為解決渦輪遲滯，知道車廠有多努力嗎？

李爾欣

上期我們探討了：各家車廠為解決渦輪增壓遲滯問題，讓小排量發(fā)動機運轉(zhuǎn)起來也有類似大排量單元那般線性扭力輸出，故而提出許多技術(shù)突破的方案。這期，我們接著來探討其它的解決方案，看看眾家車廠腦洞到底是怎么開的。

方案一

低慣量渦輪

（福特1.0T EcoBoost發(fā)動機）

在“International Enql幾e Dt Year Award 2016”的榜單里，1.0升以下組的冠軍是來自福特的1 0T發(fā)動機。這已經(jīng)是福特1 0T發(fā)動機第五次被評為該組最佳發(fā)動機。誠然，獲得這些榮譽靠的是綜合實力，但這位福特EcoBoost家族的小弟在渦輪增壓技術(shù)方面的成就也相當令人矚目：一款結(jié)構(gòu)緊湊的渦輪增壓3缸發(fā)動機，竟然可以擁有170Nm/1500～4500rpm的扭矩輸出，動態(tài)響應(yīng)堪比自然吸氣發(fā)動機。

之所以能有如此成果，關(guān)鍵在于發(fā)動機配備的低慣量渦輪轉(zhuǎn)子，不然，以那977cc的排氣量如何玩得轉(zhuǎn)渦輪增壓器？同樣，即便Ti-VCT進排氣可變氣門正時技術(shù)能調(diào)節(jié)排氣門的相位，使發(fā)動機可在低轉(zhuǎn)速時排出更多的廢氣，但若渦輪轉(zhuǎn)子的慣量過大也照樣吹不動。而眾所周知，渦輪機的轉(zhuǎn)子是靠發(fā)動機排放的廢氣來吹動的，只有氣流的推力超過轉(zhuǎn)子的慣性，才能使轉(zhuǎn)子全速運轉(zhuǎn)并帶動壓氣機工作，不然就會出現(xiàn)渦輪遲滯。

事實上，為解決渦輪遲滯，汽車工程師最先想到的就是改用質(zhì)量更輕的渦輪轉(zhuǎn)子。只是要等到輕量化技術(shù)、發(fā)動機配氣技術(shù)等“保障力量”全都成熟且完善后，低慣量渦輪轉(zhuǎn)子才能夠成為多數(shù)渦輪增壓發(fā)動機的標配，并配合其他技術(shù)共同解決渦輪遲滯。

方案二

電驅(qū)動渦輪（奧迪4.0 TDl發(fā)動機）

在奧迪S07發(fā)布后，官方似乎說過這樣的話：

“Turbo lag ls history”。單從性能數(shù)據(jù)來看此言非虛：0～100km/h加速僅4.8s，而高達900Nm的峰值扭矩在1000rpm時即已涌現(xiàn)。奧迪是怎么做到的首先，這款柴油發(fā)動機的AVS可變氣門升程系統(tǒng)能通過控制排氣門的開合，來調(diào)節(jié)2個渦輪增壓器的工作狀態(tài)，確保在低負荷時只有1個渦輪在工作，從而減少整部發(fā)動機的渦輪遲滯時間。但真正的功臣，卻是隱藏著的第三個渦輪：EPC電動壓縮機。這其實是臺靠電動機直接驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子的廢氣渦輪增壓器，用外力強行突破轉(zhuǎn)子的慣性，將渦輪響應(yīng)與油門變化之間的時間差縮到最短——如果不是磁阻電機本身還要250 ms的響應(yīng)時間，那渦輪遲滯早已被它扔進歷史。

目前，奔馳、寶馬和奧迪均有應(yīng)用類似的電動增壓系統(tǒng)，盡管具體的命名各不相同，并且分別來自博格華納、法雷奧等多家供應(yīng)商，但基本都設(shè)有專門的供電系統(tǒng)。但奧迪EPC就配有獨立48V系統(tǒng)，并自帶發(fā)電機和電池組，而渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速則可達到70000rpm左右?？梢娺@些主流大廠所用的電動渦輪絕非汽配城里的電子渦輪——那不過是一堆轉(zhuǎn)速遠低于10000rpm的電風(fēng)扇，靠直流無刷電機驅(qū)動，而電流則來自車載12V電源，純屬營銷噱頭，二者的屬性截然不同。

方案三

氣動渦輪（沃爾沃D5發(fā)動機）

當沃爾沃揭曉新一代S90時，世人多著迷于那身驚艷的設(shè)計，似乎并沒有注意到那臺使用雙渦輪增壓的全新D5柴油發(fā)動機在1750rpm即已達到480Nm的扭矩峰值，響應(yīng)速度比在2200rpm才輸出最大扭矩的T6汽油發(fā)動機要快得多。可后者早已用機械+渦輪雙增壓系統(tǒng)來壓縮渦輪遲滯，為何仍不及前者？答案是：D5發(fā)動機率先應(yīng)用沃爾沃研發(fā)的PowerPulse技術(shù)，從而擁有更高效的工作狀態(tài)。

