Q&A信箱

李爾欣

為解決渦輪遲滯，知道車廠有多努力嗎？

性能控們總是抱怨渦輪增壓發(fā)動機的響應(yīng)不夠積極。但事實上，針對渦輪遲滯，從過去到現(xiàn)在，以及看得見的未來，各大車廠一直都在很努力地探索解決方案一以至于隨便列幾個現(xiàn)成的，都得分兩期來講……

渦輪遲滯的解決方案

Q 編輯老師好！預(yù)計在9月法蘭克福車展正式亮相的Mercedes-AMG Project ONE超級跑車，據(jù)說會專門用1臺電動機來驅(qū)動渦輪增壓器。請問這是真的嗎？這么做又有啥好處？

A 關(guān)于Mercedes AMG Project ONE的動力系統(tǒng)，AMG管理委員會主席Tobias Moers在接受英國媒體采訪時透露，這款搭載F1賽車動力單元的Hypercar將配備4臺電動機。其中，左右前輪各由1臺電動機驅(qū)動，而發(fā)動機的曲軸和渦輪增壓器則平分剩下的2臺電動機。至于為渦輪增壓器配電動機的理由，如無意外，那應(yīng)該是用來解決渦輪遲滯的。要問什么是渦輪遲滯？相信在網(wǎng)上不難搜到答案。不過，在這再啰嗦一遍也無妨：眾所周知，渦輪增壓器是通過發(fā)動機排出的廢氣來推動渦輪機旋轉(zhuǎn)，再帶動與其同軸的壓氣機，從而實現(xiàn)進氣增壓的。然而，渦輪轉(zhuǎn)子是有慣性的，其旋轉(zhuǎn)速度不可能與節(jié)氣門的變化相同步，必然有所滯后，這就連累整個渦輪增壓器的響應(yīng)時間都被拖延。而從節(jié)氣門發(fā)生變化到渦輪增壓器真正響應(yīng)所需要的時間，便是turbo lag，亦即渦輪遲滯。渦輪遲滯會嚴(yán)重影響車輛的操控體驗，比如瞬時響應(yīng)特性較差，以及突然變化的動力輸出令司機措手不及……，不勝枚舉。雖說只要讓渦輪轉(zhuǎn)子更易推動，或者用外力直接驅(qū)動渦輪以跟上油門的節(jié)奏，就能有效縮短乃至消除渦輪遲滯。但說時易，做時難，直到今天，汽車制造商們都還在摸索最完美的解決方案。不如借此機會，咱們找?guī)讉€代表來總結(jié)一下，看看現(xiàn)在已有哪些主流的渦輪遲滯解決方案。

方案一：多渦輪（奔馳M279發(fā)動機）

偏時點火系統(tǒng)固然能有效地預(yù)防渦輪遲滯的發(fā)生，但顯然不適合講究耐用性、經(jīng)濟性等實際使用需求的量產(chǎn)車。對此，車廠給出的解決方案，居然是用上更多的渦輪！比如現(xiàn)役Mercedes-AMG發(fā)動機陣列里的旗艦——M279發(fā)動機，就用并聯(lián)的2個渦輪增壓器分別為兩邊6個汽缸提供壓縮空氣，再通過優(yōu)化渦輪增壓器的螺旋截面積，以及進氣歧管的流體學(xué)特性等細節(jié)，使渦輪轉(zhuǎn)子更易驅(qū)動，從而讓發(fā)動機在2300rpm即可輸出1000Nm的峰值扭矩。要知道，LaFerrari那臺排量6.3升的自然吸氣V12發(fā)動機，也得等到6750rpm才能迎來它那700Nm的峰值扭矩。

簡單來講，這類采用多渦輪布局的解決方案，其核心目的就是讓一部分渦輪先轉(zhuǎn)起來，以此減少發(fā)動機整體的渦輪遲滯時間。如果是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，那必定是越小的渦輪排在越前面，再讓它們隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升，從前往后依次介入；若是并聯(lián)，則肯定會用2組同等規(guī)格，并且容易啟動的渦輪增壓器，只要先點火那組汽缸的渦輪度過遲滯階段，發(fā)動機即可進入增壓模式。當(dāng)然，用再多的渦輪也無法消除渦輪遲滯，只能盡量縮短而已。而且渦輪太多還會讓發(fā)動機結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，進而衍生出各種問題。所以，對于排量較小的發(fā)動機，廠商得用其他手段去搞定渦輪遲滯。

方案二：偏時點火（三菱4G63T發(fā)動機）

隨著“嘭、嘭”兩聲，排氣管噴出一陣火焰，賽車絕塵而去……這是昔日三菱Lancer EVO Ⅲ在WRC賽場上的經(jīng)典場景?，F(xiàn)在當(dāng)然知道EVO Ⅲ之所以會噴火，是因為它配有misfiring system，也就是偏時點火系統(tǒng)。

每當(dāng)車手收油門時，EVO Ⅲ的偏時點火系統(tǒng)就會主動使用獨立的油泵往排氣歧管內(nèi)噴射汽油；同時，渦輪增壓器的壓氣機也通過旁通閥向排氣歧管注入空氣，使霧化的汽油能在排氣歧管內(nèi)的高溫下自動爆燃，由此產(chǎn)生足以推動渦輪轉(zhuǎn)子的壓力波，從而讓渦輪轉(zhuǎn)子維持之前的高轉(zhuǎn)速，以免轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因發(fā)動機排氣脈沖減弱而降低，以至于再加油時出現(xiàn)渦輪遲滯；而爆燃產(chǎn)生的火焰則通過排氣管噴出車外。

