后燃油车时代的引擎改装经验，商家不会告诉你的秘密

有的吃

前言：仅仅本人经验，一些费用为我了解到大概价格，并非绝对价格。这个帖子涉及的理论较多，图片较少，比较乏味。

主角呢，是我的F30 328，从15年入手到现在，接近10万公里。在18年换过一个发动机，当然换了发动机后也完美使用了5万公里了。
随着电车越来愈多，性能越来愈强，曾经标称5.9破败的328在加速性能上也跟不上时代的潮流。虽然我用外挂电脑自己特调能跑出接近5秒，但因为马力问题，120以后的加速能力衰减比较严重。

去年折腾完R8后，我折腾了好几个涡轮，有原厂换叶片的，也有原厂加大叶片掏心的。其实对于任何的车子来说，原厂掏心其实是最简单的选项，即拆即用。缺点的马力提升不会有完全重做管路的第三方改装涡那么大，但是好处是费用低廉。
比如N20换一套G25涡轮，做完整个管路至少需要5万元的费用，在不强化缸体和不使用特殊燃料和酒喷的情况下，最大马力估计是350-400匹。但是这样提升的马力似乎又不值这么多钱，再强化发动机，又是2万。整体强化后也许能到450匹，在花费将近7万元后还要担心发动机组装是否完美，各种管路的连接处是否稳定可靠，每次验车的麻烦程度和额外费用。

但是原厂掏心涡轮在同样条件下，仅仅花费1-2.5万元的情况下，就能获得300-360匹，不影响验车，那么是否很有吸引力？

N20前后期涡轮的涡壳有少许区别，涡轮进气口处一个有台阶设计，一个没有。也许直径稍有区别（当时条件限制，用的卷尺，不是游标卡尺）


左侧原厂直径高流量排气叶片轴心，右侧原厂直径强化叶片轴心


左侧是目前我车子上使用的加大涡轮，可以看到进气压缩叶片的比右侧原厂规格大了不少




在深入之前，让我们回顾一下废气涡轮的工作原理。废气带动排气端叶片(以下称为turbine wheel)，能量通过轴心传递给压缩端叶片（以下称为compressor wheel），压缩叶片压缩空气进入气缸。

在管道内部空间一定情况下，压缩进入气缸的空气越多，压力越大。燃烧后出来的废气也就越多，这会导致turbine wheel被吹动的更快。为了防止这种情况，于是现在涡轮上有了旁通阀和泄压阀这样的双重保障。旁通阀来控制气流通过turbine wheel的多少，泄压阀控制进入气缸压力的多少。
关于涡轮起压的快慢是这样的：旁通阀关度越多，通过turbine wheel的气流也越多，涡轮转起来越快，也就是起压越快。

关于涡轮叶片的设计，不同的设计会有不同的平衡点。但是基本上规律如下
turbine wheel同样的情况下，compressor wheel叶片越多，越利于起压，但是会减少空气流量。
compressor wheel同样的情况下，turbine wheel叶片越多，排气阻力越大，越利于起压，但是会减少废气流量。


这里介绍如何计算发动机功率，参考资料来自盖瑞特：https://www.garrettmotion.com/zh ... o-turbo-any-engine/

首先计算这个马力所需的空气量，公式为Wa=HP*A/F*BSFC/60
HP为目标马力，A/F为空燃比，BSFC为单位燃料消耗率，对于普通汽油涡轮车大概0.5-0.6（更好的燃料和燃烧效率可以降低燃料消耗）。即1马力需要的燃料,单位是 lb/(hp*hr)，计算中要把HR小时除60转为分钟
1 目标飞轮马力
2 排量
3 最大功率转速
4 环境条件（进气温度、空气密度等等）
低海拔环境温度30多度，进气温度55度前提下，以6000转280匹为目标，我们计算一下
Wa=HP*A/F*BSFC/60，HP=280、空燃比A/F取12:1、BSFC取0.5（garrett的技术文档建议了一些参数：汽油0.46，柴油0.36，E85是0.6,酒精是1.05，赛油0.42。那么我们用建议的汽油参数也计算一次）
BSFC取0.5的情况下     280*12*0.5/60=28磅
BSFC取0.46的情况下   280*12*0.46/60=25.76 磅  (为方便下面计算，取26)

