增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代

时间:2020-06-28 作者:

 

自从人类发明内燃式引擎以来,汽车工程师、追求极速的车手和赛车设计师们始终在寻找提昇其动力的有效方式?为了有效解决「增压迟滞」问题,近几年汽车製造商从机械增压器、涡轮增压器技术一直演进至电动涡轮增压器时代,目前Audi已启动换用电动涡轮增压器的计画、而负责核心零件生产的Valeo也确认投入量产,电动涡轮增压的优劣势为何?请看我们的分析。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代源自航空用引擎的增压器诞生至今的历史超过80年(BMW为箇中翘楚),最早时全部都是机械增压。

文 许鸿德

对汽车动力系统稍有研究的读者应该都熟知:为了增加引擎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气压以上吸入成为最有效的解决方案!过去推动涡轮增压技术的关键在于「油价高涨」,超过100美元/桶的燃料价格颠覆了汽车产业,引擎小型化的需求刻不容缓。几年前VW市场研究部门即判断若油价维持100美元/桶的水準,市场主流车款的排气量将被迫缩小到1.4升、入门级高级车将由过去使用V6引擎改为使用1.6至1.8升排量的直列四缸引擎,前述预言目前已经成真。

然而,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),引擎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昇引擎动力输出,引擎增压的主要目的则从过去的「提昇性能与驾驶乐趣」转变为「满足日常驾驶所需」,其使用模式也大幅改变。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代 

源自航空用引擎的增压器诞生至今的历史超过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,但是其需要消耗引擎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引擎动力:一般机械增压器约消耗20%的引擎动力,原因在于引擎运转过程中、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,因此涡轮增压引擎的节能表现较佳。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代1980年代开始,涡轮增压器大量使用于竞技车辆与民用车辆。

并、串联式双涡轮增压器设计

目的、效果均不同

一具引擎装上涡轮增压器后,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:「增压迟滞(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「增压延时」,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。与机械式增压器相比较,涡轮增压器仅在需要增压时才开始工作,因此涡轮增压引擎的节能表现较佳。

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从最佳工作环境来分析,机械增压技术最适合与大排量引擎搭配,因为此类引擎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4500rpm)机械增压器反而变成引擎的负载(增压带来的动力提昇还不如增压耗费的动力)。而前述特色让汽车製造商在小排量车型内使用机械增压器时陷入两难:小排量自然进气引擎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;目前车厂的焦点几乎都放在如何让涡轮增压器在低转速下工作更有效率?

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代机械增压技术在低转速区间仍有足够大的扭力能带动机械增压器,不过在大于4500rpm的高转速区间时机械增压器反而会成为引擎的负载。

几十年来,汽车工程师都在寻找消除增压迟滞的最佳方式,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;虽然陶瓷(或是钛合金)涡轮可有效轻量化,但在产生最大增压时却会比其他材料脆弱。

Porsche为了让涡轮增压发动机在高低转速範围都能保证良好增压效果,则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;引擎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、进而有效降低增压迟滞现象。而在引擎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。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代Porsche、BMW等车厂为了让涡轮增压发动机在高低转速範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可变涡轮叶片系统。

为了更进一步提昇引擎整体表现(反应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叠加设计。「多涡轮增压器」设计最常见的形式为双涡轮增压,而双涡轮增压又分为串联一大一小两颗涡轮(一般称为Twin turbo)或并联两颗同样尺寸的涡轮(Biturbo),目的也有明显差距。其中串联一大一小两颗涡轮主要是改善涡轮迟滞现象,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,引擎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)的引擎。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代过去Audi RS6并联两颗同样尺寸的涡轮,让增压反应快并减低排气管道设计的複杂程度,未来Audi RS5则计画加入电动涡轮以提昇低转速性能。

电动涡轮解决迟滞问题?

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迟滞衍生的动力回应问题,只是很小心将其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:最新的答案是在传统涡轮增压器追加一颗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,进而构成全转速範围带动力最佳化的涡轮系统。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代由于不再依赖废气提供涡轮转动的能量,引擎室的布局设计可更加自由,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。

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,致使电子零组件佔汽车製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、改善涡轮增压引擎的低转速表现成为可能。

Audi工程师更设计出,当引擎转速攀昇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;第一款採用电子增压器的量产车型将是Audi SQ7(2016年问世)。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代Audi车厂工程师更设计当引擎转速攀昇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。

SQ7搭载的V8柴油引擎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。负责提供电动涡轮组件的知名供应商Valeo早已累积了称为「Electric Supercharger」的丰富经验:其电动增压器如传统废气涡轮增压器,採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%。

电动涡轮的其他优势亦十分明显:由于不再依赖废气提供涡轮转动的能量,引擎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亦有优势。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代除了现有的12V供电系统之外,Audi车厂在下一代48V供电系统上也準备好了电动涡轮增压方案。

技术仍有更成熟的空间

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、减少涡轮迟滞效应的产品,或是够独立担任增压器功能(以Subaru的脚步最为积极)的大功率产品商品化都指日可待。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,同时製造成本也因未达规模经济而无法压低。另外,由于汽油引擎的废气温度在1000°C左右、远高于柴油引擎400°C的废气温度,汽油引擎的高温环境让电动涡轮技的成熟应用仍须一段时日。

增压技术下一步 欢迎进入「电动涡轮」时代未来率先导入电动涡轮系统的为大排量引擎,但随着成本与技术的成熟、小排量引擎换用电动涡轮也将成为趋势。

然而,随着缸内直喷、Valvetronic可变汽门扬程、Double-VANOS可变汽门正时等技术逐渐普及,电动控制涡轮增压技术的导入,小排量引擎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。

 

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