遠(yuǎn)不止改善渦輪遲滯

——《公路與賽道》雜志專訪報道

目前，汽車工程師比以往任何時候更加追求高效率。內(nèi)燃機搭載渦輪增壓器非常有助于提高給定排量發(fā)動機的功率和效率，在過去的十年中，越來越多的小型渦輪發(fā)動機取代了體積較大的非增壓式發(fā)動機。然而，渦輪增壓器本身遠(yuǎn)未臻于完美。

作為一款初級裝置，渦輪增壓器的加速時間較長，轉(zhuǎn)軸完全由廢氣流控制，浪費了大量廢氣，而且溫度很高。此外，傳統(tǒng)的渦輪增壓器運行時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到最高速度，因為一旦超過最高速度，渦輪增壓器和/或發(fā)動機可能受損。

電動渦輪增壓器的應(yīng)用使很多此類問題迎刃而解，同時它還有許多其他優(yōu)勢。

快速總結(jié)渦輪增壓器的基本知識，對理解更有幫助。渦輪增壓器內(nèi)有壓縮機和渦輪，由一根小軸連接。廢氣吹到一側(cè)渦輪壓縮機的葉輪上，帶動另一側(cè)壓縮機殼體內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)動。通常情況下，來自壓縮機的空氣經(jīng)過某種中間冷卻器，降低進(jìn)氣溫度；同時壓縮機葉輪通過提高進(jìn)氣口的空氣密度，提高發(fā)動機功率。在排氣側(cè)，通常有一個閥門，渦輪達(dá)到所需速度時，閥門打開并將過剩的空氣向下游輸送到汽車排氣系統(tǒng)的其余部分，這個閥門叫做廢氣旁通閥。

電動渦輪增壓器實質(zhì)上只是一臺渦輪軸上連接了電機的普通渦輪增壓器。其原理很簡單，但執(zhí)行起來不容易，充滿各種可能性。蓋瑞特首席技術(shù)官Craig Balis在接受Road & Track采訪時表示：“電動渦輪增壓器帶來新的自由度。汽車制造商可以通過它實現(xiàn)更出色的功率、效率、排放和駕駛性能?！?/p>

蓋瑞特涉足渦輪增壓業(yè)務(wù)數(shù)十載，也是第一家在市場推出電動渦輪增壓器的公司。汽車制造商梅賽德斯AMG率先推出搭載電動渦輪增壓器的C43和C63型號，搭配AMG的2.0升M139，分別實現(xiàn)402馬力和驚人的476馬力的動力。C63是當(dāng)今市場上功率密度最大的發(fā)動機，可達(dá)到251馬力/升。由于永無止境的動力需求，四缸發(fā)動機采用了插電式混合動力系統(tǒng)，提供高達(dá)671馬力的動力。

人們很容易認(rèn)為，電動渦輪增壓器的唯一作用是減少遲滯。“我也這樣認(rèn)為，它確實是電動渦輪增壓器的一大顯著作用?！焙唵蔚卣f，一個體積較大的渦輪增壓器具有較大的渦輪機和壓縮機葉輪，因此能夠使發(fā)動機進(jìn)氣更多，產(chǎn)生的功率更大，但渦輪機尺寸越大，則需要越長時間才能獲得目標(biāo)增壓水平。然而，在軸上增設(shè)一臺電機，即可使整個裝置達(dá)到最高速度而無需等待廢氣產(chǎn)生。（雖然無法消除渦輪遲滯，但可以將其減少到不會帶來負(fù)面影響的程度。）

Balis更喜歡使用瞬態(tài)響應(yīng)這個詞來代替渦輪遲滯，即當(dāng)你踩下油門時汽車的響應(yīng)。他指出，改善瞬態(tài)響應(yīng)不僅有助于提高駕駛性能，也有助于減少排放?！澳梢愿_地控制進(jìn)入發(fā)動機的空氣，使進(jìn)氣量與燃油和發(fā)動機需求相匹配。”