然后计算需要达到这个马力需要的进气歧管压力，和涡轮压力

MAP=[Wa*R*(460+Tm)] /[Ve*(N/2)*Vd]
Wa=28/26（上面的计算结果）、空气常数R=639.6（方便计算取650）、Tm是进气温度华氏度=130F（55度摄氏度）、发动机填充效率取Ve=90%（和气门数量以及转速有关，排气通畅四气门高转速情况下效率可以达到95-99%，我这里取90是考虑到涡轮叶片和非直通排气的阻力）、转速N=6000、排量Vd=2*61.02=122.04CI
代入公式得到
[28*640*(460+130)] / [ 0.9*(6000/2)*2*61.02 ]=32.18
[26*640*(460+130)] / [ 0.9*(6000/2)*2*61.02 ]=29.79

这个32.18和29.79PSI 是需要的进气歧管压力，但是由于中冷器和其他造成的压力下降，大约2-3PSI，我们还要加上去，就取2PSI，再减去标准大气压14.7和空滤造成的1psi大气压损失，那么就是
32.18+2-(14.7-1)=20.48PSI
29.79+2-(14.7-1)=18.09PSI

燃油效率低一些的情况下，涡轮需要更高的压力。接下来我们为了方便，取20psi

也就是低海拔环境温度30多度，进气温度55度前提下，一台2.0L的涡轮发动机要在6000转获得280匹，那么需要20psi压力


当然以上的计算是没有考虑到各种变量的，比如不同转速VE的区别，不同压力VE的区别，更多气流的VE和BSFC的改变等等。



大体上：发动机功率=扭矩*转速
最大转速一定的情况下，要提升功率，就必须增加扭矩。增加扭矩的方法有增加点火提前角和增加燃烧后气体的推力。


增加点火提前角案例来自于HP学院ECU调教教学：
丰田86，连接ECU调试设备，并且在马力机上显示实时扭矩，油门开度27%，转速固定3500转。

点火提前20度（机显20），实时扭矩30牛


点火提前24度（机显22.3），实时扭矩42牛


点火提前30度（机显28.3），实时扭矩63牛


点火提前36.5度（机显34.9），实时扭矩74牛


点火提前41.5度（机显40.3），实时扭矩81牛


点火提前45度（机显42.4），实时扭矩82牛


可以看到同样转速，点火提前角从20提前到40度，就能获得2.6倍的扭矩。也就是2.6倍的马力。而41-45度的点火基本是这个转速能获得最大扭矩的设置，继续增加扭矩反而开始下降（我没有截图）。这个案例只是讲解点火提前和扭矩的关系，在全油门的时候这样的点火提前会毁掉发动机。

我们大致推算一下可以的得出在30度之内，1度的点火提前可以获得大约3-4%的扭矩提升，30度以上每1度的点火提前可以获得的扭矩提升开始逐渐降低。
一般汽车在1，2档全油门低负载的情况下红线转速点火可以到15度，3档开始降低到10-12，4档继续降低。


看完了点火提前角和扭矩的关系后，我们看下怎么提升燃烧后气体的推力？推力和爆炸后产生的压力有关。那么压力是和参与燃烧的空气多少，燃料多少有关的。

打个比方，在气缸里点燃0.5克的炸药爆炸产生的能量，用来推动活塞的话，推力是肯定少于1克炸药的。推力会随着炸药（燃料）的增加而增加，直到空气不够用，不足以让燃料完全燃烧。

那么涡轮的作用就是让更多的空气进入气缸，传感器会根据进入的空气多少来提供燃料。进入的空气越多，燃料也就越多。燃烧后产生的推力（扭矩）也就越多。
涡轮叶片不变的情况下，更高的进气压力才能让更多的空气进入气缸。而更换成扫风能力更强的涡轮，就有可能在更低的压力下提供相同甚至更高的空气流量

简单说下涡轮的AR值，AR值越大，turbine wheel前部管道能能通过的气流越多，但是流速变慢，难以推动涡轮叶片，所以低转速响应变慢高转速性能得到提升。AR越小，气体流速越快，低转速响应越好，但是高转速性能劣化。非性能车型的原厂涡轮的AR值一般不大，因为更多考虑的是日常1500-3500的表现。要改变AR值，只能换成第三方涡轮。
那么掏心涡轮在不改变AR值的情况下怎么提升高转速性能呢？1.可以使用高流量优化设计的turbine wheel。如减少叶片数量和改变叶片造型等等。2.改变compressor wheel的扫风能力。


