漢蘭達車主 5500 字長文起底:8AR-FTS 到底是怎樣一部發動機?

09-26

讀完這遍文章,你會發現這位新漢蘭達的車主絕不是一般的車主;而新漢蘭達的用戶使用手冊,竟然還隱藏著這樣的奧義——小編按。

從 15 年 9 月份購入廣汽豐田全新漢蘭達 2.0T 至今已行駛 34000 公裡,一直在醞釀寫一篇使用體會,因為懶人癌拖到現在。豐田的新漢蘭達和這臺全新的 8AR-FTS 發動機在使用中帶給我的感觸很多,幹脆搞成長測文,對這款車,或者豐田全新 2.0T 發動機的長期使用狀況有興趣的朋友可以關註瞭解 。

說車之前,我想先說說這臺萬眾矚目的 8AR-FTS 渦輪增壓發動機。作為豐田 AR 系列的最新產品,豐田時隔 20 多年再次推出的量產渦輪增壓汽油發動機,可以說幾乎集合瞭豐田最近十多年所有的先進技術於一身——除瞭雙噴射、雙循環, 雙渦管渦輪,以及水冷中冷器外,還有大量豐田首次使用的技術組合。

D-4ST(Direct injection 4-stroke with Turbo)

D-4ST 直噴 4 沖程汽油發動機帶渦輪增壓的高級版本,目標很明確——盡可能提升可靠性和經濟性。

雖然在主流市場許久沒有染指渦輪增壓,甚至和其他日系品牌一起都一直給我們不屑於使用增壓技術的印象,但是 8AR 一經推出就以技術先進形象確立瞭其在市場主流渦輪增壓引擎中高起點的位置。

然而這臺集萬千寵愛於一身的新一代渦輪增壓引擎,卻在其用戶使用手冊裡列瞭這麼詳細的一段熄火前需怠速的說明,引來一陣議論——

在網絡上隨便一搜關於渦輪增壓發動機停機前是否需要怠速的關鍵詞,各傢媒體各種渠道的文章講出的內容都傾向於認為 " 現今的渦輪增壓發動機不再需要在熄火前刻意怠速。"

而豐田這樣的要求有人說是因為 8AR 發動機沒有延時冷卻系統,懷疑豐田拿閹割版賣給國內(實際上英文版的雷克薩斯也有這一段);也有小白質疑豐田的 8AR 沒有中冷器(WTF?); 由此認為豐田全新的 8AR 不咋地,油耗高,很落伍,加油還得喝 95……

真的如此嗎?為什麼以前的渦輪增壓車都強調要熄火前怠速?知其然,知其所以然——

渦輪增壓器基本原理結構圖

大傢對渦輪增壓器的基本工作原理應該都很瞭解瞭,利用發動機排出的廢氣能量驅動渦輪高速旋轉,渦輪帶動中間軸連接的另一側壓氣機泵輪往氣缸裡壓入更多的空氣以提高輸出功率。

汽油發動機的渦輪增壓器的工作轉速普遍在每分鐘幾萬到十幾萬轉,以豐田 8AR 為例,其搭載的豐田自產渦輪增壓器的最大工作轉速可達每分鐘 18 萬轉。(想象一下轉軸和軸承的相對滑移速度高達 180km/h)

連接渦輪和泵輪的中間軸工作在每分鐘十幾萬轉的轉速之下

而廢氣渦輪端因為直接與發動機氣缸排出來的高溫廢氣親密接觸,在負載下,汽油機渦輪的工作溫度可達 900 ℃以上。(柴油機渦輪因為發動機的工作方式不同,溫度要低得多,通常隻有汽油機的一半。)

NX200T 宣傳視頻中燒得通紅的 8AR 渦輪殼體

在如此高溫高轉的惡劣工作條件下,如何保證渦輪增壓器中間軸的正常冷卻和潤滑。除瞭在渦輪中間體設置隔熱腔,佈置冷卻水道等措施外,還有渦輪增壓器的轉軸普遍采用的浮動軸承——渦輪增壓器中保證其可以在如此惡劣的環境下正常工作的最關鍵零件之一。

一種渦輪增壓器內部結構,各門各派大同小異,圖中右側為廢氣渦輪端

浮動軸承按字面理解就是漂浮在潤滑介質中的軸承,其高轉速下工作穩定精度高,摩擦功耗低溫升易控制,壽命較其他滾動式軸承長的特點,特別適合應用於渦輪增壓器這樣高溫高轉,轉軸不承受額外徑向剪切力的場合。

