压力下的产物

五年前还是不同的景象：我们那时还在剖析V12发动机，膜拜V10发动机的活塞速度。然而过去的美好已经无法回头不是么？没错，现在人们购买一辆运动跑车的时候，满眼全是增压发动机。要为此情景负责的并不是涡轮增压本身，而是环保因素造成的。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）活塞式发动机学院的负责人托马斯·科赫教授 （Thomas Koch）表示，“NEFZ油耗循环测试（NEFZVerbrauchszyklus）是开展增压科技发条的第一动力，因为一切都关系到油耗和排放。”

未来的发展方向却更加明确：通过为直喷增压发动机增加像颗粒过滤器这类的装置或者真实驾驶排放（Real Driving Emissions （RDE））测试才是真正有意义的事。框架条件促成汽车厂商必须为跑车发动机配上增压器，因为只有这样单位为克/千瓦时（g/kWh）的有效作用系数和油耗才能通过减少排量得到改善，在部分负载时也能有更好的油耗表现。从运动车粉丝的想法来讲，这个趋势确实让人遗憾——但是这种发展已经无法阻止了。

根据卡尔斯鲁厄理工学院科技专家科赫教授以及热力涡轮机协会负责人汉斯·约尔格·鲍尔教授（Hans-J?rg Bauer）的话说，自然吸气发动机的传统强项如油门响应以及线性输出是涡轮增压发动机首先逐步要强化目标。只有一点让其变得困难：汉斯·约尔格·鲍尔教授表示，“涡轮增压发动机有一个决定性的弱点：其声音感受将一落千丈，因为涡轮增压实际扮演了消音器的角色。”

现在运动车型的增压科技发展到什么程度了？为了回答这个问题，我们选出并且考量不同增压系统（小排量的单涡轮增压、大排量的三涡轮增压、配有电动增压器的三涡轮增压和机械与涡轮的双增压技术）。最后我们将会和KIT的两位行业专家讨论这些增压模式。在接下来的文章中我们将细致介绍这些增压模式，描述不同和相同点，并评价优点和缺点。

奔驰A45 AMG

奔驰A45 AMG是当今经典的四缸涡轮增压发动机的典范，同时也是现在升功率最高的量产发动机。现在它每升可以输出180马力，最新款甚至可以输出191马力。所以新款382马力代替了以往的360马力。根据科赫教授的观点，这款标杆车型的发动机功率尚未达到顶峰：“2.0升级别发动机将会塑造出400马力。”

未来会生产出什么，这取决于法规。“现在这款发动机依靠过剩疗法：通过向汽缸内喷入更多的汽油来确保输出，并靠更多的汽油气化吸收热量让涡轮增压器和汽缸能有足够的冷却。因为当气体温度达到1050度的时候，极限就到来了。”根据这种模式，现在要多喷入10%至30%的燃油来帮助冷却。这正是在运动型发动机通常的做法：但与通过降低排量来达到减排的目的是相悖论。因为涡轮增压器原本是希望提高燃油经济性，但此时却需要更多燃油来确保自己能够活着。

还有一个因此产生的副作用：为了在排量相对小的发动机中释放出旺盛的功率，需要提高增压压力——A45发动机的增压压力可以自豪地达到1.8巴，但是提升到这个数值却需要较长时间。后果就是动力输出过程中出现了橡皮筋效应（也就是形成了较长的涡轮迟滞）——踩下油门的动作和转速反应之间需要一定时间。尽管人们已经引入了足够多的改进措施，但动作和反应这两者因为A45这么小的排量而更加明显。这些措施中，人们首先应用了双涡管增压器。每两个排气管共用一个增压涡管，这样可以带来更佳的增压效果并减少爆震趋势。除此之外，发动机内部还降低了转动惯量和摩擦力。为此引入了锻造曲轴、锻造活塞（减重）以及更坚硬的离子涂层。

在高压缩比的发动机中另外一个提高涡轮响应的方法是所谓的扫气技术（Scavenging）。科赫教授解释称，“这里人们将进排气门开启重叠角最大化，早打开进气门，而晚关闭排气门，这样更多具有惯性的空气可直接推动涡轮叶片。”然而这种方法对排放不利，法规的立法者会进行阻拦，“在尾气中混入的大量的空气会降低三元催化器的工作效率，因此会降低氮氧化物的转化效率，因而人们想要解决这个问题，必须要采用例如电动增压的办法。”

