最佳拍檔　當(dāng)渦輪增壓遇上48V輕混

李爾欣

01.如圖所示，配備電動(dòng)渦輪的紅色車擁有更好的低速響應(yīng)特性，起步加速較普通的灰色車快2.5秒。

前有案例

眾所周知，正是48V輕混系統(tǒng)的出現(xiàn)，才讓部分傳統(tǒng)燃油車能在維持原有架構(gòu)的同時(shí)，以極低的成本擺脫環(huán)保任務(wù)的枷鎖。不僅如此，一些傳統(tǒng)燃油動(dòng)力單元的頑疾，也因?yàn)?8V輕混系統(tǒng)的到來，從而真正獲得根治的可能。例如，渦輪遲……

說起來，與汽車動(dòng)力相關(guān)的各方廠商其實(shí)至少在十年前就已經(jīng)嘗試過利用可以直接啟動(dòng)的電機(jī)來解決渦輪遲滯的問題。而且從當(dāng)年的資料來看，盡管用的還是12V蓄電池，但也已開發(fā)出電輔助增壓系統(tǒng)和電動(dòng)增壓器兩種模式。

其中的電輔助增壓系統(tǒng)多數(shù)是在廢氣渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子與壓氣轉(zhuǎn)子之間加入輔助電機(jī)，并依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況主動(dòng)切換工作模式：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由電機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)子吸氣增壓，從而跳過渦輪遲滯，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有效扭矩;而在高速工況下，隨著廢氣渦輪開始全力壓縮空氣，電機(jī)便切入發(fā)電模式，為12V蓄電池充電。

至于“電動(dòng)增壓器”，則是布置在進(jìn)氣歧管前端的電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，基本可以獨(dú)立完成為發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣增壓的工作，但更為多見的做法是：將電動(dòng)增壓器與廢氣渦輪增壓器的壓氣轉(zhuǎn)子串聯(lián)，以幫助渦輪增壓器盡快渡過渦輪遲滯階段，之后便關(guān)閉電動(dòng)增壓器的進(jìn)氣通道，改成常規(guī)的廢氣渦輪增壓回路。

另外，由于電動(dòng)增壓器位于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管之前，如果轉(zhuǎn)速過低，就會(huì)使進(jìn)氣流量變小，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣阻力增加，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低。然而，受限于12V的“低”電壓，哪怕是正規(guī)廠家出品的電動(dòng)增壓器，也只能讓壓氣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到70000rpm左右，遠(yuǎn)不及普通廢氣渦輪增壓器那高達(dá)100000rpm以上的轉(zhuǎn)速。如果非要以12V的電壓驅(qū)動(dòng)更大功率的電機(jī)，那就得冒著危險(xiǎn)成倍增加工作電流，好比筆者以前認(rèn)識(shí)的一位朋友，就因?yàn)楦难b了電動(dòng)渦輪這玩意，結(jié)果落得火燒車的下場(chǎng)。

可見，基于12V電壓打造電動(dòng)渦輪增壓器這事兒非常不劃算：即便費(fèi)盡力氣以合適的成本量產(chǎn)出可以耐受高溫，并且支持頻繁啟停的高性能電機(jī)，最后得到的吸氣增壓效果多半還不及傳統(tǒng)的廢氣渦輪。對(duì)此，最簡(jiǎn)單的解決辦法便是適當(dāng)加大工作電壓，從而在工作電流強(qiáng)度基本不變的前提下，帶動(dòng)更大功率的電機(jī)。比如，用48V電源來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)渦輪。

02.輔助式電動(dòng)渦輪的工作原理：在啟動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，直接由電動(dòng)渦輪從旁通回路吸氣并增壓，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)（右），當(dāng)廢氣渦輪開始全力增壓進(jìn)氣時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)渦輪的旁通回路，改回常規(guī)廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（左）。

汽車工程師很早就知道可以通過電機(jī)直接啟動(dòng)壓氣葉輪來消除渦輪遲滯。

輔助+發(fā)電的角色

給電動(dòng)渦輪增壓器接上48V電源后，最直接的變化就是電流強(qiáng)度會(huì)大幅降低。例如，奧迪當(dāng)年在RS5概念車上首度試用48V電動(dòng)渦輪時(shí)便發(fā)現(xiàn)，假設(shè)一個(gè)功率為7kW的電動(dòng)渦輪在12V電壓下的工作電流為583mA，那么改用48V電壓后，對(duì)應(yīng)的數(shù)值即可降至145mA。

