壓力下的產(chǎn)物

五年前還是不同的景象：我們那時還在剖析V12發(fā)動機，膜拜V10發(fā)動機的活塞速度。然而過去的美好已經(jīng)無法回頭不是么？沒錯，現(xiàn)在人們購買一輛運動跑車的時候，滿眼全是增壓發(fā)動機。要為此情景負責的并不是渦輪增壓本身，而是環(huán)保因素造成的?？査刽敹蚶砉W院（KIT）活塞式發(fā)動機學院的負責人托馬斯·科赫教授 （Thomas Koch）表示，“NEFZ油耗循環(huán)測試（NEFZVerbrauchszyklus）是開展增壓科技發(fā)條的第一動力，因為一切都關系到油耗和排放?！?/p>

未來的發(fā)展方向卻更加明確：通過為直噴增壓發(fā)動機增加像顆粒過濾器這類的裝置或者真實駕駛排放（Real Driving Emissions （RDE））測試才是真正有意義的事?？蚣軛l件促成汽車廠商必須為跑車發(fā)動機配上增壓器，因為只有這樣單位為克/千瓦時（g/kWh）的有效作用系數(shù)和油耗才能通過減少排量得到改善，在部分負載時也能有更好的油耗表現(xiàn)。從運動車粉絲的想法來講，這個趨勢確實讓人遺憾——但是這種發(fā)展已經(jīng)無法阻止了。

根據(jù)卡爾斯魯厄理工學院科技專家科赫教授以及熱力渦輪機協(xié)會負責人漢斯·約爾格·鮑爾教授（Hans-J?rg Bauer）的話說，自然吸氣發(fā)動機的傳統(tǒng)強項如油門響應以及線性輸出是渦輪增壓發(fā)動機首先逐步要強化目標。只有一點讓其變得困難：漢斯·約爾格·鮑爾教授表示，“渦輪增壓發(fā)動機有一個決定性的弱點：其聲音感受將一落千丈，因為渦輪增壓實際扮演了消音器的角色?！?/p>

現(xiàn)在運動車型的增壓科技發(fā)展到什么程度了？為了回答這個問題，我們選出并且考量不同增壓系統(tǒng)（小排量的單渦輪增壓、大排量的三渦輪增壓、配有電動增壓器的三渦輪增壓和機械與渦輪的雙增壓技術）。最后我們將會和KIT的兩位行業(yè)專家討論這些增壓模式。在接下來的文章中我們將細致介紹這些增壓模式，描述不同和相同點，并評價優(yōu)點和缺點。

奔馳A45 AMG

奔馳A45 AMG是當今經(jīng)典的四缸渦輪增壓發(fā)動機的典范，同時也是現(xiàn)在升功率最高的量產(chǎn)發(fā)動機。現(xiàn)在它每升可以輸出180馬力，最新款甚至可以輸出191馬力。所以新款382馬力代替了以往的360馬力。根據(jù)科赫教授的觀點，這款標桿車型的發(fā)動機功率尚未達到頂峰：“2.0升級別發(fā)動機將會塑造出400馬力?！?/p>

未來會生產(chǎn)出什么，這取決于法規(guī)。“現(xiàn)在這款發(fā)動機依靠過剩療法：通過向汽缸內(nèi)噴入更多的汽油來確保輸出，并靠更多的汽油氣化吸收熱量讓渦輪增壓器和汽缸能有足夠的冷卻。因為當氣體溫度達到1050度的時候，極限就到來了?！备鶕?jù)這種模式，現(xiàn)在要多噴入10%至30%的燃油來幫助冷卻。這正是在運動型發(fā)動機通常的做法：但與通過降低排量來達到減排的目的是相悖論。因為渦輪增壓器原本是希望提高燃油經(jīng)濟性，但此時卻需要更多燃油來確保自己能夠活著。