BMW M235iB

MW M235i基本上应用了和A45 AMG 2.0升发动机相同的增压准则，但是因为它2.979升的容积，就具有了更好的开端。更加雄厚的基础排量，一方面在压力增加时改善了动力输出，另一方面也减少了增压过程中的所必要的温升。而且功率输出上看似更随便：从3.0升排量中输出326马力，比2.0升的381马力还要少。

不过这种放松表现也让它拥有宝马最鲜明的特点。在输出的时候比奔驰更加自如、均匀以及整齐，从基本参数上也可以读出来：早在1300转/分钟的时候，M235i就可以输出全部扭矩450牛·米，而A45则需要额外的约1000转/分钟才能多输出25牛·米。有个相关的故事特别耐人寻味：当宝马于2006年引入N54涡轮增压发动机的时候，人们还将发动机的表现依赖于两个小增压器上面。而现在依托双涡管技术，只配有一个增压器的继任者——N55，自身的数据就可以带来更好的效果。

直列6缸发动机因其结构的原因包含了优势，科赫教授表示“这台发动机从启动开始就具有一面热一面冷的优势结构，这点让其在涡轮增压表现得特别好，“（进气温度更低，吸入氧气含量更高）“即便是V字形发动机也没有直6机器这么鲜明的冷热面。除此之外，6缸发动机还具备一个更加积极的排气流量。这点对应在4汽缸发动机上则会有较大的脉动间隔，排气气流会在这种变化中消耗能量。”当然直列6汽缸并不是所有问题的解决方案。“重量和空间的要求都是劣势。”它在未来较小的车型级别中就会是个另类。

BMW M4

宝马M公司需要单独为它的产品研发自己的发动机的时代已经从E90系列的4.0升V8发动机过去了。相应的，BMW M4的S55动力总成尽管基于35i或40i不同版本的N54发动机，但它们之间并没有太多共性。

因为引入了很多赛车基因，像是以减少转动惯量为目的锻造曲轴，曲轴箱为了带来更高的汽缸压力而以闭合方式（Closed- Deck）构建，此外直列6汽缸发动机还拥有特有的增压模式。它有两个相对紧凑的单涡管增压器，代替了N55发动机中的双涡管涡轮增压器。通过最大1.3巴的增压压力，可以从它那3.0升的排量中输出431马力和550牛·米。

令人印象深刻的并不是数值，而首先是它输出的方式和途径。就转速响应来说，M4的发动机属于最好的涡轮增压发动机之一。鲍尔教授阐述称，“杰出的表现源于涡轮增压器的选择以及所采用的材质。”此外逻辑学上与M235i一致——直列6汽缸发动机的构建形式使其在产生增压的过程和排气流量特别受益。”“除此之外，宝马当然在电子应用方面拥有很多经验。”实际表现为：M4的双涡轮增压发动机从转速中段起并且像运动员一样来到7500转/分钟的时候，扭矩释放的过程中基本不会有迟滞。除此之外它还有一个了不起的特点：它有能力，在几秒钟的时间内将增压压力保持在较高水平，即便是负荷降低的时候。当然这种技术首先运用在赛车上。例如赛车运动中很早就出现了反滞后系统（Anti-Lag-System），利用额外的喷油，来保持涡轮增压器的转速。

保时捷911 Turbo S

像BMW M4一样，保时捷911涡轮增压车型从993系列开始，就一直运用增压器。然而它的增压技术属于特别的一类。它的哲学性体现在数十年来一直采用后置水平对置发动机的独特性上，不过我们今天直接关注细节：非常特别的是它的单汽缸容积。举例说明，宝马最近统一了所有直列汽缸发动机（3、4、6缸）的单缸容积。鲍尔教授说道，“带有部分相同组件的平台模式是通向未来的道路，简单说来在生产过程中可以更好的协同，并降低成本。“另外，也是为了尽最大可能性来优化汽缸大小。宝马每个汽缸排量约为500毫升，在我看来非常的合适。”科赫教授看来，根据模式和用途的不同，现在每个汽缸的排量应该保持在400至550毫升。保时捷3.8升发动机与之相反，每个汽缸排量达到了633毫升。科赫表示，“这就需要一直采用分层燃烧技术。”还有6缸水平对置发动机让它陷入了一个有趣的两难境地，因为必须要和那些明显超过4.0升排量的V8发动机进行竞争。”

