“可變”的渦輪會增壓

李爾欣

眼下，渦輪增壓發動機儼然已是節能、高效內燃機的代名詞?？僧斈隃u輪增壓器剛被移植到汽車發動機上時，卻是如同興奮劑一般的危險外掛。不僅如此，那時渦輪增壓發動機的油耗、排放也基本跟“環?！倍譄o緣，甚至常常還伴隨潤滑油消耗過快的毛病。

按理說，這樣的發動機很難成為民用汽車發動機，特別是汽油發動機里頭的主流角色，但自從“世界氣候大會”于1997年制定并通過《京都議定書》，以及部分歐洲國家率先于20世紀末、21世紀初正式出手征收排量稅之后，便陸續出現對排量稅以及一系列限定碳排放的氣候協議敏感的整車制造商，并且這些廠商全都投入遠超以往的資源去研發并推廣適用于主流私家車的小排量渦輪增壓汽油發動機。

在這段歷史背后，是工程師“馴化”原始渦輪增壓發動機的過程，同時也是渦輪增壓發動機各種可變技術全面革新的過程。正是在此過程中，渦輪增壓發動機不但得以大幅改善延遲的頑疾，更在平順性、燃油經濟性以及排放性能等方面接近甚至超過同等排量或者動力相當的自然吸氣發動機。

以經典的渦輪遲滯為例，一開始，工程師甚至需要犧牲燃油經濟性及發動機壽命來緩解渦輪遲滯。比如專用于高性能渦輪增壓發動機的偏時點火技術，就以損傷排氣歧管與渦輪壽命為代價。而現在，隨著可變氣門正時、可變幾何渦輪、可變扭矩管理等新技術的應用，連渦輪增壓汽油發動機都已經能在1000rpm 左右便啟動渦輪，進而達到扭矩峰值，順便還能降低排放，并改善燃油經濟性——這可不是空口胡謅的大話，相反，證明可變技術對于渦輪增壓發動機卓有療效的案例，隨手便能拈來幾個。

偏時點火

在高壓缸內直噴技術普及之前的時代，由于多數乘用車的汽油發動機噴油嘴是安裝在進氣歧管上，并且發動機控制電腦也不算太“精明”，所以進氣行程噴油、壓縮行程火花塞跳火點燃油氣混和氣，算是很正常也很普通的四行程發動機運作方式。同樣的，就算是渦輪增壓發動機亦然！

但在上世紀80年代，越來越多賽車、市售性能車競相透過使用大A/R 值渦輪增壓器換取更強大動力時，車廠也發現此舉的副作用就是渦輪增壓器葉輪轉動慣量大了，在發動機低轉速域排氣脈沖較弱時，或是在駕駛人收油門后再加速時，這類渦輪增壓器葉輪的加速反應特別滯后，導致發動機渦輪遲滯、再加速反應遲緩等狀況出現。為此，多家車廠著手研發可緩解渦輪遲滯現象、名為ALS（Anti-lag System）的渦輪防遲滯系統，其運作方式有的是打旁通氣壓到排氣歧管，有的是增加混合氣濃度，而這里我們以第三代三菱Lancer EVO WRC 賽車使用的Misfiring System 偏時點火系統來舉例。

偏時點火的核心基礎，在于運算能力更強大的發動機控制電腦，其能有別于一般車輛當駕駛人不踩油門踏板噴油嘴就不供油，而是在此般條件下還適當噴油到汽缸內。但這時電腦不會讓火花塞急著在爆炸行程就跳電點燃汽油，而是在排氣行程中排氣門已經打開，多數汽油被推入排氣芭蕉時，控制點火模塊以延后35～40 度的點火正時角點燃混合氣并加溫排氣芭蕉，于是爆炸就會依著流體慣性在排氣芭蕉段內進行，而非汽缸內。這樣特別的后端燃燒有何目的呢？答案就是：在駕駛人收油減速時，發動機依然能依靠排氣芭蕉段內的爆燃推動渦輪增壓器葉輪保持高速運轉，而在駕駛人重新踩踏油門要加速時，渦輪壓力就能立馬補充上來，遲滯的問題就迎刃而解了。

在那個時代看起來很有學問的Misfiring System，如果要當今有可變氣門挺舉角、缸內直噴……等一堆先進機構的發動機來達成，其實難度一點都不高，但為什么如今很少看到具有這般功能的發動機呢？理由一，由于渦輪增壓器被長時間維持在高溫、高轉速環境下工作，其使用壽命會大幅縮短;理由二，由于爆燃是在排氣芭蕉段進行，因此容易伴隨排氣爆裂聲與排氣尾嘴噴火現象出現。其中理由二雖然對于喜歡激情駕車的人來說是享受，但對多數人來說噪音恐怕不太能接受;理由一就更不用說了，誰喜歡常?；ù箦X換修渦輪增壓器呢？

分析

1.第三代Lancer EVO市售版車型發動機搭配Garrett渦輪機，WRC賽車采用MHI大型渦輪機。

2.WRC賽車的4G63T雖然壓縮比更低，能用更大渦輪催逼更強大動力，但卻能確保再加速反應快速與更少遲滯。

VGT可變幾何渦輪

所謂“可變幾何”，一般是指渦輪轉子噴嘴通道的幾何形狀可變。之所以要改變噴嘴的幾何形狀，是因為在不同的發動機轉速下，對渦輪轉子的負荷需求其實也在變化。簡單來講，在低轉速時，工程師希望有個低慣量的小尺寸渦輪，以便更易啟動，從而緩解渦輪遲滯;但在高轉速下，小渦輪的截面積對于增大的廢氣流量來說偏小，不僅浪費較多的廢氣能量，更會導致發動機效率降低，此時反而需要大尺寸的渦輪轉子來充分利用排放的大氣流，并減少排氣回壓，進而提升增壓效果。但如果只有一個尺寸固定的大渦輪，那就得控制氣流大小來調節渦輪轉子的負荷，在實際應用中，常通過主動調節渦輪葉片的角度來實現對氣流的控制。