此外，電動渦輪增壓器還有助于提高能效。當(dāng)需要用電時增壓器通過電池給電機供電，當(dāng)需要發(fā)電時增壓器則通過關(guān)閉廢棄旁通閥回收熱能。在混合動力車和純電動汽車中，電機的減速可以降低汽車的速度，同時會將能量輸送回電池。在更小尺寸的渦輪增壓器上，電機亦可實現(xiàn)這一功能?！皽u輪增壓器的吸引人之處是，在不同駕駛周期都可以實現(xiàn)能量平衡，”Balis解釋道，“也就是說，產(chǎn)生的電能與需要使用的電量一致。在不同的時間點和駕駛周期，都可以實現(xiàn)能量平衡，甚至能量正值。”

蓋瑞特電動渦輪增壓器仍然使用廢氣旁通閥，增壓控制水平越精確，被浪費的廢氣越少，所用的廢氣旁通閥就越小。通常情況下，現(xiàn)代汽車的電控單元能估算渦輪增壓器的速度，并利用廢氣旁通閥控制增壓壓力，但為了安全性和耐用性，估算會存在巨大的誤差。了解渦輪增壓機的尺寸即能了解其性能。如果能知道渦輪增壓器的準(zhǔn)確速度，就能在運行時使其更接近運行速度的上限，而無需擔(dān)心其超速。這項優(yōu)勢非常重要，但并非電動渦輪增壓器所獨有，法拉利和日產(chǎn)均已通過配備速度傳感器的傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪增壓器實現(xiàn)這一優(yōu)勢。

早在20年前，蓋瑞特已經(jīng)著手研發(fā)電動渦輪增壓器，但發(fā)現(xiàn)采用12伏電路完全不可行。Balis說，安裝在軸上的電機不能超過3kW，即便能夠安裝，也會給系統(tǒng)帶來很大的影響。隨著大容量電氣架構(gòu)的問世，電動渦輪增壓終于成為可能。當(dāng)前梅賽德斯奔馳的大多數(shù)C級型號使用48伏“輕混合動力”架構(gòu)，而C63使用AMG設(shè)計的400伏插電式混合動力系統(tǒng)。梅賽德斯還決定，新推出的C級只采用四缸動力。在這種場合中，電動渦輪增壓發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)AMG的電動渦輪增壓器應(yīng)用工程師Jan Habermann介紹，公司打算為C43提供比其原先車型更出色的發(fā)動機，這款汽車目前采用非AMG產(chǎn)品所使用的V-6發(fā)動機。M139由位于Affaltebach的AMG工廠手工制造，雖然已用于AMG的45系列汽車，但均采用12伏電路，因此也采用傳統(tǒng)的廢氣旁通渦輪增壓器。C43搭載電動渦輪增壓器并非單純?yōu)榱颂岣邉恿ΑcC43的402馬力相比，CLA45 S已實現(xiàn)415馬力的動力——而是看中電動渦輪增壓器的其他優(yōu)勢。

C63則展現(xiàn)了另一種情況。它采用四缸插電式動力系統(tǒng)取代備受青睞的4.0升V-8，AMG深知必須打出一記重拳?！盎旌蟿恿哂性S多優(yōu)勢，”Habermann說，“不僅采用體積很小而且非常省油的發(fā)動機，還能有超棒的全電動汽車駕駛體驗，其性能比前一代的車型要好得多?！盇MG認(rèn)為C63不僅要與傳統(tǒng)的汽油動力轎車競爭，還要與新型的超強大電動汽車一較高下。（從起亞推出577馬力的EV6即可看出其中的邏輯。）

Habermann表示，當(dāng)達(dá)到AMG所追求的2.0升渦輪增壓器的動力時，傳統(tǒng)渦輪增壓器會產(chǎn)生明顯的渦輪遲滯。C63的渦輪增壓器采用直徑為71mm的壓縮機葉輪，可產(chǎn)生高達(dá)37.7 psi的增壓，這種一流的增壓能力常見于卡車或1000馬力的大馬力車上。（它還具有可變幾何尺寸的葉片，能實現(xiàn)更高的靈活性。）你可能會認(rèn)為搭載204馬力電機的C63混合動力系統(tǒng)能夠補償可能出現(xiàn)的渦輪遲滯，為什么還要使用電動渦輪增壓器呢？答案并不簡單。

