電動化是汽油車不共戴天的仇敵?其實它們背地裡正悄悄私通。
奔馳旗下專注於高性能車的子品牌 AMG,宣布將在下一代 C63 配備的 2.0T 四缸機上,應用一個全新的黑科技部件,電子渦輪增壓器。這可能是汽油時代尾聲,電力加持下的另一處巔峰。
渦輪增壓到底是個啥,之前借各種契機講過好幾次了(可參閱《渦輪增壓「過氣」了?》和《汽油車努力起來,真沒電動爹什麼事兒》)。再直白點說,《啥是佩奇》裡那個鼓風機大家都知道長啥樣,裝在車上就能往發動機氣缸裡強行灌空氣。如果這個「車載佩奇」灌風的動力,是發動機排出廢氣的機械能,這就是渦輪增壓。廢氣排得越猛,「佩奇」幹活就越賣力,就這麼個事兒。
所以渦輪遲滯也很好理解了。要想讓「佩奇」幹活兒,發動機得自己先使勁兒,這麼一個時間差和流程差,就導致「佩奇」出力多多少少總會晚一拍,這就叫渦輪遲滯。
為啥非要用渦輪、非要增壓?一直到上個世紀末,汽油車世界裡,不帶任何增壓的所謂自然吸氣發動機才是主流,渦輪增壓只是「另一種選擇」。但自然吸氣發動機發展了一個世紀,要繼續提升動力眼前無非兩條路:提高轉速,或者加大排量。前者會犧牲日常用車工況,後者不利於能耗和排放。怎麼辦呢?加個渦輪,再減小排量。這樣動力的「上限」被提升了,而日常低負荷時的能耗又降低了,bingo!
有好處就必然有代價,首要的一點就是渦輪遲滯。因為遲滯現象的客觀存在,渦輪增壓的發展也有極限。到了十幾年後渦輪已經普及化的今天,渦輪增壓發動機要繼續提升動力,無非換用更大號渦輪、提高渦輪增壓值。然而更大的渦輪慣性更大,意味著更嚴重的遲滯:想讓大號佩奇幹活兒,您得等更久。所以增壓值不能無限制的提高,不然動力峰值是上去了,日常開著卻不好受。
為了儘可能實現提高動力但不加劇遲滯,人們也嘗試了很多種辦法:雙渦輪,把一個大號渦輪換成倆小號渦輪;雙渦管,更科學地利用好排氣脈衝;可變截面渦輪,讓同一個渦輪「敏感度」可變……不過這些措施,作用終歸都是有限的,機械手段減小遲滯的潛力已經被挖掘殆盡。
如今電氣化大潮撲面而來,表面上,汽油車似乎與新生的電動車勢不兩立,而背地裡,它們暗搓搓早就對電動化投懷送抱了。祖國從小就教育我們,分裂對立沒有出路,融合互通才是正道的光。
隨著 48V 電氣系統逐漸普及,既然有了電,廢氣驅動的渦輪增壓總會慢一拍,那麼直接用電機來驅動渦輪不就好了?