此外，啟用48V電動(dòng)渦輪不僅有助于消除渦輪遲滯，更能讓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步小型化和“低速化”，并順帶改善油耗與排放：一方面，隨著小尺寸渦輪和集成化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，相關(guān)廠商可以用機(jī)體更緊湊的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出足以媲美以往大排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)或大尺寸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩;另一方面，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以極大地改善渦輪增壓器的響應(yīng)特性，以至于發(fā)動(dòng)機(jī)在極低的轉(zhuǎn)速下就能達(dá)到扭矩峰值，并長(zhǎng)時(shí)間以較低的轉(zhuǎn)速維持高速工況，從而讓車輛可以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性以及更為出色的低轉(zhuǎn)速性能。

不過，在歷經(jīng)數(shù)年的嘗試之后，相關(guān)廠商發(fā)現(xiàn)，即便用上48V電源，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)既害怕在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，也仍難像廢氣渦輪增壓器那樣讓壓氣葉輪以每分鐘十幾萬乃至幾十萬轉(zhuǎn)的高速持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，現(xiàn)役48V電動(dòng)渦輪已普遍擱置獨(dú)立工作的方案，而轉(zhuǎn)以輔助驅(qū)動(dòng)為主：通常會(huì)在廢氣渦輪增壓系統(tǒng)之外，單獨(dú)于進(jìn)氣旁通管道中布置電動(dòng)渦輪，主要用于在低轉(zhuǎn)速工況下為發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣增壓，一旦廢氣渦輪進(jìn)入全力增壓狀態(tài)，電動(dòng)渦輪便停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)也不再從旁通回路吸氣，轉(zhuǎn)而“變成”尋常的廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作。

博格華納eBooster

博格華納的eBooster電子增壓器系列目前已發(fā)展出兩代產(chǎn)品，并且都有12V和48V兩種規(guī)格。其中，12V的eBooster主要適配2.0L以下排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，再往上，尤其是3.0L以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，就必須配備48V的eBooster。而現(xiàn)款48V的eBooster為第代產(chǎn)品，輸出功率通常在5～6kW，但可在瞬間沖到6.2kW，并能以2～3kW的功率持續(xù)工作，可驅(qū)動(dòng)自身的壓氣葉輪達(dá)到70000rpm的轉(zhuǎn)速，但需要額外配備水冷系統(tǒng)。

眼下，已有奔馳M256等多款搭配48V輕混系統(tǒng)的新世代發(fā)動(dòng)機(jī)用上博格華納的eBooster電子增壓器。而多數(shù)汽車廠商選擇將eBooster布置在廢氣渦輪增壓器與中冷器之間的旁通回路中，主要用于緩解廢氣渦輪的遲滯問題，并根據(jù)需要提供增壓補(bǔ)償。當(dāng)然，在廢氣渦輪全力增壓的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)關(guān)閉eBooster以及對(duì)應(yīng)的旁通回路，變回普通的廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

福特Mustang 2.3T/2.3T eBooster/5.0L性能比較表

在推出48V電動(dòng)渦輪之前，博格華納曾給福特Mustang2.3T的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)裝上eBooster，再跟Mustang5.0的自然吸氣V8發(fā)動(dòng)機(jī)作對(duì)比。由數(shù)據(jù)可見，在加裝eBooster之后，福特的2.3T發(fā)動(dòng)機(jī)不僅獲得更好的響應(yīng)特性，并且還能輸出與5.0LV8自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)墓β逝c扭矩，同時(shí)，油耗也比原來的2.3T發(fā)動(dòng)機(jī)有所降低。

法雷奧電動(dòng)增壓器

2010年，在經(jīng)過多年的摸索后，英國的ControlledPowerTechnologies公司開發(fā)出可使用車載12V蓄電池且真正有效的電動(dòng)增壓器，并稱之為VariableTorqueEnhancementSystem可變扭矩增強(qiáng)系統(tǒng)。與其他同類產(chǎn)品不同的是，CPT研發(fā)的電動(dòng)增壓器沒有采用直流電機(jī)或永磁電機(jī)，而改用開關(guān)磁阻電機(jī)。這意味著，CPT的電動(dòng)增壓器盡管會(huì)比較吵，卻更易驅(qū)動(dòng)，也更好控制，而且能調(diào)出較高的轉(zhuǎn)速，還適應(yīng)頻繁啟動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

CPT電動(dòng)增壓器主要參數(shù)

