮增压引擎没多大区别,但内里的机制已经演变得截然不同。
*2014-2016年,GT500中的NSX Concept GT搭载的HR-414E引擎。据说预燃室实在2016年下半年引入的。2017年,它进化为HR-417E,并在2018年赢得了年度冠军
日式燃油限流器是另一个惊人创举
于是,新时代的节油引擎诞生了,但是如果在比赛中不加限制地使用燃料的话,它也就失去了意义。在以前,比赛中的燃油总消耗量被限制,并通过截止阀调节涡轮增压值,但考虑到节省燃料的理念,这些手段是消极被动的。而在日本,一种调节瞬时燃油流量的限制器与NRE一起被开发出来。
瞬时燃料流量限制,一方面限制汽油的使用量,另一方面,对与环境破坏无关的空气随意使用,以提高燃效涡轮性能的积极想法为基础。NRE的瞬时流量调节限制器是一种通过节流孔将汽油流量调节到一定水平的机制,其原理类似用于平衡性能的进气限制器。但与气体不同的是,用节流孔挤压液体时,液体不能被压缩,因此它会突然达到临界空化状态,并立刻蒸发为气体。
如果出现这种情况,有可能会无法满足发动机燃烧所需的燃料流量,从而导致发动机失火,在高速行驶中突然失速,造成追尾等危险情况。F1大奖赛引入了电子流量控制,采用超声波监测替代物理流量控制。而日本的工程师将节流孔和电子控制相结合,创造出了一种稳定安全的瞬时燃油流量限制系统。
日本的机械式瞬时燃油流量限制器结构简单,易于管理和维护,在加重性能限制下也能轻松使用,可以说是领先于赛车发源地欧洲的惊人机制了。
*2014-2019年雷克萨斯在RC F和LC500的GT500赛车上使用的RI4AG发动机,分别在2016、2017和2019年夺得年度冠军