好想法,工程師們也確實嘗試這麼做,但一直到奔馳與渦輪供應商蓋瑞特(Garrett)合作研發,即將用於下代 AMG C63 上的這一顆,才算得是真正意義上的電動渦輪。
之前,量產裝車的電驅動渦輪增壓,其實也僅有奔馳和奧迪兩家。2016 年,奧迪在其新一代 TDI 柴油機上率先使用了電渦輪,後來擴展到新 S6/S7 使用的 2.9T 汽油發動機,目前為止還沒有出現在我國市場。2017 年,奔馳推出的直列六缸發動機 M256,成為了應用電渦輪的第二個案例,現在的 S450、GLE450 等都在用。
不過這些渦輪電動化的方案都不太徹底。
奧迪的方案,是在傳統廢氣渦輪與發動機之間,布置一個小型的電動渦輪,奧迪稱之為電力驅動壓縮機 EPC(Electric Powered Compressor)。在廢氣渦輪/主渦輪來不及快速建立壓力時,EPC 在電力驅動下可在 1/4 秒內達到 70000 轉/分,壓力升高几乎是一瞬間,從而起到消除渦輪(主渦輪)遲滯的作用。
(奧迪 3.0TDI )
奔馳之前的方案與之類似,但稍有不同。相同的是奔馳 M256 也採用主廢氣渦輪+輔助電渦輪的組合,不同的是奔馳將電渦輪放在了主渦輪邊上,而奧迪的電渦輪離主渦輪較遠偏居一偶。和奧迪的方案相比,奔馳的這個廢氣+電雙渦輪更緊湊更集中化,比較容易移植到其他型號發動機上。(如果你好奇心更重的話,這種不同,是因奧迪將電渦輪放在了中冷器之後、靠近發動機進氣的位置,而奔馳的電渦輪在中冷器之前、與主渦輪靠得更近。)
(博格華納為奔馳 M256 提供的電動渦輪技術)
二者的大體思路,都沒有拋棄或改造原有的廢氣驅動渦輪,而是在進氣管路上另闢一條「路」安排電渦輪:主渦輪出現遲滯時通過開閉閥門,將空氣引向電渦輪那條路,讓電渦輪先幫忙接一把手,主渦輪壓力起來之後再給接回來。這樣的思路簡單易實現,但畢竟新增了一堆部件,成本和效率上必然吃虧。
而到了本文真正的主角,奔馳 AMG 與蓋瑞特研發的新電動渦輪技術,廢氣渦輪和主渦輪終於合二為一。一臺厚度僅為 40mm 的超小型電機,被塞進了傳統廢氣渦輪增壓器的中心軸上、排氣渦輪一側與進氣壓縮機之間。
(AMG 與蓋瑞特聯手的新電動渦輪)
在傳統渦輪中集成電機,首先難在空間小,其次是工作環境實在太惡劣。要知道,渦輪增壓器,尤其是其廢氣渦輪一側,堪稱是整輛汽車環境最為艱苦的「工位」。發動機高負荷運轉時排出的廢氣,可以讓排氣側渦輪升溫到 600~1000 攝氏度;另一側雖然進來的是新鮮空氣,但經過壓縮後空氣也會升溫;渦輪和壓縮葉輪,各自轉速高度數萬轉,高轉速又會帶來巨大熱量。再加上電機本身運轉時也會大量發熱,在如此狹小的空間布置一臺電機,要想滿足其散熱需求讓它正常工作,難度可想而知。
目前已知的信息,奔馳是將發動機的冷卻水路直接引入對渦輪電機散熱。這可以解釋為什麼這款電動渦輪系統,是被奔馳旗下高性能品牌 AMG 率先使用:對於這些終極駕駛機器,更小更緊湊是非常有價值的,而強大的散熱系統本來就是必須的。
(路試中的下代 C63)
電機驅動,意味著可以完美消減掉渦輪遲滯。只是少點遲滯嗎?別忘了,遲滯是阻礙使用大號渦輪的攔路虎,消除遲滯意味著可以使用更大的渦輪增壓器,也就意味著更高的動力上限。按照預計搭載的 C63 車型發展脈絡,搭載電動渦輪後的 AMG 2.0T 發動機,保守估計也將輸出不少於 450 馬力(現在的 M139 已經有 421ps)。更不要說,這樣的動力還是以零遲滯的線性輸出。
電動化,確實是拓寬汽車未來發展的利器——不論在電動車身上,還是在汽油車身上,最終導向都是更快、更強、同時更省。
面向未來,把電機放在渦輪內部,還會引來一個未來遐想。其實在現在的 F1 賽車上,渦輪增壓器也同軸連接著一個電機,F1 中稱作 MGU-H 熱能回收電機。由於電機通常可以實現反轉發電,意味著電動化的渦輪增壓器理論上可以去掉洩壓閥(用來釋放多餘的排氣壓力),將多餘壓力作用於電機用來發電,這對於混動化的電渦輪汽車來說是寶貴的資源。當今 F1 動力系統高達 50% 的熱效率,其中 MGU-H 電機功不可沒。