涡轮增压系统的缺陷与前景

尽管近年来涡轮增压技术在中国车市表现抢眼，但是涡轮驱动的设计原理和一些缺陷预示这项技术的前景存在不确定性。我想从汽车行驶的动力需求角度分析涡轮增压技术的贡献与缺陷，给国内急于使用涡轮增压技术的企业浇几滴冷水。

无论什么类型的发动机都是为汽车行驶服务的，驾驶者对多数汽车的基本需求是“能走能停、能快能慢、节油高效、车遂人意”，也就是汽车行驶应该在燃油消耗量最低的前提下符合驾驶者的主观操作要求。然而，涡轮增压技术还无法满足任意转速情况下的“能快”需求，对于“节油”的需求也差强人意。

1、涡轮增压技术的缺陷

在市区行车过程中，发动机大部分时间是处于中低转速(<1750-2000rpm)区间内，恰好在这个区间涡轮增压器无法发挥有效作用，可见这是一个致命缺陷。如果采用机械增压来覆盖中低转速区间，涡轮增压覆盖中高转速区间的双增压技术(比如大众的TSI)来解决这个缺陷，就必须付出耗油量上升的代价;如果把涡轮增压的最大扭矩起始转速继续前移到更低的转速，不仅加大了设计难度，同样也可能导致耗油量上升。

如果在高速路上行车，发动机转速处于2000rpm以上，处于涡轮增压的最佳工作区间，我们在提高速度时可以获得很好的油门响应;如果在市区行车，发动机多数时间处在2000rpm以下，涡轮增压就很难发挥作用，频繁的提速就只能依靠低档高转速来满足动力需求;由此可见，驾驶者需要适应高低时速条件下的两种油门响应状态，比起自然吸气发动机逊色不少。

中低转速时随机获得提速所需要的大动力输出是市区行驶的刚性需求，也是驾驶者的主观愿望。如果在市区行驶和高速行驶的用车时间比达到3:7时，涡轮增压发动机的优势非常明显;比例变为5:5时，汽轮增压的优势就会打折扣;比例变为7:3时，涡轮增压的缺陷就非常明显了。这样看来购车者需要根据自己的主要用车区域来判断是否选择涡轮增压发动机，不能盲目跟风。

设计原理限制了涡轮增压技术的改进空间，主要是无法实现全转速条件下的随机增压需求。

2、涡轮增压技术的前景

能否解决全转速条件下的随机增压需求是决定涡轮增压技术前途的核心问题。

从参数角度看，最大输出功率和最大输出扭矩是涡轮增压的最大亮点，然而，在绝大多数的汽车行驶状态下几乎用不到这个参数。发动机最需要提高的是中低转速+部分负荷状态下的输出扭矩。这里说的“负荷”就是油门大小，油门踩得浅是“小负荷”、油门踩得深是“大负荷”、地板油是“满负荷”。日常驾驶中，基本上是在大中小符合之间不断变换，极少用到地板油的。涡轮增压的驱动机制并不完全是负荷决定的，需要依赖转速，只有达到涡轮增压的有效转速(>1750-2000rpm)时才会感受到踩油门时(负荷)输出动力迅速增强。

最近报道较多的混合喷油模式发动机也许可以为克服传统涡轮增压发动机的缺陷带来希望。采用进气管喷射预混模式作为基础喷油模式，缸内直喷作为随机补充喷油可以形成很好的分层燃烧模式有利于实现不同负荷条件下的随机提速要求。从以往对缸内直喷的报道可以发现这种喷油模式容易造成气缸内严重积炭，如果采用选择式缸内直喷就可以在发挥缸内直喷优势的同时减轻缸内积碳的程度。由于混合喷油模式发动机上市时间还比较短，缺乏数量和时间的积累，在实际运行中的真实情况还需要等待使用者给出的反馈。

另一种新设计是双涡轮增压发动机。如果将双涡轮增压的涡轮叶片分为中低转速叶片和中高转速叶片，有可能在一定程度上克服单一涡轮增压的转速依赖缺陷，但是否能满足驾驶者在任何转速条件下和不同负荷工况中的提速需求还有待观察，如果还能兼顾到综合耗油量维持在一个较低的水平就面临较大挑战。

3、主观介入性增压技术更有利于驾驶需求

在满足基本动力的基础上，驾驶者需要的是整个行车过程中发动机可以提供随机性大动力输出来应对临时性动力需求，比如起步加速、上角度较大的坡(地库出口、快速道引桥等)、超车和高速行驶等;从这个角度设计发动机输出动力需要把现有的转速依赖性增压模式转变为主观控制型增压模式。

(1)主观增压介入模型

主观增压的意思是在驾驶者需要的时间进行增压，满足整个行驶中提速、超车、载重等需求。基本设计原理可以这样做：常规行驶条件下，使用主进气管为发动机提供空气，在需要增加输出动力时，具有增压作用的辅助进气管介入提供所需空气(或者混合气)。这样的设计可以继续使用涡轮增压系统，也可以使用其它反应速度较灵敏的增压方式。主管增压介入模式强调的是发动机全转速的随机增压，不是单一依赖转速，而是依赖油门(节气门)信号和转速的综合指令控制。对于多数驾驶者来说，对汽车动力的需求只要满足“能走能停、能快能慢、节油高效、车遂人意”就够了，不过能满足这样要求的车型并不多，即使很多合资或者进口车也没有做到。

(2)自吸发动机优化模型

单纯追求提高发动机进气量是一个误区，其实发动机很多情况下需要的进气量是非常有限的。对于发动机的基本设计来说是尽量提高最大输出扭矩，所以从进气管直径、节气门大小和进气歧管直径、进气门数量和面积都尽量做大;这样的设计思路会导致发动机在多数工况下进气量过多。我曾经使用减小进气管的“违背常识方法”使汽车动力有一定程度提高，所以认为发动机进气设计时一味追求提高进气量的思路可能存在的误区。

目前关于合理控制气缸进气量的技术还比较滞后，尽管我们现在有了可变气门正时、可变气门升程和可变进气管等控制进气量的技术，但这些控制技术的调节指令基本是依赖发动机转速，而不是负荷;另一方面依靠油压方式推动活塞运动来完成调节也导致了反应速度过于迟钝。如果我们从发动机负荷变化角度来控制或细分进气量变化，甚至依据气缸内燃油分子密度来控制进气量，再加上电子控制调节技术就可以发展出新的发动机进气调节技术。

对于进气量的设计应该从两个坐标拓展：一方面尽量拓宽最大进气量和最小进气量，使进气量的区间尽可能大;另一方面细分每一个“转速/负荷”工况下的进气量控制。老实说，现在单纯追求高大上参数的发动机技术要把这两方面做到较高水平还不一定行，所以自主品牌车企与其盲目追着国外先进技术跑，还不如潜下心来认真研究一些基础知识。

总之，从发展趋势看，自然吸气发动机和增压发动机将会出现一个交汇点，这个交汇点有可能是“随意(主观)增压”发动机。

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