還有一個因此產(chǎn)生的副作用：為了在排量相對小的發(fā)動機中釋放出旺盛的功率，需要提高增壓壓力——A45發(fā)動機的增壓壓力可以自豪地達到1.8巴，但是提升到這個數(shù)值卻需要較長時間。后果就是動力輸出過程中出現(xiàn)了橡皮筋效應（也就是形成了較長的渦輪遲滯）——踩下油門的動作和轉速反應之間需要一定時間。盡管人們已經(jīng)引入了足夠多的改進措施，但動作和反應這兩者因為A45這么小的排量而更加明顯。這些措施中，人們首先應用了雙渦管增壓器。每兩個排氣管共用一個增壓渦管，這樣可以帶來更佳的增壓效果并減少爆震趨勢。除此之外，發(fā)動機內(nèi)部還降低了轉動慣量和摩擦力。為此引入了鍛造曲軸、鍛造活塞（減重）以及更堅硬的離子涂層。

在高壓縮比的發(fā)動機中另外一個提高渦輪響應的方法是所謂的掃氣技術（Scavenging）。科赫教授解釋稱，“這里人們將進排氣門開啟重疊角最大化，早打開進氣門，而晚關閉排氣門，這樣更多具有慣性的空氣可直接推動渦輪葉片。”然而這種方法對排放不利，法規(guī)的立法者會進行阻攔，“在尾氣中混入的大量的空氣會降低三元催化器的工作效率，因此會降低氮氧化物的轉化效率，因而人們想要解決這個問題，必須要采用例如電動增壓的辦法。”

BMW M235iB

MW M235i基本上應用了和A45 AMG 2.0升發(fā)動機相同的增壓準則，但是因為它2.979升的容積，就具有了更好的開端。更加雄厚的基礎排量，一方面在壓力增加時改善了動力輸出，另一方面也減少了增壓過程中的所必要的溫升。而且功率輸出上看似更隨便：從3.0升排量中輸出326馬力，比2.0升的381馬力還要少。

不過這種放松表現(xiàn)也讓它擁有寶馬最鮮明的特點。在輸出的時候比奔馳更加自如、均勻以及整齊，從基本參數(shù)上也可以讀出來：早在1300轉/分鐘的時候，M235i就可以輸出全部扭矩450?！っ?，而A45則需要額外的約1000轉/分鐘才能多輸出25?！っ?。有個相關的故事特別耐人尋味：當寶馬于2006年引入N54渦輪增壓發(fā)動機的時候，人們還將發(fā)動機的表現(xiàn)依賴于兩個小增壓器上面。而現(xiàn)在依托雙渦管技術，只配有一個增壓器的繼任者——N55，自身的數(shù)據(jù)就可以帶來更好的效果。

直列6缸發(fā)動機因其結構的原因包含了優(yōu)勢，科赫教授表示“這臺發(fā)動機從啟動開始就具有一面熱一面冷的優(yōu)勢結構，這點讓其在渦輪增壓表現(xiàn)得特別好，“（進氣溫度更低，吸入氧氣含量更高）“即便是V字形發(fā)動機也沒有直6機器這么鮮明的冷熱面。除此之外，6缸發(fā)動機還具備一個更加積極的排氣流量。這點對應在4汽缸發(fā)動機上則會有較大的脈動間隔，排氣氣流會在這種變化中消耗能量?！碑斎恢绷?汽缸并不是所有問題的解決方案?！爸亓亢涂臻g的要求都是劣勢?！彼谖磥磔^小的車型級別中就會是個另類。

BMW M4

寶馬M公司需要單獨為它的產(chǎn)品研發(fā)自己的發(fā)動機的時代已經(jīng)從E90系列的4.0升V8發(fā)動機過去了。相應的，BMW M4的S55動力總成盡管基于35i或40i不同版本的N54發(fā)動機，但它們之間并沒有太多共性。

因為引入了很多賽車基因，像是以減少轉動慣量為目的鍛造曲軸，曲軸箱為了帶來更高的汽缸壓力而以閉合方式（Closed- Deck）構建，此外直列6汽缸發(fā)動機還擁有特有的增壓模式。它有兩個相對緊湊的單渦管增壓器，代替了N55發(fā)動機中的雙渦管渦輪增壓器。通過最大1.3巴的增壓壓力，可以從它那3.0升的排量中輸出431馬力和550牛·米。

