最佳拍檔　當(dāng)渦輪增壓遇上48V輕混

李爾欣

01.如圖所示，配備電動渦輪的紅色車擁有更好的低速響應(yīng)特性，起步加速較普通的灰色車快2.5秒。

前有案例

眾所周知，正是48V輕混系統(tǒng)的出現(xiàn)，才讓部分傳統(tǒng)燃油車能在維持原有架構(gòu)的同時，以極低的成本擺脫環(huán)保任務(wù)的枷鎖。不僅如此，一些傳統(tǒng)燃油動力單元的頑疾，也因為48V輕混系統(tǒng)的到來，從而真正獲得根治的可能。例如，渦輪遲……

說起來，與汽車動力相關(guān)的各方廠商其實至少在十年前就已經(jīng)嘗試過利用可以直接啟動的電機來解決渦輪遲滯的問題。而且從當(dāng)年的資料來看，盡管用的還是12V蓄電池，但也已開發(fā)出電輔助增壓系統(tǒng)和電動增壓器兩種模式。

其中的電輔助增壓系統(tǒng)多數(shù)是在廢氣渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子與壓氣轉(zhuǎn)子之間加入輔助電機，并依據(jù)發(fā)動機工況主動切換工作模式：當(dāng)發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時，由電機直接帶動轉(zhuǎn)子吸氣增壓，從而跳過渦輪遲滯，使發(fā)動機輸出有效扭矩;而在高速工況下，隨著廢氣渦輪開始全力壓縮空氣，電機便切入發(fā)電模式，為12V蓄電池充電。

至于“電動增壓器”，則是布置在進氣歧管前端的電驅(qū)動壓氣機，基本可以獨立完成為發(fā)動機吸氣增壓的工作，但更為多見的做法是：將電動增壓器與廢氣渦輪增壓器的壓氣轉(zhuǎn)子串聯(lián)，以幫助渦輪增壓器盡快渡過渦輪遲滯階段，之后便關(guān)閉電動增壓器的進氣通道，改成常規(guī)的廢氣渦輪增壓回路。

另外，由于電動增壓器位于發(fā)動機的進氣歧管之前，如果轉(zhuǎn)速過低，就會使進氣流量變小，從而造成發(fā)動機吸氣阻力增加，最終導(dǎo)致發(fā)動機的功率降低。然而，受限于12V的“低”電壓，哪怕是正規(guī)廠家出品的電動增壓器，也只能讓壓氣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到70000rpm左右，遠不及普通廢氣渦輪增壓器那高達100000rpm以上的轉(zhuǎn)速。如果非要以12V的電壓驅(qū)動更大功率的電機，那就得冒著危險成倍增加工作電流，好比筆者以前認識的一位朋友，就因為改裝了電動渦輪這玩意，結(jié)果落得火燒車的下場。

可見，基于12V電壓打造電動渦輪增壓器這事兒非常不劃算：即便費盡力氣以合適的成本量產(chǎn)出可以耐受高溫，并且支持頻繁啟停的高性能電機，最后得到的吸氣增壓效果多半還不及傳統(tǒng)的廢氣渦輪。對此，最簡單的解決辦法便是適當(dāng)加大工作電壓，從而在工作電流強度基本不變的前提下，帶動更大功率的電機。比如，用48V電源來驅(qū)動電動渦輪。

02.輔助式電動渦輪的工作原理：在啟動或發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，直接由電動渦輪從旁通回路吸氣并增壓，從而讓發(fā)動機快速響應(yīng)（右），當(dāng)廢氣渦輪開始全力增壓進氣時，關(guān)閉電動渦輪的旁通回路，改回常規(guī)廢氣渦輪增壓發(fā)動機（左）。

汽車工程師很早就知道可以通過電機直接啟動壓氣葉輪來消除渦輪遲滯。

輔助+發(fā)電的角色

給電動渦輪增壓器接上48V電源后，最直接的變化就是電流強度會大幅降低。例如，奧迪當(dāng)年在RS5概念車上首度試用48V電動渦輪時便發(fā)現(xiàn)，假設(shè)一個功率為7kW的電動渦輪在12V電壓下的工作電流為583mA，那么改用48V電壓后，對應(yīng)的數(shù)值即可降至145mA。