上為浮環和軸都可懸浮旋轉的全浮式軸承,下為軸承固定隻有中間軸懸浮旋轉的半浮式軸承

簡單來說浮動軸承就是利用瞭流體的原理。軸在旋轉時因為摩擦力作用,帶動瞭軸和軸套間隙中的潤滑油一起往旋轉方向流動,因為軸和軸套的配合中間存在楔形間隙,使得潤滑油流動通道變小,潤滑油受到擠壓而產生瞭油壓。(想象一下為瞭讓水噴得更遠而捏住膠皮管子)

油壓的產生使得其對轉軸形成瞭一定的向上作用力,當轉速越來越高,油壓達到一定值時,潤滑油就可以將軸抬起(站在消防水帶上高壓水流可以將你抬起),使得軸和軸套之間形成一層流動的油層讓轉軸完全漂浮在潤滑油中,形成流體潤滑。

軸和軸承之間必須存在收斂的楔形間隙

為瞭表達清楚,圖進行瞭誇張,實際軸和軸承的配合間隙隻有一兩根頭發絲那麼大。

轉軸帶動潤滑油達到一定轉速時,楔形間隙中產生的油壓將轉軸托起懸浮在油液中

全浮動軸承可以使軸和軸套全都浮在潤滑油中,形成瞭內外兩層油膜,所以潤滑條件以及抗轉體振動性能更好,工作更穩定。半浮動軸承的軸套是固定的,隻有轉軸在中間懸浮。

雖然原理很簡單,浮動軸承實際在設計過程中需要經過復雜的流體計算,還要結合所匹配的發動機的機油粘度、機油壓力、工作溫度等等諸多因素。

嚴酷的工作條件加上其內部組件極高的材料和加工要求,使得現在主流的渦輪增壓器基本以美日等發達國傢的實力廠傢為主(博格華納、霍尼韋爾、IHI、三菱等等 ……),即便是售價便宜的國產車們也得采購洋品牌。

寶駿 1.5T 發動機采用的霍尼韋爾半浮動軸承渦輪增壓器

總結一下浮動軸承流體潤滑形成的必要條件:

1. 相對運動的兩表面之間必須形成收斂的楔形間隙;

2. 被油膜分開的兩表面需要達到一定的相對速度,帶動潤滑油流動的方向必須從楔形間隙的大口進小口出;

3. 潤滑油需要一定的粘度,而且必須充分的供油以保證相對運動的量表面之間可以形成穩定持續的油膜,並迅速帶走工作熱量;

因此,結合渦輪增壓器高溫高轉的工作環境,對它最嚴酷的工況無外乎以下兩點:

a. 發動機在高負荷工況下運轉時,供油不暢,甚至突然中斷供油;

這樣會造成渦輪增壓器中間軸和軸承在缺油,甚至無油的情況下高速運轉,使得潤滑和散熱不良,渦輪中間軸和軸承直接接觸很快磨損,或直接抱死,或配合間隙變大,進一步使得渦輪增壓器出現異響、振動、油封漏油、渦輪和殼體碰撞損壞等情況;

無論是二三十年前,還是今天,采用浮動軸承的渦輪增壓器都需要避免出現這樣的工況。

潤滑不良造成的磨損和熱變色

機油臟或缺機油造成的軸承損壞

b. 發動機在高負荷工況下運轉後,馬上停機;

發動機停機後油泵停轉,機油循環即停止。而熄火前渦輪轉軸可能正工作在十幾萬的高轉下,熄火後在慣性作用下會造成短時間的缺油運行(以近 200 公裡時速飛速滑移的中間軸和軸承,一兩秒就可以排幹細如頭發絲的間隙中的油層變成無油狀態,5 秒以後即變成金屬對金屬的幹摩擦造成磨損,因此正常工作時需要一定壓力和流量的機油不斷註入)

高負荷工況下馬上停機,還會造成渦輪端和排氣管的高溫產生熱倒流,使增壓器溫度升高,中間體的油道和軸承處殘留的機油受高溫烘烤,劣化變質堵塞油路,碳化顆粒也會加劇磨損轉軸和軸承,最終導致增壓器損壞的結果。

在過去,高負荷運轉後立即停機的熱倒流效應對渦輪增壓器造成的負面影響是巨大的。

SAAB900 汽油機渦輪和標致 604D 柴油機渦輪的熱倒流對比

以上世紀 80 年代經典的 SAAB900 2.0T 渦輪增壓發動機為例,在臺架上以 160km/h 的時速高負荷運行後,停機 3 分鐘左右軸承溫度便從 110 ℃迅速飆升到 300 ℃以上。

