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(dòng)機(jī)的響應(yīng)不夠積極。但事實(shí)上，針對(duì)渦輪遲滯，從過(guò)去到現(xiàn)在，以及看得見的未來(lái)，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(gè)現(xiàn)成的，都得分兩期來(lái)講……

渦輪遲滯的解決方案

Q 編輯老師好！預(yù)計(jì)在9月法蘭克福車展正式亮相的Mercedes-AMG Project ONE超級(jí)跑車，據(jù)說(shuō)會(huì)專門用1臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器。請(qǐng)問(wèn)這是真的嗎？這么做又有啥好處？

A 關(guān)于Mercedes AMG Project ONE的動(dòng)力系統(tǒng)，AMG管理委員會(huì)主席Tobias Moers在接受英國(guó)媒體采訪時(shí)透露，這款搭載F1賽車動(dòng)力單元的Hypercar將配備4臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其中，左右前輪各由1臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸和渦輪增壓器則平分剩下的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)。至于為渦輪增壓器配電動(dòng)機(jī)的理由，如無(wú)意外，那應(yīng)該是用來(lái)解決渦輪遲滯的。要問(wèn)什么是渦輪遲滯？相信在網(wǎng)上不難搜到答案。不過(guò)，在這再啰嗦一遍也無(wú)妨：眾所周知，渦輪增壓器是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣來(lái)推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)與其同軸的壓氣機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(gè)渦輪增壓器的響應(yīng)時(shí)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(shí)間，便是turbo lag，亦即渦輪遲滯。渦輪遲滯會(huì)嚴(yán)重影響車輛的操控體驗(yàn)，比如瞬時(shí)響應(yīng)特性較差，以及突然變化的動(dòng)力輸出令司機(jī)措手不及……，不勝枚舉。雖說(shuō)只要讓渦輪轉(zhuǎn)子更易推動(dòng)，或者用外力直接驅(qū)動(dòng)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(shuō)時(shí)易，做時(shí)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(jī)會(huì)，咱們找?guī)讉€(gè)代表來(lái)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(dòng)機(jī)）

偏時(shí)點(diǎn)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(jì)性等實(shí)際使用需求的量產(chǎn)車。對(duì)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(dòng)機(jī)陣列里的旗艦——M279發(fā)動(dòng)機(jī)，就用并聯(lián)的2個(gè)渦輪增壓器分別為兩邊6個(gè)汽缸提供壓縮空氣，再通過(guò)優(yōu)化渦輪增壓器的螺旋截面積，以及進(jìn)氣歧管的流體學(xué)特性等細(xì)節(jié)，使渦輪轉(zhuǎn)子更易驅(qū)動(dòng)，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)在2300rpm即可輸出1000Nm的峰值扭矩。要知道，LaFerrari那臺(tái)排量6.3升的自然吸氣V12發(fā)動(dòng)機(jī)，也得等到6750rpm才能迎來(lái)它那700Nm的峰值扭矩。

簡(jiǎn)單來(lái)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(lái)，以此減少發(fā)動(dòng)機(jī)整體的渦輪遲滯時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，從前往后依次介入；若是并聯(lián)，則肯定會(huì)用2組同等規(guī)格，并且容易啟動(dòng)的渦輪增壓器，只要先點(diǎn)火那組汽缸的渦輪度過(guò)遲滯階段，發(fā)動(dòng)機(jī)即可進(jìn)入增壓模式。當(dāng)然，用再多的渦輪也無(wú)法消除渦輪遲滯，只能盡量縮短而已。而且渦輪太多還會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，進(jìn)而衍生出各種問(wèn)題。所以，對(duì)于排量較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，廠商得用其他手段去搞定渦輪遲滯。

方案二：偏時(shí)點(diǎn)火（三菱4G63T發(fā)動(dòng)機(jī)）

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(chǎng)上的經(jīng)典場(chǎng)景?，F(xiàn)在當(dāng)然知道EVO Ⅲ之所以會(huì)噴火，是因?yàn)樗溆衜isfiring system，也就是偏時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)。

每當(dāng)車手收油門時(shí)，EVO Ⅲ的偏時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)就會(huì)主動(dòng)使用獨(dú)立的油泵往排氣歧管內(nèi)噴射汽油；同時(shí)，渦輪增壓器的壓氣機(jī)也通過(guò)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(dòng)爆燃，由此產(chǎn)生足以推動(dòng)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(dòng)機(jī)排氣脈沖減弱而降低，以至于再加油時(shí)出現(xiàn)渦輪遲滯；而爆燃產(chǎn)生的火焰則通過(guò)排氣管噴出車外。

不過(guò)，EVO Ⅲ的這套PCCS后端燃燒控制系統(tǒng)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非“正宗”的偏時(shí)點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)機(jī)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(lái)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(dá)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(dòng)機(jī)）

能給1臺(tái)直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)裝上2套增壓系統(tǒng)，大眾EA111系列的1，4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)自然一亮相就備受矚目。當(dāng)時(shí)，這款1.4 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)具有機(jī)械增壓和渦輪增壓2套增壓系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由曲軸直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓器率先進(jìn)行吸氣增壓，即便此時(shí)渦輪增壓器尚在渦輪遲滯階段，也不會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣增壓。因此，1.4 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)擁有相當(dāng)積極的動(dòng)力響應(yīng)，僅1750rpm就已達(dá)到220Nm的扭矩峰值，并可適配多個(gè)級(jí)別的車型。

但由機(jī)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(lán)旗亞Delta S4 Stradale就已試過(guò)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)化，只靠渦輪增壓器也能實(shí)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(dòng)機(jī)就有250Nm/1750～3500rpm的扭矩。未來(lái)，雙增壓的生存空間也許會(huì)更小。

方案四：雙渦管單渦輪（寶馬N20發(fā)動(dòng)機(jī)）

前些年剛開始流行“小排量渦輪增壓”時(shí)，寶馬順勢(shì)推出N20系列發(fā)動(dòng)機(jī)。但讓人意外的是，寶馬用這款2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)先后取代2款直列6缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)：沿用多年的N53和N52。區(qū)區(qū)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shuō)實(shí)話，這種動(dòng)態(tài)范圍與響應(yīng)速度已堪比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shì)在于能夠避免點(diǎn)火順序相鄰的兩個(gè)汽缸互相干涉進(jìn)排氣。在單渦管設(shè)計(jì)中，所有汽缸的排氣歧管都被匯聚在一起，這會(huì)讓部分廢氣從汽缸的排氣門出來(lái)后，經(jīng)由相通的排氣歧管底部，進(jìn)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(jìn)氣，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降。相反，雙渦管則接點(diǎn)火脈沖的不同，將排氣歧管分成2組，再隨點(diǎn)火順序依次排氣，從而避免出現(xiàn)進(jìn)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(yàn)后推出的新設(shè)計(jì)，并率先用在N55身上，大獲好評(píng)后，才交給4缸的N20去發(fā)揚(yáng)光大。而隨著通用、現(xiàn)代等多家制造商先后跟進(jìn)效仿，雙渦管技術(shù)顯然已成為解決渦輪遲滯的主流方案。