此外，啟用48V電動渦輪不僅有助于消除渦輪遲滯，更能讓發(fā)動機進一步小型化和“低速化”，并順帶改善油耗與排放：一方面，隨著小尺寸渦輪和集成化驅(qū)動電機的應(yīng)用，相關(guān)廠商可以用機體更緊湊的小排量發(fā)動機輸出足以媲美以往大排量自然吸氣發(fā)動機或大尺寸渦輪增壓發(fā)動機的功率與扭矩;另一方面，由于驅(qū)動電機可以極大地改善渦輪增壓器的響應(yīng)特性，以至于發(fā)動機在極低的轉(zhuǎn)速下就能達到扭矩峰值，并長時間以較低的轉(zhuǎn)速維持高速工況，從而讓車輛可以獲得更好的燃油經(jīng)濟性以及更為出色的低轉(zhuǎn)速性能。

不過，在歷經(jīng)數(shù)年的嘗試之后，相關(guān)廠商發(fā)現(xiàn)，即便用上48V電源，現(xiàn)有的電動機既害怕在高溫環(huán)境下長時間工作，也仍難像廢氣渦輪增壓器那樣讓壓氣葉輪以每分鐘十幾萬乃至幾十萬轉(zhuǎn)的高速持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，現(xiàn)役48V電動渦輪已普遍擱置獨立工作的方案，而轉(zhuǎn)以輔助驅(qū)動為主：通常會在廢氣渦輪增壓系統(tǒng)之外，單獨于進氣旁通管道中布置電動渦輪，主要用于在低轉(zhuǎn)速工況下為發(fā)動機吸氣增壓，一旦廢氣渦輪進入全力增壓狀態(tài)，電動渦輪便停止工作，發(fā)動機也不再從旁通回路吸氣，轉(zhuǎn)而“變成”尋常的廢氣渦輪增壓發(fā)動機繼續(xù)工作。

博格華納eBooster

博格華納的eBooster電子增壓器系列目前已發(fā)展出兩代產(chǎn)品，并且都有12V和48V兩種規(guī)格。其中，12V的eBooster主要適配2.0L以下排量的發(fā)動機，再往上，尤其是3.0L以上的發(fā)動機，就必須配備48V的eBooster。而現(xiàn)款48V的eBooster為第代產(chǎn)品，輸出功率通常在5～6kW，但可在瞬間沖到6.2kW，并能以2～3kW的功率持續(xù)工作，可驅(qū)動自身的壓氣葉輪達到70000rpm的轉(zhuǎn)速，但需要額外配備水冷系統(tǒng)。

眼下，已有奔馳M256等多款搭配48V輕混系統(tǒng)的新世代發(fā)動機用上博格華納的eBooster電子增壓器。而多數(shù)汽車廠商選擇將eBooster布置在廢氣渦輪增壓器與中冷器之間的旁通回路中，主要用于緩解廢氣渦輪的遲滯問題，并根據(jù)需要提供增壓補償。當(dāng)然，在廢氣渦輪全力增壓的時候，發(fā)動機也會關(guān)閉eBooster以及對應(yīng)的旁通回路，變回普通的廢氣渦輪增壓發(fā)動機。

福特Mustang 2.3T/2.3T eBooster/5.0L性能比較表

在推出48V電動渦輪之前，博格華納曾給福特Mustang2.3T的渦輪增壓發(fā)動機裝上eBooster，再跟Mustang5.0的自然吸氣V8發(fā)動機作對比。由數(shù)據(jù)可見，在加裝eBooster之后，福特的2.3T發(fā)動機不僅獲得更好的響應(yīng)特性，并且還能輸出與5.0LV8自然吸氣發(fā)動機相當(dāng)?shù)墓β逝c扭矩，同時，油耗也比原來的2.3T發(fā)動機有所降低。

法雷奧電動增壓器

2010年，在經(jīng)過多年的摸索后，英國的ControlledPowerTechnologies公司開發(fā)出可使用車載12V蓄電池且真正有效的電動增壓器，并稱之為VariableTorqueEnhancementSystem可變扭矩增強系統(tǒng)。與其他同類產(chǎn)品不同的是，CPT研發(fā)的電動增壓器沒有采用直流電機或永磁電機，而改用開關(guān)磁阻電機。這意味著，CPT的電動增壓器盡管會比較吵，卻更易驅(qū)動，也更好控制，而且能調(diào)出較高的轉(zhuǎn)速，還適應(yīng)頻繁啟動的應(yīng)用場景。