SAAB900 Turbo

2012 年戰鬥民族對多款機油進行瞭一次 400 ℃的高溫測試,僅僅 1 分鐘的時間,很多機油都出現瞭碳化的情況。

以 400 ℃加熱機油 1 分鐘的試驗

移步看更多:https://www.chiphell.com/thread-610824-1-1.html

可想而知,在上個世紀汽車剛剛開始興起渦輪增壓的七八十年代,渦輪增壓器本身結構以及相應的冷卻和潤滑條件還不十分成熟的情況下,渦輪增壓引擎需要熄火前額外的怠速冷卻時間是多麼重要。

雖然水冷中間體的渦輪增壓器早在上個世紀八九十年代就已經開始普及瞭,但是缺乏電子水泵的支持,發動機熄火後,從發動機缸體中引進來的機油和冷卻液也同時停止瞭循環。機械水冷效果比純油冷有一定改善,但渦輪軸承的溫度依然可以升到近 200 ℃,已經接近大部分機油的閃點。

以三菱 TD05 水冷渦輪增壓器為例,高負荷停機後的熱倒流軸承溫度近 200 ℃

隻有裝備瞭渦輪獨立水冷循環後,增壓器的軸承溫度才能得到更好的控制,軸承的工作條件得到改善,渦輪增壓器的壽命也就更長瞭。

采用獨立電子水泵延時冷卻的渦輪軸承熱倒流溫升對比圖

因此,裝備瞭獨立水冷循環的渦輪增壓車型基本不用擔心高負荷運轉後的熱倒流問題,比如大眾集團現在的 TSI 發動機們。

具備兩套水冷循環的大眾 TSI 發動機

各位使用豐田 2.0T 發動機的車主,也可以不用擔心你們的渦輪增壓器有冷卻的問題,8AR 也有一套獨立的渦輪增壓電子冷卻系統,可以在發動機熄火後持續進行冷卻降溫。但這並不代表著你就可以在高負荷運轉後立刻停機。

8AR 的渦輪獨立冷卻系統

現在的絕大部分發動機都無法避免高負荷運轉後馬上停機導致機油泵停轉、發動機供油中斷的問題,尤其是現在的渦輪增壓器為瞭獲得更快速的響應和更大的壓榨動力,越來越輕量化,轉速越來越高,動則十幾萬轉的高轉速下立即熄火容易造成磨損,降低渦輪增壓器使用壽命。

那麼我們再回到這張表時就很好理解瞭。

城市路況基本可以忽略,本來就跑不太起來,就算遇到紅燈停車、進車庫停車場找車位等情況的怠速滑行時間足夠瞭。( 當然,有激烈駕駛、地板油、頂著油門到紅燈面前重踩剎車等習慣的,還是關瞭自動啟停吧)

高速公路這種長時間高負荷工況(指溫度,高速巡航發動機處於高效區間,空燃比較高燃燒較稀薄,發動機排氣溫度比市區駕駛更高)需要怠速 1-3 分鐘很正常也有必要,因為 3 分鐘基本是一個穩定運行的熱機在停機以後,熱倒流效應達到最大值的時間(以我以前在發動機研發部門工作的經驗也是如此),怠速 3 分鐘不但有利於發動機包括渦輪增壓器在內,所有有熱積累的重要部位從高負荷工況下充分冷卻,而且也足以使渦輪轉軸穩定下來瞭。

不過我建議搭載豐田 2.0T 發動機的車主們,在山路,賽道和高速公路上駕駛時主動關閉自動啟停系統,因為 8AR 的自動啟停激活條件中,並沒有發動機工況和渦輪溫度的條件限制,所以你在這些路況下駕駛時遇到突發狀況很容易控制不當,造成發動機在高負荷狀態下突然關閉。而停車場就在路邊很近那種高速路服務區,也別急著沖進去就停車熄火,提前預判給足滑行距離,或者等上 1-2 分鐘再熄火。

高速路上關掉它

而翻閱瞭比較主流的其他幾傢采用渦輪增壓發動機的車型使用手冊,包括奧迪、大眾、福特、現代等在內,均對渦輪增壓發動機熄火前需怠速有所描述。

大眾途銳,途觀,邁騰等 …… 說明書打臉瞭

奧迪 Q5

國產銳界、撼路者、翼虎、福克斯

北京現代全新勝達

哈佛 H9

PSA 雖然在用戶手冊裡沒有關於渦輪增壓器的使用註意描述,但是微博上提到建議延遲熄火,以延長軸承壽命

博格華納渦輪增壓器日常使用註意事項,熄火前有一段 3-5 分鐘的低速運行時間最好

然而同為博格華納 KKK 渦輪用戶的奔馳、寶馬、沃爾沃、通用等,在用戶手冊裡對渦輪增壓器的註意事項就隻字未提瞭,也許是我看漏,麻煩各位車主驗證一下 ……

當然也有可能你的車具備以下高科技 ……(基本是不可能的)