令人印象深刻的并不是數(shù)值，而首先是它輸出的方式和途徑。就轉速響應來說，M4的發(fā)動機屬于最好的渦輪增壓發(fā)動機之一。鮑爾教授闡述稱，“杰出的表現(xiàn)源于渦輪增壓器的選擇以及所采用的材質(zhì)?！贝送膺壿媽W上與M235i一致——直列6汽缸發(fā)動機的構建形式使其在產(chǎn)生增壓的過程和排氣流量特別受益?！薄俺酥猓瑢汃R當然在電子應用方面擁有很多經(jīng)驗?！睂嶋H表現(xiàn)為：M4的雙渦輪增壓發(fā)動機從轉速中段起并且像運動員一樣來到7500轉/分鐘的時候，扭矩釋放的過程中基本不會有遲滯。除此之外它還有一個了不起的特點：它有能力，在幾秒鐘的時間內(nèi)將增壓壓力保持在較高水平，即便是負荷降低的時候。當然這種技術首先運用在賽車上。例如賽車運動中很早就出現(xiàn)了反滯后系統(tǒng)（Anti-Lag-System），利用額外的噴油，來保持渦輪增壓器的轉速。

保時捷911 Turbo S

像BMW M4一樣，保時捷911渦輪增壓車型從993系列開始，就一直運用增壓器。然而它的增壓技術屬于特別的一類。它的哲學性體現(xiàn)在數(shù)十年來一直采用后置水平對置發(fā)動機的獨特性上，不過我們今天直接關注細節(jié)：非常特別的是它的單汽缸容積。舉例說明，寶馬最近統(tǒng)一了所有直列汽缸發(fā)動機（3、4、6缸）的單缸容積。鮑爾教授說道，“帶有部分相同組件的平臺模式是通向未來的道路，簡單說來在生產(chǎn)過程中可以更好的協(xié)同，并降低成本?！傲硗?，也是為了盡最大可能性來優(yōu)化汽缸大小。寶馬每個汽缸排量約為500毫升，在我看來非常的合適。”科赫教授看來，根據(jù)模式和用途的不同，現(xiàn)在每個汽缸的排量應該保持在400至550毫升。保時捷3.8升發(fā)動機與之相反，每個汽缸排量達到了633毫升。科赫表示，“這就需要一直采用分層燃燒技術?！边€有6缸水平對置發(fā)動機讓它陷入了一個有趣的兩難境地，因為必須要和那些明顯超過4.0升排量的V8發(fā)動機進行競爭?！?/p>

另一個特點在于兩個渦輪增壓器的控制上，通過可變渦輪幾何（VTG）可以有更出色的油門響應。這個模式雖然不新，但是搭配汽油機確是個例外。鮑爾教授稱，“VTG正常情況下都是配載柴油發(fā)動機中，因為柴油機的溫度較低?！北r捷將VTG結構中易損壞的組件更換為耐高溫的材料，成功的將它移入最強勁的911車型中。根據(jù)鮑爾教授的觀點，優(yōu)化增壓器本身也可以存在巨大的可能來提高發(fā)動機性能，比如優(yōu)化渦輪葉片的材質(zhì)。此外，還可以適度調(diào)整渦輪外殼的厚度來減重并提高散熱性能。一般情況下，渦輪增壓器外殼采用的是鎳基-合金。最新是應用展現(xiàn)更好溫度特性的鈦-礬石，強度不變，厚度減少一半。其他的措施還有通過優(yōu)化軸承或采用滾動軸承的方法來降低摩擦損失。

911 Turbo S同樣存在著改進的可能性，因為它的直噴發(fā)動機的反應并不是毫無延遲。它和直接競爭對手相比還是顯得過于隨性了。它的氣勢仍然保持在傳說級：在2100轉才全力輸出700牛·米并保持到4250轉。通過超增壓手段將增壓值從1.05巴提升到了1.2巴，可以在很短時間額外獲得50?！っ着ぞ?。此外，它也是渦輪增壓消音的很好例子。傳統(tǒng)的水平對置發(fā)動機在增壓過程中，聲音變化會顯得模糊而無辨識性，不像自然吸氣發(fā)動機可以通過音調(diào)來判斷轉速。聲音設計師是困難的，像M4那種特別隨便的聲音確實會讓耳朵感到哀傷。