“這也是為了獲得出色的性能和效率，”Habermann說。AMG的混合動力系統(tǒng)采用6.1kWh蓄電池，其控制策略的原理是保持蓄電池電量充足，當(dāng)駕駛員需要時，電機始終能提供充足的電力。通過使用電動渦輪增壓器，可使發(fā)動機快速達(dá)到最大功率，同時電機可以保持待機狀態(tài)，將能量儲存在蓄電池中?！斑@聽起來很有意思。汽車搭載了驅(qū)動電機，但你不想使用它，而是用于能量回收，或在特殊工況下提升性能?！?/p>

有意思的是，由于C63的電動渦輪增壓器所搭載的電機只有6kW（8hp），跟具有25倍動力的驅(qū)動電機相比，讓這臺6kW電機旋轉(zhuǎn)起來所需的能量要少得多。

AMG自然會在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)利用渦輪增壓器發(fā)揮許多作用。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，電機推動渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)，同時廢氣壓力保持增大。由于這增加了進(jìn)入發(fā)動機的空氣量，因此也增加了流出的空氣量，進(jìn)一步有助于產(chǎn)生增壓。在3500轉(zhuǎn)/分左右和保持節(jié)氣門開度恒定時，電機幾乎不發(fā)揮作用，因為有足夠的廢氣使渦輪增壓器按照175,000轉(zhuǎn)/分的最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)速度更快時，即達(dá)到C63的7000轉(zhuǎn)/分上限，為了使渦輪增壓器保持旋轉(zhuǎn)，電機輸出約1kW，有助于拓寬動力區(qū)和提高節(jié)氣門響應(yīng)。渦輪增壓發(fā)動機通常在速度上限附近逐漸停止，但AMG希望渦輪增壓發(fā)動機更像非增壓式發(fā)動機，能始終在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供動力。

此外，AMG還利用渦輪增壓器的電機按需提高整個動力帶的瞬態(tài)響應(yīng)。Habermann說，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，可能需要一秒鐘才能達(dá)到最大的增壓壓力，在中等轉(zhuǎn)速時，幾乎瞬時達(dá)到最大增壓壓力，而在高轉(zhuǎn)速時，大約需要0.4秒。正如Habermann所說，對于這么大的渦輪增壓器來說，真的令人驚嘆，時間短得幾乎讓人感覺不到。渦輪增壓器還能在換擋過程中，利用廢氣旁通閥將廢氣排出，并將能量輸送回電池。

即便如此，校準(zhǔn)工程師和AMG的人員也必須確保2.0升四缸汽車的底端在37.7 psi增壓時，不會發(fā)生意外爆炸。他們還面臨著另一項艱巨任務(wù)，那就是渦輪增壓器電機必須在極高溫、振動極大的環(huán)境中按照高達(dá)200,000 rpm的速度高速旋轉(zhuǎn)。 

Balis說，隨著輕混合動力和插電式混合動力汽車越來越普及和需求量越來越大，在不久的將來，越來越多的汽車制造商將采用電動渦輪增壓技術(shù)，而不僅僅是用于高性能應(yīng)用?？ㄜ囍圃焐桃矊@項技術(shù)產(chǎn)生了興趣?！斑@項技術(shù)有助于提高效率，減少排放量，當(dāng)然，還有助于提高功率密度。它真的帶來了這一切優(yōu)勢，”Balis說，“最終，這項技術(shù)能夠帶來前所未有的發(fā)動機設(shè)計自由度……我們可以更精確地獲得所需空氣量?！彼a充說，各種硬件的成本都在下降，使該技術(shù)成為主流應(yīng)用中更具可行性的解決方案。

此外還取決于我們向純電動汽車過渡的進(jìn)程。電動渦輪增壓器或許只是臨時解決方案，但它們也確實提高了內(nèi)燃機可行性。這有力地證明了內(nèi)燃機的效率還能進(jìn)一步得到提升。