歡迎進入“電動渦輪”時代

渦輪增壓成為發動機科技主流

對汽車動力系統稍有研究的讀者應該都熟知：為了增加發動機輸出功率同時不加大排氣量，透過增壓器將空氣壓縮至正常大氣壓以上吸入成為最有效的解決方案！近年來推動渦輪增壓技術的關鍵在于“油價高漲”以及對“發動機小型化”的需求：超過100美元/桶的燃料價格顛覆了汽車產業，發動機小型化的需求刻不容緩。幾年前Volkswagen市場研究部門即判斷若油價維持100美元/桶的水平，市場主流車款的排氣量將被迫縮小到1.4升、入門級高檔車將由過去使用V6發動機改為使用1.6至1.8升排量的直列四缸發動機，前述預言目前已經成真。但由于新車款的重量不斷增加（安全結構與更多電子系統所致），發動機提供的動力輸出不能因為排氣量縮小而降低。魚與熊掌兼得的唯一方法就是透過增加進氣壓力以提升發動機動力輸出！發動機增壓的主要目的從過去的“提升性能與駕駛樂趣”轉變為“滿足日常駕駛所需”，其使用模式也大幅改變。

源自航空用發動機的增壓器誕生至今超過80年，最早的增壓器全部都是機械增壓（Supercharger），之后利用燃燒產生的廢氣向壓縮機提供動力的渦輪增壓器（Turbocharger）也跟著誕生。早年機械增壓技術雖有著眾多優點（無遲滯、低轉速啟動、穩定性好、壽命長等）而率先得到市場認同，但是其需要消耗發動機部分動力來帶動增壓器工作一直是廣受抱怨的最大弊端！由于透過曲軸帶動，機械增壓器必須損耗部分發動機動力，一般機械增壓器約消耗20%的發動機動力。原因在于發動機運轉過程中、機械式增壓器始終處于工作狀態（不論轉速高低）因此也始終在消耗能源。反觀渦輪增壓器僅在需要增壓時才開始工作，因此渦輪增壓發動機的節能表現較佳。

消除增壓延遲的各種方案

一臺發動機裝上渦輪增壓器后，其最大輸出功率與未裝增壓器前相比可提高大約40%甚至更多，但額外的動力并非沒有代價：“增壓延遲（Turbo lag）”會使駕駛者感覺在踏下油門與渦輪提供額外動力之間有一段時間差。過去渦輪增壓器最大的缺陷在于“增壓延遲”，因為它需要一段時間讓排出的氣體達到一定速度以加快葉輪/渦輪的轉速。

從最佳工作環境來分析，機械增壓技術最適合與大排量發動機搭配，因為此類發動機在低轉速區間仍有足夠大的扭力能帶動機械增壓器，不過在高轉速區間（大于4500 rpm）機械增壓器反而變成發動機的負載（增壓帶來的動力提升還不如增壓耗費的動力）。前述特色讓汽車制造商在小排量車型內使用機械增壓器時陷入兩難：小排量自然進氣發動機很難在低轉速下提供很高扭力，但機械增壓器要達到理想效果必須要一定的扭力，而渦輪增壓器啟動又需要一定的轉速。目前車廠的焦點都放在如何讓渦輪增壓器在低轉速下工作更有效率。

幾十年來，汽車工程師都在尋找消除增壓延遲的最佳方式，最早的方案是藉由降低渦輪零件（軸承或扇葉）的轉動慣性：例如使用較輕的材質來使渦輪比較易于推動，陶瓷（或是鈦合金）渦輪可有效輕量化，但在產生最大增壓時比其他材料脆弱。Porsche車廠則為了讓渦輪增壓發動機在高低轉速范圍都能保證良好增壓效果，推出透過電子系統控制導流葉片渦流截面的VGT可變渦輪葉片！發動機低轉速時由于導流葉片打開的角度較小，空氣流速加快加速渦輪反應，進而有效降低增壓延遲現象。而在發動機高轉速時導流葉片全開以降低排氣背壓，從而達到一般大渦輪的增壓效果。