这里要加入一个压力，流量，流速的概念。很多人认为压力越大，流量越大，流速越大，但是其实并完全不正确。流量和压力关系不大，流速和压力（差）有一定关系，但不是比例关系。而且不是压力差越大流速越大，比如你用水管浇花，不捏住水管，流量最大，压力差最小。你想浇的远一点，那么捏住水管，水管内压力变大，和水管外压力差也变大，但是流速和流量反而变小。极端情况是捏死水管，压力差最大，但是流速流量为0。

再回到涡轮上，基本所有涡轮车刷ECU都是增加涡轮压力，让更多空气进入气缸。但是由于原车涡轮的特性，所以获得的提升也是比较有限，有限指的是厂家的高功率机型，因为最终极限都差不多。以宝马为例，N20 低功率184匹，高功率245匹。都可以通过刷ECU来达到260-280匹，对于高功率机型，仅仅提升30-40匹，而低功率机型可以提升60-90匹。
既然增加压力就可以获得更多的送风，那么为什么不继续增加压力来获取动力呢？首先，压力和流量并不成比例提升。而且更高的压力，会带来更高的温度和更低的密度，降低燃油效率，而且更高的进气温度更容易早燃和爆震，让ECU减少点火提前，当然涡轮本身的设计和强度也有限制。涡轮轴心会因为压力产生从中心向叶片端的拉力，压力越大，拉力越大。还有叶片的材料和设计都限制了更多压力的可能性，也许轴心偏磨拉断之前叶片会先断裂。

这是TD04涡轮的map，纵向为压比，横向为送风。压比是 出气口压力/进气口压力 ，之前的例子得到的数值 （32.18+2)/(14.7-1)=2.49。
可以看到浅蓝色范围，越接近中心区域，压力和送风平衡越好，越边缘效率越差。而我们计算结果2.49的压比情况下，送风只有0.13 立方/秒。即便按照TD04H的送风能力，也只有0.16-0.17立方/秒 。气温20度情况下，空气密度约为1立方米1.2kg。也就是涡轮能提供0.19-0.2kg/s,换算后得到24.6-26.4磅/分钟，达不到计算所需的280匹需要28磅的送风。当然公式是没有考虑各种变数的，实际情况可能会有所变化。但可以得出，用普通汽油的情况下，原厂涡轮撑死了只能到280匹左右。





而且在废气涡轮上，过高的进气压力会产生严重的背压，也就是排气气门到turbine wheel之间这段管路的压力会达到进气压力的2-3倍。也就是说如果进气压力22psi，接近1.5bar，那么背压会高达44-66psi，3-4.5bar。过高的压力会严重阻碍气缸填充效率从而影响燃油效率和增加气门负担，而阻碍功率提升。

那么更换成送风能力更强的compressor wheel或者流量优化的turbine wheel就可以突破原厂涡轮的限制，从而改变功率曲线。代价就是舍弃一些低转速的响应和功率，获得中高转速的功率提升，而掏心涡轮便是这样的产物。


回顾下上面说的，空气和燃料的混合物燃烧后才产生能量，混合物越多，能量越大。所以我绝对非极限改装，涡轮的主要取向应该是流量（空气输送量），而非压力。但是商家宣传的都是可以打多少压力，宣传压力就是马力。忽悠的很多顾客也是只追求压力，而忽略的流量。所以经常产生换了涡轮，压力高了不少，马力没增加多少的情况。
客户不满意那么怎么办呢？上酒喷系统，改变燃料效率，降低进气温度，增加点火提前角就能解决。这样的方法当然没问题，但是我不觉得在一辆日常驾驶，而且需要验车的汽车上安装酒喷系统的合理性于稳定性有多高，更多的只是商家赚钱的手段而已。当然也不排除商家自己确实不懂这方面知识，只是装配工角色，据我所知这种商家起码占到80%左右。


我的经验是通常情况下，每磅/分钟的空气流量可以产生10匹马力，如果能得到涡轮的工况图，就可以很方便的选择涡轮。但是第三方改装的掏心涡轮是大都没有工况图的，所以就需要很多次的实验，才能得出。
为了得到下面数据，花费了不少钱，由世界N20马力记录创造者提供，因为我在他处消费不少，而且沟通愉快，所以他提供给我N20各种主流掏心涡轮的流量数据。这些数据来自他服务过的全球各地N20使用者。