法拉利加利福尼亞T

聲學是渦輪增壓法拉利從208 GTB以來第一個最真正的亮點。而且現(xiàn)在加利福尼亞T的3.9升渦輪增壓發(fā)動機能在1.3巴的增壓壓力下壓榨出560馬力。優(yōu)秀的特性曲線同樣會排在現(xiàn)今動力前十的發(fā)動機。但是它并沒有按照當今正在流行的趨勢發(fā)展。很多廠商最近在8缸發(fā)動機的內(nèi)側壁上進行了強化，意味著：增壓器被捆綁在汽缸列之間的V槽內(nèi)?？坪眨骸鞍言鰤浩餮b在V8發(fā)動機內(nèi)側的設計在裝車方面具有更好的可控性，因為它更加緊湊。然而在溫度管理方面就有更高的要求。渦輪增壓器和排氣管的熱量是非常高的，所有的部件都位于最狹窄的空間，在這里沒有很大的空氣氣流將熱量帶走。因而人們需要采取很多措施來進行散熱。比如人們要確保讓電子扇的功率更大?！边@種模式的優(yōu)勢在于人們可以縮短排氣歧管和渦輪增壓器之間的氣體流動時間，這樣可以提升汽缸的充氣效率。

法拉利將增壓器布局在V型缸體兩側，這種設計同樣需要考慮熱量問題，因為曲軸就在它的旁邊。然而法拉利已經(jīng)找到合適的解決方案。更令人印象深刻的肯定是曲柄呈180度平面曲軸，它屬于高轉速發(fā)動機遺產(chǎn)之一，因為這種設計能夠讓同一列的兩個汽缸同時點火并降低旋轉質(zhì)量，這也造就了它極快的油門反應。最終的結果：法拉利-V8發(fā)動機以及聽起來比目前其他所有的雙渦輪增壓V8發(fā)動機都更加沖動。

奔馳S65 AMG

三氣門對于S65的V12發(fā)動機來說是一個歷史遺跡，但它卻給人帶來深刻的印象，可誰知道這個排量在今天還能起到什么代表性的作用？因為相比較現(xiàn)在大幅減排的發(fā)動機來說，它用6升排量已經(jīng)緩沖了增壓器帶來的扭矩增長。直到它完全釋放1.5巴增壓壓力，人們也只是覺得動力沒那么強勁而已，沒有想象中劇烈的爆發(fā)。

因為這是一個緩慢的扭矩增長過程，表現(xiàn)符合其高端的風俗，另外一方面也隨著轉速的提高持續(xù)的增加，但人們必須要將其勢力限制在腳下才行。1200?！っ讓τ?2汽缸的渦輪增壓發(fā)動機來說輕而易舉，但是對于動力總成的其它部件來說太多了，變速箱和后輪的負擔太重了——所以人們將其扭矩電子限定在了1000牛·米。此外，增壓的幫手也不甚理想——缺乏直噴。這根據(jù)科赫教授的觀點來說，直噴是實現(xiàn)增壓科技的決定性一環(huán)?？坪战淌诮忉屧蛟谟冢骸爱斎藗儾捎迷鰤旱臅r候，發(fā)動機內(nèi)部會反應遲鈍——溫度變得更熱，會造成發(fā)動機爆震的傾向，燃燒不可控制。通過直噴，燃料直接噴入到燃燒室中，汽油在汽缸中升華而吸熱，降低了汽缸溫度，發(fā)動機工作更加穩(wěn)定。奔馳S65的M275是通過進氣歧管噴射，與這種直噴的冷卻效果相差甚遠?！?

總體來說，這臺發(fā)動機是現(xiàn)今的一個另類，因為它的12汽缸在今天只是唯一性和威望的作用。“在運動型發(fā)動機領域，人們現(xiàn)在已經(jīng)不需要高于8汽缸的發(fā)動機，因為8缸足以輸出700馬力了?！?/p>

BMW M550 d

M550d的有著真正M車型的性能，這臺柴油機在寶馬2012年開始使用了三渦輪增壓器。發(fā)動機以3.0升N57為基礎打造，在此塑造下可以輸出381馬力。高達127馬力的升功率，對于一臺柴油發(fā)動機來說是極致表現(xiàn)了。