不過，EVO Ⅲ的這套PCCS后端燃燒控制系統(tǒng)嚴(yán)格來說并非“正宗”的偏時點火系統(tǒng)。更為傳統(tǒng)的方案是讓尚未作功的可燃混合氣先從排氣門出去，然后再點火，使可燃混合氣在排氣歧管內(nèi)爆燃產(chǎn)生壓力波。這種一旦發(fā)動機的廢氣脈沖下降，就在ECU車載電腦的控制下，使可燃混合氣在排氣管內(nèi)燃燒，并產(chǎn)生壓力波來維持渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，通常稱為anti-lag system防遲滯系統(tǒng)，最早用于配備大渦輪的F1賽車；但由于很難達到排放、油耗等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，還影響汽缸與排氣管的壽命，所以并不適用于原廠量產(chǎn)車；即使是為滿足WRC規(guī)則而定制的街道版三菱Lancer EVO和斯巴魯WPX STi，也僅配備部分日規(guī)車型，并在出廠設(shè)定中將其關(guān)閉。

方案三：雙增壓（大眾1.4TSl發(fā)動機）

能給1臺直列4缸發(fā)動機裝上2套增壓系統(tǒng)，大眾EA111系列的1，4TSI發(fā)動機自然一亮相就備受矚目。當(dāng)時，這款1.4 TSI發(fā)動機同時具有機械增壓和渦輪增壓2套增壓系統(tǒng)。發(fā)動機啟動后，在低轉(zhuǎn)速時，由曲軸直接驅(qū)動的機械增壓器率先進行吸氣增壓，即便此時渦輪增壓器尚在渦輪遲滯階段，也不會影響到發(fā)動機的整體增壓效果；而到高轉(zhuǎn)速區(qū)，則由2套增壓系統(tǒng)共同為發(fā)動機提供進氣增壓。因此，1.4 TSI發(fā)動機擁有相當(dāng)積極的動力響應(yīng)，僅1750rpm就已達到220Nm的扭矩峰值，并可適配多個級別的車型。

但由機械增壓與渦輪增壓組成的雙增壓系統(tǒng)卻非源自大眾，早在20世紀(jì)80年代，藍旗亞Delta S4 Stradale就已試過類似的雙增壓系統(tǒng)。即便在當(dāng)下，應(yīng)用雙增壓系統(tǒng)的也不止大眾一家，如沃爾沃T6系列的2.0T發(fā)動機就采用相同的雙增壓系統(tǒng)?？稍?0多年前，大眾要在如此緊湊的發(fā)動機缸體上布置2套增壓系統(tǒng)，得付出極其高昂的生產(chǎn)成本，以至于雙增壓版1.4 TSI最終只能曇花一現(xiàn)。而隨著渦輪增壓技術(shù)的進化，只靠渦輪增壓器也能實現(xiàn)相同的增壓效果，比如單渦輪增壓的EA21 1系列1.4 TSI發(fā)動機就有250Nm/1750～3500rpm的扭矩。未來，雙增壓的生存空間也許會更小。

方案四：雙渦管單渦輪（寶馬N20發(fā)動機）

前些年剛開始流行“小排量渦輪增壓”時，寶馬順勢推出N20系列發(fā)動機。但讓人意外的是，寶馬用這款2.0T發(fā)動機先后取代2款直列6缸自然吸氣發(fā)動機：沿用多年的N53和N52。區(qū)區(qū)4缸發(fā)動機，何以如此犀利？就憑那身“黑科技”！而在這些“黑科技”里頭，就有寶馬稱之為Twin Scroll的雙渦管單渦輪技術(shù)。應(yīng)用雙渦管單渦輪的N20，可以在1250rpm即輸出最大扭矩，并一直維持到4800rpm。說實話，這種動態(tài)范圍與響應(yīng)速度已堪比自然吸氣發(fā)動機，足以讓人忘記渦輪遲滯的存在。

相比傳統(tǒng)的單渦管，雙渦管的主要優(yōu)勢在于能夠避免點火順序相鄰的兩個汽缸互相干涉進排氣。在單渦管設(shè)計中，所有汽缸的排氣歧管都被匯聚在一起，這會讓部分廢氣從汽缸的排氣門出來后，經(jīng)由相通的排氣歧管底部，進入隔壁汽缸稍后打開的排氣門，以至于該汽缸在下一循環(huán)里不能充分進氣，進而導(dǎo)致發(fā)動機的輸出功率下降。相反，雙渦管則接點火脈沖的不同，將排氣歧管分成2組，再隨點火順序依次排氣，從而避免出現(xiàn)進排氣干涉。順便一提，雙渦管單渦輪應(yīng)該是寶馬在吸取N54單渦管雙渦輪的經(jīng)驗后推出的新設(shè)計，并率先用在N55身上，大獲好評后，才交給4缸的N20去發(fā)揚光大。而隨著通用、現(xiàn)代等多家制造商先后跟進效仿，雙渦管技術(shù)顯然已成為解決渦輪遲滯的主流方案。