值得一提的是，由于渦輪增壓柴油發動機的排氣溫度普遍低于600℃，所以很早就用上VGT技術;而渦輪增壓汽油發動機的排氣溫度卻可高達1000℃，而能夠長時間忍耐高溫的材料又很貴，以至于直到21世紀才有量產車用上VGT技術。

至于VGT可變幾何渦輪的“療效”，只需對比996代911Turbo和997代911Turbo 兩款車的發動機，便能知曉答案。從缸徑和沖程來看，這兩款發動機顯然用的是同一套缸體，但同樣是雙渦輪，M97.70不僅性能更強，并在更低的發動機轉速達到扭矩峰值，區別就在于，M97.70擁有博格華納出品的VGT大尺寸渦輪。只不過，保時捷把這玩意叫作Variable TurbineGeometry可變渦輪幾何而已。

分析

1.具備VGT，最大扭矩發放轉速得以降低，低轉速域渦輪遲滯現象更輕微。

2. 997一代發動機壓縮比降低，是為了讓渦輪機打出更高增壓值而做出的設定，但此舉往往造成低轉速域扭矩更差。但有了VGT技術，很好避免了這般弊端發生，兼顧動力更好、遲滯更輕微。

VC-T可變壓縮比

既然壓縮比實際上指的是活塞運行到上止點時汽缸內燃燒室的容積與活塞在下止點時汽缸內燃燒室的容積之比，那壓縮比越大，汽缸內的混合氣自然就能燃燒得更加充分，而發動機的燃油經濟性便越好，同時輸出功率也會越大。這意味著，可通過提高壓縮比來改善渦輪增壓發動機的燃油經濟性與排放。

但是，更充分的燃燒還會抬高汽缸內的溫度，這對于燃燒溫度本就偏高的汽油發動機來說反成安全隱患。于是，工程師便引入可變壓縮比技術，使發動機可根據負荷狀況自行調節壓縮比。

不過，要使可變壓縮比結構能夠長期、穩定地工作卻很難。截至目前，也就薩博、日產、標致雪鐵龍3家汽車制造商展示過實用的可變壓縮比發動機，但只有日產最終造出量產機型。不僅如此，日產在2005年拿到VCR可變壓縮比發動機結構專利后，也一直等到2018年才真正得以實現可變壓縮比汽油發動機KR20DDET的量產。好在事實證明，可變壓縮比技術確實令渦輪增壓汽油發動機受益匪淺。根據日產的數據，使用VCR可變壓縮比技術，可讓100km/h 等速工況下的發動機油耗降低13%。而相比日產上一臺2.0L 排量，搭載在Bluebird 2000SSS、Pulsar GTi-R、Silvia等車上的渦輪增壓發動機SR20DET來說，全新天籟的2.0升渦輪增壓機器KR20DDET在性能上全面領先。

分析

1.SR20DET是一款偏向中高轉速域發力的機器，渦輪遲滯頗為明顯;而KR20DDET沖程較長、缸徑更短，更多考慮低轉扭矩發放特性。

可變扭矩管理系統+新型IHI渦輪增壓器

當渦輪增壓發動機總算搞定縮減渦輪遲滯、改善油耗與排放等“任務”后，自然吸氣發動機的擁躉們卻又拋出新的難題：響應時間。不過，法拉利F154CB發動機似乎已經解決這一問題。因為它擁有Variable TorqueManagement可變扭矩管理系統。這是一套根據變速箱擋位、發動機轉速、駕駛人油門Duty 率……，甚至突破性的精確到連渦輪增壓器葉輪轉速都加以精確采擷的系統，并且能根據強大電腦運算能力，透過控制排氣壓力等方式來調整IHI渦輪機的葉輪轉速，并形成閉環調控模式，也因此能非常實時的控制發動機扭矩輸出曲線，使發動機在每個擋位都能獲得充沛扭力。

正是得益于此，法拉利只用一年，便讓California T上那臺仍能感覺到渦輪遲滯的F154BB，蛻變成2000rpm以上的油門響應速度與自然吸氣發動機水平相當的F154CB，進而賦以488 GTB游刃有余的動力性能。來到2018年，488 Pista搭載的F154CD更已擁有可媲美法拉利自家自然吸氣V12發動機輸出特性的扭力曲線。

盡管無法用文字直觀地表現出F154系列發動機的油門響應到底有多快，但對比法拉利上一代渦輪增壓V8——F120系列發動機的參數可知，排量更大的F154系列發動機不僅性能更強，還更快達到扭矩峰值，并有更好的燃油經濟性。比如，同樣在城市擁堵路段，搭載F154CB的488GTB的油耗為16.6L/100km， 而使用F120A的F40的油耗卻高達19.2L/100km。雖然這并不完全是可變扭矩管理系統的功勞，但它在里頭起到的作用卻是不可或缺的。

分析

1.排量更大的F154CD發動機自然需要尺寸更大的渦輪轉子，但從性能參數來看，它不僅渦輪遲滯更輕微，并且燃油經濟性也更好。

2. 9.4 ：1的壓縮比對于一臺性能發動機來說是有很高爆震出現危機的，但F154CD能憑借精確的控制增壓值、供油量、點火正時……確保發動機健康與性能兩不誤。