欢迎进入“电动涡轮”时代

涡轮增压成为发动机科技主流

对汽车动力系统稍有研究的读者应该都熟知：为了增加发动机输出功率同时不加大排气量，透过增压器将空气压缩至正常大气压以上吸入成为最有效的解决方案！近年来推动涡轮增压技术的关键在于“油价高涨”以及对“发动机小型化”的需求：超过100美元/桶的燃料价格颠覆了汽车产业，发动机小型化的需求刻不容缓。几年前Volkswagen市场研究部门即判断若油价维持100美元/桶的水平，市场主流车款的排气量将被迫缩小到1.4升、入门级高档车将由过去使用V6发动机改为使用1.6至1.8升排量的直列四缸发动机，前述预言目前已经成真。但由于新车款的重量不断增加（安全结构与更多电子系统所致），发动机提供的动力输出不能因为排气量缩小而降低。鱼与熊掌兼得的唯一方法就是透过增加进气压力以提升发动机动力输出！发动机增压的主要目的从过去的“提升性能与驾驶乐趣”转变为“满足日常驾驶所需”，其使用模式也大幅改变。

源自航空用发动机的增压器诞生至今超过80年，最早的增压器全部都是机械增压（Supercharger），之后利用燃烧产生的废气向压缩机提供动力的涡轮增压器（Turbocharger）也跟着诞生。早年机械增压技术虽有着众多优点（无迟滞、低转速启动、稳定性好、寿命长等）而率先得到市场认同，但是其需要消耗发动机部分动力来带动增压器工作一直是广受抱怨的最大弊端！由于透过曲轴带动，机械增压器必须损耗部分发动机动力，一般机械增压器约消耗20%的发动机动力。原因在于发动机运转过程中、机械式增压器始终处于工作状态（不论转速高低）因此也始终在消耗能源。反观涡轮增压器仅在需要增压时才开始工作，因此涡轮增压发动机的节能表现较佳。

消除增压延迟的各种方案

一台发动机装上涡轮增压器后，其最大输出功率与未装增压器前相比可提高大约40%甚至更多，但额外的动力并非没有代价：“增压延迟（Turbo lag）”会使驾驶者感觉在踏下油门与涡轮提供额外动力之间有一段时间差。过去涡轮增压器最大的缺陷在于“增压延迟”，因为它需要一段时间让排出的气体达到一定速度以加快叶轮/涡轮的转速。

从最佳工作环境来分析，机械增压技术最适合与大排量发动机搭配，因为此类发动机在低转速区间仍有足够大的扭力能带动机械增压器，不过在高转速区间（大于4500 rpm）机械增压器反而变成发动机的负载（增压带来的动力提升还不如增压耗费的动力）。前述特色让汽车制造商在小排量车型内使用机械增压器时陷入两难：小排量自然进气发动机很难在低转速下提供很高扭力，但机械增压器要达到理想效果必须要一定的扭力，而涡轮增压器启动又需要一定的转速。目前车厂的焦点都放在如何让涡轮增压器在低转速下工作更有效率。

几十年来，汽车工程师都在寻找消除增压延迟的最佳方式，最早的方案是藉由降低涡轮零件（轴承或扇叶）的转动惯性：例如使用较轻的材质来使涡轮比较易于推动，陶瓷（或是钛合金）涡轮可有效轻量化，但在产生最大增压时比其他材料脆弱。Porsche车厂则为了让涡轮增压发动机在高低转速范围都能保证良好增压效果，推出透过电子系统控制导流叶片涡流截面的VGT可变涡轮叶片！发动机低转速时由于导流叶片打开的角度较小，空气流速加快加速涡轮反应，进而有效降低增压延迟现象。而在发动机高转速时导流叶片全开以降低排气背压，从而达到一般大涡轮的增压效果。

为了更进一步提升发动机整体表现（反映在油门反应与节能效果），工程师又提出超过一个以上涡轮增压器的迭加设计。“多涡轮增压器”设计最常见的形式是双涡轮增压，而双涡轮增压又分为串联一大一小两个涡轮（一般称为Twin Turbo）或并联两个同样尺寸的涡轮（Biturbo），这两种设计方式的目的也有明显差距。其中串联一大一小两个涡轮主要是改善增压延时（或称为涡轮迟滞）现象，低转速时推动反应较快的小尺寸涡轮以强化低转速扭力，进入高转速时大尺寸涡轮介入并提供充足的进气量，发动机最大功率输出得以提高，如此设计主要出现于小排量、汽缸数目较少（四缸以内）的发动机。

制约电动涡轮的关键

即便不少车厂声称对于涡轮增压器的控制方法已经到了炉火纯青的地步，但其实仍无法掩盖因增压延时衍生的动力响应迟滞问题，只是很小心地隐藏在看似线性的动力曲线背后。不过汽车工程师挑战极限的热情再一次推动了科技的创新：除了传统双涡轮布局及废气驱动之外，是否能搭配其他动力来源驱动涡轮增压器？最新的答案是在传统涡轮增压器之外追加一个由电力驱动的主动式涡轮（Electric Turbo），以确保低转速时的动力输出，进而构成全转速范围带动力优化的涡轮系统。

电子科技与电池储能、回收能量的技术在过去30年高速发展，致使电子零组件占汽车制造成本的比例也逐渐提高，这使得增加一个由电池驱动的电动涡轮与废气涡轮协力工作、改善涡轮增压发动机的低转速表现成为可能。Audi车厂工程师更设计当发动机转速攀升至足以使安装在排气系统上的涡轮增压器发挥作用时，位于中冷器后方的旁通阀就会打开，有效运作的废气涡轮增压器从此时开始接手电动涡轮。第一款采用电子增压器的量产车型是Audi SQ7（Audi车厂证实这款车于2016年问世），其搭载的V8柴油发动机由于配置电动涡轮增压器，因此可产生高达400匹的最大马力，0～100km/h加速仅需5.5秒就可完成。负责为其提供电动涡轮组件的知名供货商Valeo早已累积了称为“Electric Supercharger”的丰富经验：其电动增压器如传统机械增压器，采用离心式设计来作为增压工具并使用低转动惯量的磁阻式马达，其快速反应是传统废气涡轮增压器无法比拟的。在节能效果上，根据Valeo工程师提供的数据，目前12伏特汽车电子系统上其电动增压器对节能的贡献为8%～10%，而与混合动力系统结合时，其省油率更可达到15%～20%。

电动涡轮的其它优势亦十分明显：由于不再依赖废气提供涡轮转动的能量，发动机室的布局设计可更加自由，也为进气系统提供了可容纳更多先进科技的基础。在结构方面，由于不接触废气，因此电动增压器得以脱离恶劣的高温工作环境，在产品耐用性、寿命以及进气效率等方面均有优势。以电动涡轮系统快速的发展速度来判断，未来不论是作为辅助作用、减少涡轮迟滞效应的产品，或是独立担任增压器功能（以Subaru车厂的脚步最为积极）的大功率产品，其商品化都指日可待。不过Valeo也认为电子增压器虽拥有许多优点，但目前也还有两大缺陷，首先是持续运转较为耗电，对供电系统（发电机）的压力过大，同时制造成本也因未达规模经济而无法压低。另外由于汽油发动机的废气温度在1000°C左右，远高于柴油发动机400°C的废气温度，汽油发动机的高温环境让电动涡轮的成熟应用仍须一段时日。但随着缸内直喷、VALVETRONIC可变气门扬程、Double-VANOS可变气门正时等技术逐渐普及，电动控制涡轮增压技术的导入，小排量发动机使用串联式双涡轮增压系统的需要逐渐降低是不争的事实。