CPT電動增壓器主要參數(shù)

之后，法雷奧從CPT公司手中購得該項技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上又衍生出24V和48V兩種不同規(guī)格的電動增壓器。其中，48V規(guī)格的電動增壓器已裝在奧迪SQ7等車型的渦輪增壓發(fā)動機上，并使相應(yīng)發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下的動態(tài)響應(yīng)得到明顯改善。此外，法雷奧還聲稱，當(dāng)電動增壓器與自家的能量回收系統(tǒng)相結(jié)合時，車輛在歐洲NEDC測試循環(huán)下的燃料消耗量可降低15%至20%。不僅如此，法雷奧還表示，這套電動增壓器已在1.0～2.4L的自然吸氣發(fā)動機，以及1.0～4.0L的渦輪增壓發(fā)動機上測試成功。不過，目前還沒在量產(chǎn)車的汽油發(fā)動機上見到獨立工作的法雷奧電動增壓器，這玩意兒多用于輔助渦輪發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器。

蓋瑞特E-Turbo

當(dāng)蓋瑞特還沒有脫離霍尼韋爾獨立前，這個專攻渦輪系統(tǒng)的行家就已經(jīng)在研究電動渦輪增壓器。現(xiàn)在，蓋瑞特的E一Turbo系統(tǒng)主要有兩種產(chǎn)品：電動壓縮機和電動渦輪增壓器。其中，電動壓縮機是用來取代廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪轉(zhuǎn)子部分的獨立裝置，通過軸連接直接驅(qū)動增壓器的壓氣葉輪，而不再需要廢氣推動渦輪，并且可以精確控制吸入的新鮮空氣的流量。不過，也正因為要直接取代廢氣渦輪，所以電動壓縮機必須擁有極高的轉(zhuǎn)速。對此，蓋瑞特預(yù)設(shè)的目標是200000rpm，而眼下，全新一代電動壓縮機仍在為匹配量產(chǎn)車做著各種測試，倒是原理類似的電動空氣壓縮機已先一步用于本田Clarity氫燃料電池車，用來為氫電池堆輸送燃料。

至于電動渦輪增壓器，則是安裝在廢氣渦輪軸上的高速電機，用于在啟動時直接驅(qū)動另一端的壓氣葉輪，實現(xiàn)吸氣增壓，從而消除渦輪遲滯。然后又會在廢氣的帶動下，切入發(fā)電模式為動力電池充電。蓋瑞特預(yù)計，量產(chǎn)混合動力車將于2021年用上全新的電動渦輪增壓器，并有望達到歐7排放標準。

搭檔48V輕混系統(tǒng)的新世代發(fā)動機，如奔馳M256已配備來自不同供應(yīng)商的48V電動渦輪，且命名各不相同，有的叫ESC電子機械增壓，有的則是EPC電動增壓器。

奧迪3.0 TDI已配備來自不同供應(yīng)商的48V電動渦輪，且命名各不相同，有的叫ESC電子機械增壓，有的則是EPC電動增壓器。

當(dāng)然，各大廠商的具體解決方案之間會有細微的差別。例如，有的方案會把電動渦輪布置在廢氣渦輪之前，以避開高溫工作環(huán)境，也無需承受較高的增壓值，從而可用成本較低的材料打造電動渦輪;而有的方案就把電動渦輪放在廢氣渦輪與中冷器之間的進氣通道里，以減少對發(fā)動機進氣通道的干擾，同時又能保持較好的瞬時響應(yīng)效果。

與此同時，隨著能量回收系統(tǒng)的進化，越來越多的48V電動渦輪解決方案選擇讓增壓器的驅(qū)動電機在廢氣渦輪起效后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，加入到能量回收系統(tǒng)中，為48V電池組充電。接下來，48V電動渦輪又有兩個進化方向：一是徹底取代廢氣渦輪，成為eTurbo，并且是高度集成化的電機驅(qū)動式渦輪增壓器;二是繼續(xù)作為廢氣渦輪增壓器的輔助補償，但進一步優(yōu)化控制算法，成為智能渦輪增壓補償器。目前，兩條路線都有廠商在嘗試，并且各有機遇與難關(guān)。不過，要是插電的各類“新能源汽車”真正成為主流，那進化的趨勢自然會更傾向于eTurbo路線。