為了更進一步提升發動機整體表現（反映在油門反應與節能效果），工程師又提出超過一個以上渦輪增壓器的迭加設計。“多渦輪增壓器”設計最常見的形式是雙渦輪增壓，而雙渦輪增壓又分為串聯一大一小兩個渦輪（一般稱為Twin Turbo）或并聯兩個同樣尺寸的渦輪（Biturbo），這兩種設計方式的目的也有明顯差距。其中串聯一大一小兩個渦輪主要是改善增壓延時（或稱為渦輪遲滯）現象，低轉速時推動反應較快的小尺寸渦輪以強化低轉速扭力，進入高轉速時大尺寸渦輪介入并提供充足的進氣量，發動機最大功率輸出得以提高，如此設計主要出現于小排量、汽缸數目較少（四缸以內）的發動機。

制約電動渦輪的關鍵

即便不少車廠聲稱對于渦輪增壓器的控制方法已經到了爐火純青的地步，但其實仍無法掩蓋因增壓延時衍生的動力響應遲滯問題，只是很小心地隱藏在看似線性的動力曲線背后。不過汽車工程師挑戰極限的熱情再一次推動了科技的創新：除了傳統雙渦輪布局及廢氣驅動之外，是否能搭配其他動力來源驅動渦輪增壓器？最新的答案是在傳統渦輪增壓器之外追加一個由電力驅動的主動式渦輪（Electric Turbo），以確保低轉速時的動力輸出，進而構成全轉速范圍帶動力優化的渦輪系統。

電子科技與電池儲能、回收能量的技術在過去30年高速發展，致使電子零組件占汽車制造成本的比例也逐漸提高，這使得增加一個由電池驅動的電動渦輪與廢氣渦輪協力工作、改善渦輪增壓發動機的低轉速表現成為可能。Audi車廠工程師更設計當發動機轉速攀升至足以使安裝在排氣系統上的渦輪增壓器發揮作用時，位于中冷器后方的旁通閥就會打開，有效運作的廢氣渦輪增壓器從此時開始接手電動渦輪。第一款采用電子增壓器的量產車型是Audi SQ7（Audi車廠證實這款車于2016年問世），其搭載的V8柴油發動機由于配置電動渦輪增壓器，因此可產生高達400匹的最大馬力，0～100km/h加速僅需5.5秒就可完成。負責為其提供電動渦輪組件的知名供貨商Valeo早已累積了稱為“Electric Supercharger”的豐富經驗：其電動增壓器如傳統機械增壓器，采用離心式設計來作為增壓工具并使用低轉動慣量的磁阻式馬達，其快速反應是傳統廢氣渦輪增壓器無法比擬的。在節能效果上，根據Valeo工程師提供的數據，目前12伏特汽車電子系統上其電動增壓器對節能的貢獻為8%～10%，而與混合動力系統結合時，其省油率更可達到15%～20%。

電動渦輪的其它優勢亦十分明顯：由于不再依賴廢氣提供渦輪轉動的能量，發動機室的布局設計可更加自由，也為進氣系統提供了可容納更多先進科技的基礎。在結構方面，由于不接觸廢氣，因此電動增壓器得以脫離惡劣的高溫工作環境，在產品耐用性、壽命以及進氣效率等方面均有優勢。以電動渦輪系統快速的發展速度來判斷，未來不論是作為輔助作用、減少渦輪遲滯效應的產品，或是獨立擔任增壓器功能（以Subaru車廠的腳步最為積極）的大功率產品，其商品化都指日可待。不過Valeo也認為電子增壓器雖擁有許多優點，但目前也還有兩大缺陷，首先是持續運轉較為耗電，對供電系統（發電機）的壓力過大，同時制造成本也因未達規模經濟而無法壓低。另外由于汽油發動機的廢氣溫度在1000°C左右，遠高于柴油發動機400°C的廢氣溫度，汽油發動機的高溫環境讓電動渦輪的成熟應用仍須一段時日。但隨著缸內直噴、VALVETRONIC可變氣門揚程、Double-VANOS可變氣門正時等技術逐漸普及，電動控制渦輪增壓技術的導入，小排量發動機使用串聯式雙渦輪增壓系統的需要逐漸降低是不爭的事實。