TTE400  35-36lbs/min @ 6000 RPM @ 22-24PSI
PS2  33-34lbs/min @ 6000 RPM @ 21-23PSI
Mambatek "Extreme" stage 2 Turbo  34-35lbs/min @ 6000 RPM @ 23-25PS1
Mossleman MSL-35  34-35lbs/min @ 6000 RPM @ 21-22PS1
1Custom Turbo Stage 2 turbo  32-33lbs/min @ 6000 RPM @ 23-25PSI
2Custom Turbo Stage 2 turbo  34-35lbs/min @ 6000 RPM @ 24-25PSI
Vargus Stage 1 30-31Ibs/min @ 6000 RPM @ 21-23PSI
Dinan Stage 1 30-31Ibs/min @ 6000 RPM @ 21-23PSI
MHI TD04 Stage 1 30-31Ibs/min @ 6000 RPM @ 21-23PSI

可以看到一阶涡轮基本都能达到30磅的流量，而原厂涡轮只能达到26磅。也就是说换成一阶涡轮，加上ECU调教，就能获得至少300匹的马力。换成二阶涡轮，就能获得至少340匹马力。



未完待续

改天过来

还要程序配合不知道验车会不会有问题

Wolverine

涡轮增压~~

浩海燃灯

这动手能力是真的强啊，佩服一个。

lzhdim

路过，围观。。。

超逸绝尘

不明觉厉，楼主爆赞。

lenbin521

妹纸肉偿了没 哈哈哈

瘾子

这么好的技术贴居然没多少回，我是从头到尾一字不漏的看完了，理论加上实际，LZ加油，国内的改装环境都是跟风为主

木彦orz

写的很好啊 期待后续

Jerryboy214

MARK 晚点慢慢看！

BloodRaining

机械设计制造及其自动化专业 专门几个课程关于这方面， 液气系统和控制 / 机械原理/材料力学/控制论/数字控制。后悔当年每认真学

yc43100

这么好帖回复数太少了，楼主对低功率B48素车有什么低成本的提升建议吗？F30i就是一个通勤的玩伴，不过总感觉不改不舒服，但是一窍不通

有的吃

yc43100 发表于 2022-10-4 14:32
这么好帖回复数太少了，楼主对低功率B48素车有什么低成本的提升建议吗？F30i就是一个通勤的玩伴，不过总感 ...

F底盘水冷式中冷器20i吧？前面批次用的是高功率的机器配低功率程序。你可以看下发动机型号。

宝马对低功率的限制还是挺多的，一般来说搞个1阶就可以了，再往上费用成倍增加。
高功率的话初代B48是活塞环容易爆，尤其是一些罐头程序。
所谓2阶和1阶其实没严格划分，比如A品牌1阶压力比B品牌2阶还大这种事情很常见。

所以建议自己用BM3刷1阶，后期换涡轮什么的可以BM3上找人特调。除了换涡轮这样的决定性配件之外，像换换进排气相关的配件，ECU都会自动适配的，无需特调

BM3支持转移授权一次，可以找二手序列号。

范不是

很有意思！棒棒的。

saladin0101

技术贴 太赞 LZ对B58有什么想法呢？

有的吃

saladin0101 发表于 2022-10-5 03:41
技术贴 太赞 LZ对B58有什么想法呢？

这个机器没接触过，但是按照理论推算和别人的经验来分析，原厂涡轮做个450匹日常代步应该是非常轻松的

qidiandf0001

外挂程序最大的问题是不能调节节气门开合，其实很多人tune车在意瞬压马力，忽略了恒压，N20原厂硬件情况下应该能做到1.5个bar恒压，如果锻造加大涡轮400匹可以做到，再往上，中冷酒喷600匹应该也行。

qidiandf0001

其实最简单的，锻造发动机小2w，涡轮1w+搞完配合个程序轮上300匹轻轻松松

吞大象的蛇

顶级玩家！莫非是N20之子澳龙的数据，非常赞同楼主的观点！

Kevsun

哎，BMS MAP2 开10年了，期待楼主后续啊，下面为什么没有了？

有的吃

Kevsun 发表于 2023-11-28 09:29
哎，BMS MAP2 开10年了，期待楼主后续啊，下面为什么没有了？

因为在忙别的事情。。
去年给N20做了国内甚至亚洲第一个封闭水道
今年在做国内或者亚洲第一台湿式缸套的N20

Kevsun

有的吃 发表于 2023-11-28 17:41
因为在忙别的事情。。
去年给N20做了国内甚至亚洲第一个封闭水道
今年在做国内或者亚洲第一台湿式缸套的N ...

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