增壓單元有兩個較小的增壓器和一個大增壓器，每個小增壓器都配有可變渦輪幾何結構，它們的任務是啟動快，轉速高；另一個較大的渦輪增壓器能帶來更大的空氣流量。三個增壓器順序工作，每個根據(jù)不同的轉速來激活。在低轉速區(qū)間，一個小增壓器先進入工作，它的主要任務是快速建立壓力，保證靈敏的油門反應。從1500轉開始，尾氣將會引入到較大增壓器中。這一大一小兩個增壓器可以確保最大的扭矩輸出，并且將其一直保證到3000轉。從稍稍往前的2700轉開始，第二個小增壓器被打開。它的快速介入可以迅速提升發(fā)動機的功率，并協(xié)助大增壓器共同運作，并一直工作到5400轉的盡頭。

復雜交錯的進排氣管路要求把新鮮空氣和排氣流進行精密控制，除此之外三個增壓器還需要借助一個巨大的中冷器來幫助，它可以把壓縮后的空氣降溫，僅僅是這種作用也利于功率的提升?？坪战淌谠u價道，“寶馬的工作人員不僅僅讓增壓提升到了頂點，還將伴隨的控制概念也發(fā)揮到了極致。”當然人們也不得不關注它的重量，“因為不僅要計算渦輪增壓器的重量，還得必須考慮到超大號中冷器的重量?！辈贿^積極的是，這種高增壓的高昂成本也與它的工作效果成正比。不管是在低轉速區(qū)間還是高轉速區(qū)間，這臺3.0升柴油發(fā)動機都保持著積極的工作態(tài)度。動力展開均勻且敦實，自身相對輕的“噠噠”聲在柴油發(fā)動機中也屬于吸引人的那種。耐久性問題上，結合了三渦輪增壓也再次成為焦點。就兩位專家而言并沒有持批評態(tài)度，即便是增壓器的磨損情況，根據(jù)我們運動車型長期測試的結果，和這個增壓的模式并沒有直接的關系。

對于這樣一個高增壓的渦輪增壓柴油機來說，目前比較大的要求就是滿足從9月1日開始實行的歐6排放標準。根據(jù)科赫教授的觀點，實現(xiàn)這種要求的前提條件是尾氣的再循環(huán)：“尾氣的一部分，最多可達約40%，冷卻后被導入發(fā)動機的進氣系統(tǒng)，這必須要結合到渦輪增壓系統(tǒng)中。這個主題純粹是為了推動排放，最主要的是為了減少氮氧化物的排放，這是目前所有人都關心的議題。”冷卻的尾氣包括氮氣、水和二氧化碳，將它們引入發(fā)動機中，可以幫助降低燃燒室的溫度，提升工作效率。從歐6標準開始實行后，這個舉措對于增壓的柴油發(fā)動機來說就是必不可少的。

奧迪RS5 概念車

正是在柴油發(fā)動機方面，增壓科技的研發(fā)取得了巨大的成功。鮑爾教授證實說道：“寶馬的三渦輪增壓會在近期升級為4渦輪增壓系統(tǒng)”，而奧迪也將會在近期推出電動與傳統(tǒng)增壓器的三增壓TDI的量產(chǎn)化方案，其間也會將這項技術推廣到汽油發(fā)動機上。

作為試驗品RS5 TDI的增壓系統(tǒng)由兩個不同大小的廢氣渦輪增壓器和一個革新的電動增壓器構成。這個電機取代了一個渦輪增壓器，其壓氣機可在約250毫秒內(nèi)加速到最大轉速，可以直接或者間接的作用到發(fā)動機曲線上。一方面，它電動的壓縮過程將反應延遲降低到了250毫秒。另一方面，它也能夠讓兩個廢氣渦輪增壓器持續(xù)停留在更高的轉速區(qū)間變?yōu)榭赡堋?/p>

現(xiàn)實中的表現(xiàn)很積極。腳下動作和轉速反映之間只是一眨眼的功夫，扭矩劇烈上升：在1250轉已經(jīng)達到750牛·米的最大扭矩，4200轉時V6發(fā)動機可輸出385馬力，這種驅動態(tài)勢一直要到5500轉才會停止，這個極限轉速在普通柴油機上是不可能的。

總體感覺上來說，動力的表達非常像寶馬的3渦輪增壓，不過相比之下寶馬的3渦輪增壓器表現(xiàn)得更小兒科一些，就增壓壓力來看奧迪用2.4巴力壓寶馬的2.25巴。而中等轉速下的扭矩表現(xiàn)，寶馬也不會像奧迪TDI這樣令人印象深刻。