滾珠軸承渦輪增壓器

除瞭傳統的浮動軸承,在性能車和售後改裝市場也很有多使用滾珠軸承的渦輪增壓器。

滾珠軸承的潤滑條件比浮動軸承輕松多瞭,因為不再需要大量的機油輸送形成穩定油膜潤滑(一般的滾珠軸承其實也有油膜,但是在十幾萬轉的渦輪裡面可以忽略,基本靠滾珠和軸環硬懟,因此其耐久性成為最大難題),隻需要機油發揮散熱作用,所以滾珠軸承需要的機油量最多隻有浮動軸承的 25%-50%,再配合獨立冷卻系統基本沒有高負荷立即停機的潤滑和熱倒流問題。

同時滾珠軸承的低速摩擦損失更低,因此響應更快,使得發動機低速扭矩得到提升,獲得更細膩的動力輸出特性,加速性能也得到提升。但是渦輪增壓器在達到額定的增壓轉速區間後,滾珠軸承和浮動軸承之間的摩擦損失差距相對發動機滿狀態的輸出已經沒有影響瞭,所以在彈射起步、純拼馬力全開的直線加速賽場合正好規避瞭低速區,滾珠軸承發揮不瞭優勢。

突然急加速時渦輪響應曲線,綠線為滾珠軸承,紅色為浮動軸承

而為瞭保持和浮動軸承一樣的高耐久性,滾珠軸承內部需要采用昂貴的特殊材料,否則壽命很短。在高昂的價格和低耐久性面前,滾珠軸承渦輪增壓器在潤滑和低速性能提升上優勢顯得就不那麼重要瞭,因此其多存在於強調性能的高端車和改裝市場。

綜上,我認為現在主流的渦輪增壓發動機車型,在正常駕駛的前提下並不需要在熄火前刻意怠速。

在山路、賽道、高速公路等高負荷工況下,應盡量避免突然停機導致的供油中斷和熱回流現象(沒有獨立電子水冷系統的車型)。激烈駕駛後進行一段距離足夠長的慢速滑行足矣,也並非傻傻的原地怠速 ……

豐田的 8AR 在說明書中的特別提醒並不是因為什麼技術含量低的關系,而是在提醒用戶,這樣做可以讓你的渦輪增壓器活得更久!

雖然高負荷駕駛後馬上熄火並不會立即損壞渦輪增壓器,但是這種日積月累的磨損,加上一些發動機本身容易積碳燒機油,以及用戶可能不正規的保養和維修,總有一天會產生質變。而渦輪增壓器出保後自己花錢換可不便宜,少則幾千,多則上萬 ……

萬一你的 8AR 渦輪增壓器故障瞭,查明原因後是可以單個零部件更換的,別動不動被叫去換總成 ……

所以,如果你愛惜自己的車,希望長期持有,對於渦輪增壓車型我有如下建議——

1. 堅持使用 OEM 推薦的正確品牌及牌號的渦輪增壓發動機專用機油;(型號不對來路不明的機油不知道會發什麼;而粘度不對的機油無法使浮動軸承形成穩定的油膜,長期使用加速磨損)

2. 按規定間隔進行保養,不要使用來路不明的空濾和機濾;(空濾不合格會導致雜物進入進氣道,快則立即損壞壓氣機泵輪,慢則附著在泵輪表面破壞動平衡,長期偏心振動慢性磨損;劣質機濾無法有效過濾機油中的雜質,堵塞油路或者流進渦輪增壓器後,就沒有然後瞭)

3. 有嚴重積碳和燒機油的發動機不要放任不管,盡快處理對發動機和渦輪都好;(渦輪也會因噴出含有機油的廢氣繼續燃燒而被積碳、被腐蝕,慢慢失去動平衡開始磨損;機油燒太快,整個發動機包括渦輪增壓器都長期處在缺油,低油壓的狀況下,冷卻惡化、磨損加劇)

4. 不要長期往冷卻液壺裡加自來水,水垢堵瞭冷卻水路全完蛋 ……

5. 如果渦輪增壓器故障,不要去野雞店維修,不要圖便宜買山寨高仿渦輪,渦輪增壓器的維修安裝調試均需要專業人士專業設備的幫助。(我開始擔憂之前從來沒有經營過渦輪增壓車型的國內豐田 4S 瞭)

其實,以上幾點基本上和一般的自然吸氣發動機沒有多大區別,渦輪增壓發動機也不是那麼難伺候的,前提隻是你要有一臺健康的發動機。

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