另一个特点在于两个涡轮增压器的控制上，通过可变涡轮几何（VTG）可以有更出色的油门响应。这个模式虽然不新，但是搭配汽油机确是个例外。鲍尔教授称，“VTG正常情况下都是配载柴油发动机中，因为柴油机的温度较低。”保时捷将VTG结构中易损坏的组件更换为耐高温的材料，成功的将它移入最强劲的911车型中。根据鲍尔教授的观点，优化增压器本身也可以存在巨大的可能来提高发动机性能，比如优化涡轮叶片的材质。此外，还可以适度调整涡轮外壳的厚度来减重并提高散热性能。一般情况下，涡轮增压器外壳采用的是镍基-合金。最新是应用展现更好温度特性的钛-矾石，强度不变，厚度减少一半。其他的措施还有通过优化轴承或采用滚动轴承的方法来降低摩擦损失。

911 Turbo S同样存在着改进的可能性，因为它的直喷发动机的反应并不是毫无延迟。它和直接竞争对手相比还是显得过于随性了。它的气势仍然保持在传说级：在2100转才全力输出700牛·米并保持到4250转。通过超增压手段将增压值从1.05巴提升到了1.2巴，可以在很短时间额外获得50牛·米扭矩。此外，它也是涡轮增压消音的很好例子。传统的水平对置发动机在增压过程中，声音变化会显得模糊而无辨识性，不像自然吸气发动机可以通过音调来判断转速。声音设计师是困难的，像M4那种特别随便的声音确实会让耳朵感到哀伤。

法拉利加利福尼亚T

声学是涡轮增压法拉利从208 GTB以来第一个最真正的亮点。而且现在加利福尼亚T的3.9升涡轮增压发动机能在1.3巴的增压压力下压榨出560马力。优秀的特性曲线同样会排在现今动力前十的发动机。但是它并没有按照当今正在流行的趋势发展。很多厂商最近在8缸发动机的内侧壁上进行了强化，意味着：增压器被捆绑在汽缸列之间的V槽内。科赫：“把增压器装在V8发动机内侧的设计在装车方面具有更好的可控性，因为它更加紧凑。然而在温度管理方面就有更高的要求。涡轮增压器和排气管的热量是非常高的，所有的部件都位于最狭窄的空间，在这里没有很大的空气气流将热量带走。因而人们需要采取很多措施来进行散热。比如人们要确保让电子扇的功率更大。”这种模式的优势在于人们可以缩短排气歧管和涡轮增压器之间的气体流动时间，这样可以提升汽缸的充气效率。

法拉利将增压器布局在V型缸体两侧，这种设计同样需要考虑热量问题，因为曲轴就在它的旁边。然而法拉利已经找到合适的解决方案。更令人印象深刻的肯定是曲柄呈180度平面曲轴，它属于高转速发动机遗产之一，因为这种设计能够让同一列的两个汽缸同时点火并降低旋转质量，这也造就了它极快的油门反应。最终的结果：法拉利-V8发动机以及听起来比目前其他所有的双涡轮增压V8发动机都更加冲动。

奔驰S65 AMG

三气门对于S65的V12发动机来说是一个历史遗迹，但它却给人带来深刻的印象，可谁知道这个排量在今天还能起到什么代表性的作用？因为相比较现在大幅减排的发动机来说，它用6升排量已经缓冲了增压器带来的扭矩增长。直到它完全释放1.5巴增压压力，人们也只是觉得动力没那么强劲而已，没有想象中剧烈的爆发。