兩種不同的高科技柴油機增壓模式也存在重合的部分，就工作節(jié)奏以及控制的方式方法來說，科赫教授表示，“三個增壓器均采用并聯(lián)方式?！眾W迪TDI的渦輪增壓器和電動增壓器此外也可以分開控制。從調(diào)校的角度來說就會有更高的可變性，因而產(chǎn)生額外的高扭轉速區(qū)間。達到這個目的的成本也非常昂貴。因為它還需要另外一個要素：電。普通的12伏汽車電源并不能為它提供充足的功率，必須增加第二個48伏的額外供電系統(tǒng)才能保證電動增壓器的高效工作。

這再一次作用到了車身重量上及汽車的成本構成上。這兩點原因可以解釋為什么這套“電+渦輪系統(tǒng)”首先要使用在高端車上的原因。其開端將從2016年年初投放市場的Q7開始。

捷豹XJR

讓我們簡而言之吧，因為這不可能是不痛不癢的批判：或早或晚，這臺機械增壓器終將會走向陌路。即使是今天，它也是個異類：通用用它向上拓寬產(chǎn)品系列，比如用在考維特Z06上，奧迪則仍然用它搭配一臺3.0升V6發(fā)動機。而捷豹則把它搭載在所有6缸和8缸汽油機上——但是新研發(fā)的2.0升渦輪增壓汽油機卻是第一次嘗試擺脫它。

它的問題是根本性的：相比從排氣流中汲取驅動能量并將廢物再利用的渦輪增壓器來說，機械增壓器是從曲軸來截取能量。簡而言之：它是一個寄生蟲，消耗掉自身一部分功率，并降低效率。根據(jù)科赫教授的觀點，這臺機械增壓器根據(jù)不同的調(diào)校模式，最高需要50馬力的功率。所以即使是XJ R5.0升8汽缸帶來的550馬力看樣子也承受不了如此大的消耗。

為什么捷豹仍然依托這種走下坡路的科技呢？有兩點推測：一是這種應用的簡單性。鮑爾教授解釋說，渦輪增壓器設置中必須將所有環(huán)節(jié)聯(lián)系到一處，那是很高的關聯(lián)度。機械增壓的植入并非那么復雜。”從此可以預見的是相比較渦輪增壓發(fā)動機唯一真正的優(yōu)勢，即更好的油門響應。通過連接到曲軸機構上，扭矩的輸出及減少遲滯都能因此獲益，這樣最終實現(xiàn)一個無比直接并且更雄厚的扭矩輸出。即使是這樣也有局限性：因為隨著發(fā)動機轉速的提高，壓縮機的轉速也會增加，所以效果總是隨著轉動比例而發(fā)生變化。

大眾汽車 POLO GTI

大眾汽車所謂的雙增壓（Twin-charger）已經(jīng)引入有6年的時間了。期間，大眾汽車集團的很多運動型小車都應用了這套系統(tǒng)，不過現(xiàn)在也大范圍的從規(guī)劃中撤出。

原則在于：組合式增壓，由一個用排氣驅動的渦輪增壓器和一個機械增壓器構成，這樣一個組件必須為另外一個組件的結構上劣勢做出補償。具體是：在2000轉/分鐘以下的低轉速區(qū)間，渦輪增壓器必須要克服轉矩的時候，機械增壓器完成了增壓。接著向上到3500轉/分鐘時，渦輪增壓開始最大程度壓榨，而機械增壓器開始脫開。期間兩臺增壓器是合力工作。這個工作節(jié)奏的巨大優(yōu)勢在于兩個增器各自在自己最佳工作轉速區(qū)間內(nèi)工作。這個想法再次被應用到了奧迪TDI上面。鮑爾教授表示：“相對更大的渦輪增壓器，相對更大的壓力，并且之前的渦輪遲滯需要由電動增壓器填充。大眾汽車的編排工序非常好，不管是從主觀上還是從名義上：一個1.4升4缸發(fā)動機有著超過133馬力/升的升功率。但這種模式失敗的原因，鮑爾教授給出了最簡單的答案：它的研發(fā)和制造成本都過于高昂。跟隨它的腳步，今天大眾產(chǎn)生了一個強勁和更加簡單的192馬力1.8升單增壓發(fā)動機。