簡單來講，PowerPulse技術(shù)解決渦輪遲滯的原理跟VTG可變截面技術(shù)相似，都是利用高速氣流讓渦輪轉(zhuǎn)子盡快跳過遲滯的時間。具體到D5，沃爾沃先從發(fā)動機的進氣歧管中抽取部分新鮮空氣儲存起來，等到節(jié)氣門變化時，再將空氣注入排氣歧管，通過高速空氣脈沖，讓串聯(lián)雙渦輪中的小渦輪轉(zhuǎn)速從怠速時20000rpm躍升到全速運轉(zhuǎn)的150000rpm，而時間只需0.3 s。

北歐工程師的做法固然簡單粗暴，卻十分有效。目前具有PowerPulse技術(shù)的D5發(fā)動機已適配S90、V90、XC90、XC60等多個車系，只不過還沒見到沃爾沃以外的品牌應(yīng)用類似的技術(shù)?；蛟S在沃爾沃為旗下的渦輪增壓汽油發(fā)動機也加持PowerPulse之后，這項技術(shù)才會得到普及，比如“借給”吉利的發(fā)動機用。

方案四

可變截面（保時捷3.6T發(fā)動機）

2006年日內(nèi)瓦車展，保時捷997 Turbo全球首發(fā)。而新車身上最讓人在意的，便是那臺3.6升雙渦輪增壓發(fā)動機：在搭載2個大渦輪的同時，竟然只需2250rpm就能達到700Nm的扭矩峰值，渦輪遲滯微乎其微。要知道，997 Carrera的3.6升自然吸氣發(fā)動機也得到4250rpm才會輸出最大扭矩。其實，這是保時捷與博格華納聯(lián)合開發(fā)的VTG可變截面技術(shù)的“杰作”。

表面上，VTG可變截面渦輪增壓器不過是在渦輪轉(zhuǎn)子的外圍加上1圈電控導(dǎo)流葉片而已。但縮短渦輪遲滯的關(guān)鍵，恰在于這圈可主動偏轉(zhuǎn)的葉片。葉片相疊，只需偏轉(zhuǎn)葉片，即可改變氣流吹向渦輪轉(zhuǎn)子的風(fēng)口截面積：發(fā)動機轉(zhuǎn)速越低，葉片開角越小，風(fēng)口也越小，于是空氣流速就越急，渦輪也就轉(zhuǎn)得越快，而渦輪遲滯便越小。等進入高轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機廢氣的流速已足以推動渦輪轉(zhuǎn)子，此時葉片便完全打開，讓氣流充分掃動轉(zhuǎn)子，使其高速運轉(zhuǎn)起來。不過，可變截面渦輪增壓器既不是保時捷的專利，亦非博格華納首創(chuàng)。且不說20世紀90年代那些使用VNT可變噴嘴渦輪增壓器的柴油發(fā)動機，本田更早在1g88年就推出過載有VGT幾何可變渦輪增壓器的C20AT汽油發(fā)動機，用于第一代日規(guī)Legend，后因成本過高而不幸天折?，F(xiàn)在更有OEM廠商專門經(jīng)營用于可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的控制器。顯然，可變截面渦輪增壓器不僅歷史“悠久”，更早已發(fā)展成熟。

方案五

可變壓縮比（英菲尼迪VC-T發(fā)動機）

眾所周知，壓縮比代表著可燃混合氣進入汽缸后能被壓縮的體積，而被壓得越多，混合氣的密度就越大，溫度便越高——被點燃后的能量釋放也越大。所以，壓縮比越大的發(fā)動機，其燃油經(jīng)濟性越好。但對于渦輪增壓發(fā)動機來說卻要限制壓縮比，因為過大的壓縮比會導(dǎo)致混合氣體在被點燃前就因溫度過高而發(fā)生爆燃。而渦輪增壓發(fā)動機是把空氣壓縮后再與燃油混合，自然更易被提前“壓爆”。與此同時，渦輪增壓器叉要靠發(fā)動機排放的廢氣來驅(qū)動，可偏低的壓縮比恰恰意昧著汽缸每次作功排出的廢氣較少，自會加重渦輪遲滯。另外，在渦輪遲滯階段，由于壓縮空氣尚未進入汽缸，過低的壓縮比便導(dǎo)致燃燒效率偏低，叉造成燃油的浪費。于是，就需要發(fā)動機的壓縮比隨工作狀況的變化增大或減小。

事實上，早在上個世紀，薩博和標致就已試過讓增壓發(fā)動機應(yīng)用可變壓縮比技術(shù)，但最終都因為結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而不得不放棄。幸虧這個世界上還有其他車廠在堅持，例如英菲尼迪QX50將在2018年搭載的2.0T發(fā)動機，就是一款可變壓縮比的渦輪增壓汽油發(fā)動機！

相比前輩，英菲尼迪的VC-T系列發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)要簡潔得多，直接把連成一體的曲柄連桿變成可折疊式結(jié)構(gòu)。當需要高壓縮比時，便將曲柄連桿展開，使活塞的上止點上移；若要降低壓縮比，就把曲柄連桿折起，讓活塞的上止點下移。這樣，在不改變汽缸本身容積的前提下，英菲尼迪VC-T發(fā)動機能根據(jù)工況的不同，讓壓縮比在8：1～14：1之間自由調(diào)節(jié)，既能有效改善渦輪遲滯，叉可彌補渦輪遲滯時“損失”的油耗。