之后，法雷奧從CPT公司手中購得該項(xiàng)技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上又衍生出24V和48V兩種不同規(guī)格的電動(dòng)增壓器。其中，48V規(guī)格的電動(dòng)增壓器已裝在奧迪SQ7等車型的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上，并使相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到明顯改善。此外，法雷奧還聲稱，當(dāng)電動(dòng)增壓器與自家的能量回收系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，車輛在歐洲NEDC測(cè)試循環(huán)下的燃料消耗量可降低15%至20%。不僅如此，法雷奧還表示，這套電動(dòng)增壓器已在1.0～2.4L的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及1.0～4.0L的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)試成功。不過，目前還沒在量產(chǎn)車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上見到獨(dú)立工作的法雷奧電動(dòng)增壓器，這玩意兒多用于輔助渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓器。

蓋瑞特E-Turbo

當(dāng)蓋瑞特還沒有脫離霍尼韋爾獨(dú)立前，這個(gè)專攻渦輪系統(tǒng)的行家就已經(jīng)在研究電動(dòng)渦輪增壓器?，F(xiàn)在，蓋瑞特的E一Turbo系統(tǒng)主要有兩種產(chǎn)品：電動(dòng)壓縮機(jī)和電動(dòng)渦輪增壓器。其中，電動(dòng)壓縮機(jī)是用來取代廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪轉(zhuǎn)子部分的獨(dú)立裝置，通過軸連接直接驅(qū)動(dòng)增壓器的壓氣葉輪，而不再需要廢氣推動(dòng)渦輪，并且可以精確控制吸入的新鮮空氣的流量。不過，也正因?yàn)橐苯尤〈鷱U氣渦輪，所以電動(dòng)壓縮機(jī)必須擁有極高的轉(zhuǎn)速。對(duì)此，蓋瑞特預(yù)設(shè)的目標(biāo)是200000rpm，而眼下，全新一代電動(dòng)壓縮機(jī)仍在為匹配量產(chǎn)車做著各種測(cè)試，倒是原理類似的電動(dòng)空氣壓縮機(jī)已先一步用于本田Clarity氫燃料電池車，用來為氫電池堆輸送燃料。

至于電動(dòng)渦輪增壓器，則是安裝在廢氣渦輪軸上的高速電機(jī)，用于在啟動(dòng)時(shí)直接驅(qū)動(dòng)另一端的壓氣葉輪，實(shí)現(xiàn)吸氣增壓，從而消除渦輪遲滯。然后又會(huì)在廢氣的帶動(dòng)下，切入發(fā)電模式為動(dòng)力電池充電。蓋瑞特預(yù)計(jì)，量產(chǎn)混合動(dòng)力車將于2021年用上全新的電動(dòng)渦輪增壓器，并有望達(dá)到歐7排放標(biāo)準(zhǔn)。

搭檔48V輕混系統(tǒng)的新世代發(fā)動(dòng)機(jī)，如奔馳M256已配備來自不同供應(yīng)商的48V電動(dòng)渦輪，且命名各不相同，有的叫ESC電子機(jī)械增壓，有的則是EPC電動(dòng)增壓器。

奧迪3.0 TDI已配備來自不同供應(yīng)商的48V電動(dòng)渦輪，且命名各不相同，有的叫ESC電子機(jī)械增壓，有的則是EPC電動(dòng)增壓器。

當(dāng)然，各大廠商的具體解決方案之間會(huì)有細(xì)微的差別。例如，有的方案會(huì)把電動(dòng)渦輪布置在廢氣渦輪之前，以避開高溫工作環(huán)境，也無需承受較高的增壓值，從而可用成本較低的材料打造電動(dòng)渦輪;而有的方案就把電動(dòng)渦輪放在廢氣渦輪與中冷器之間的進(jìn)氣通道里，以減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通道的干擾，同時(shí)又能保持較好的瞬時(shí)響應(yīng)效果。

與此同時(shí)，隨著能量回收系統(tǒng)的進(jìn)化，越來越多的48V電動(dòng)渦輪解決方案選擇讓增壓器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在廢氣渦輪起效后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，加入到能量回收系統(tǒng)中，為48V電池組充電。接下來，48V電動(dòng)渦輪又有兩個(gè)進(jìn)化方向：一是徹底取代廢氣渦輪，成為eTurbo，并且是高度集成化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式渦輪增壓器;二是繼續(xù)作為廢氣渦輪增壓器的輔助補(bǔ)償，但進(jìn)一步優(yōu)化控制算法，成為智能渦輪增壓補(bǔ)償器。目前，兩條路線都有廠商在嘗試，并且各有機(jī)遇與難關(guān)。不過，要是插電的各類“新能源汽車”真正成為主流，那進(jìn)化的趨勢(shì)自然會(huì)更傾向于eTurbo路線。