因为这是一个缓慢的扭矩增长过程，表现符合其高端的风俗，另外一方面也随着转速的提高持续的增加，但人们必须要将其势力限制在脚下才行。1200牛·米对于12汽缸的涡轮增压发动机来说轻而易举，但是对于动力总成的其它部件来说太多了，变速箱和后轮的负担太重了——所以人们将其扭矩电子限定在了1000牛·米。此外，增压的帮手也不甚理想——缺乏直喷。这根据科赫教授的观点来说，直喷是实现增压科技的决定性一环。科赫教授解释原因在于：“当人们采用增压的时候，发动机内部会反应迟钝——温度变得更热，会造成发动机爆震的倾向，燃烧不可控制。通过直喷，燃料直接喷入到燃烧室中，汽油在汽缸中升华而吸热，降低了汽缸温度，发动机工作更加稳定。奔驰S65的M275是通过进气歧管喷射，与这种直喷的冷却效果相差甚远。”

总体来说，这台发动机是现今的一个另类，因为它的12汽缸在今天只是唯一性和威望的作用。“在运动型发动机领域，人们现在已经不需要高于8汽缸的发动机，因为8缸足以输出700马力了。”

BMW M550 d

M550d的有着真正M车型的性能，这台柴油机在宝马2012年开始使用了三涡轮增压器。发动机以3.0升N57为基础打造，在此塑造下可以输出381马力。高达127马力的升功率，对于一台柴油发动机来说是极致表现了。

增压单元有两个较小的增压器和一个大增压器，每个小增压器都配有可变涡轮几何结构，它们的任务是启动快，转速高；另一个较大的涡轮增压器能带来更大的空气流量。三个增压器顺序工作，每个根据不同的转速来激活。在低转速区间，一个小增压器先进入工作，它的主要任务是快速建立压力，保证灵敏的油门反应。从1500转开始，尾气将会引入到较大增压器中。这一大一小两个增压器可以确保最大的扭矩输出，并且将其一直保证到3000转。从稍稍往前的2700转开始，第二个小增压器被打开。它的快速介入可以迅速提升发动机的功率，并协助大增压器共同运作，并一直工作到5400转的尽头。

复杂交错的进排气管路要求把新鲜空气和排气流进行精密控制，除此之外三个增压器还需要借助一个巨大的中冷器来帮助，它可以把压缩后的空气降温，仅仅是这种作用也利于功率的提升。科赫教授评价道，“宝马的工作人员不仅仅让增压提升到了顶点，还将伴随的控制概念也发挥到了极致。”当然人们也不得不关注它的重量，“因为不仅要计算涡轮增压器的重量，还得必须考虑到超大号中冷器的重量。”不过积极的是，这种高增压的高昂成本也与它的工作效果成正比。不管是在低转速区间还是高转速区间，这台3.0升柴油发动机都保持着积极的工作态度。动力展开均匀且敦实，自身相对轻的“哒哒”声在柴油发动机中也属于吸引人的那种。耐久性问题上，结合了三涡轮增压也再次成为焦点。就两位专家而言并没有持批评态度，即便是增压器的磨损情况，根据我们运动车型长期测试的结果，和这个增压的模式并没有直接的关系。

对于这样一个高增压的涡轮增压柴油机来说，目前比较大的要求就是满足从9月1日开始实行的欧6排放标准。根据科赫教授的观点，实现这种要求的前提条件是尾气的再循环：“尾气的一部分，最多可达约40%，冷却后被导入发动机的进气系统，这必须要结合到涡轮增压系统中。这个主题纯粹是为了推动排放，最主要的是为了减少氮氧化物的排放，这是目前所有人都关心的议题。”冷却的尾气包括氮气、水和二氧化碳，将它们引入发动机中，可以帮助降低燃烧室的温度，提升工作效率。从欧6标准开始实行后，这个举措对于增压的柴油发动机来说就是必不可少的。

奥迪RS5 概念车

正是在柴油发动机方面，增压科技的研发取得了巨大的成功。鲍尔教授证实说道：“宝马的三涡轮增压会在近期升级为4涡轮增压系统”，而奥迪也将会在近期推出电动与传统增压器的三增压TDI的量产化方案，其间也会将这项技术推广到汽油发动机上。

作为试验品RS5 TDI的增压系统由两个不同大小的废气涡轮增压器和一个革新的电动增压器构成。这个电机取代了一个涡轮增压器，其压气机可在约250毫秒内加速到最大转速，可以直接或者间接的作用到发动机曲线上。一方面，它电动的压缩过程将反应延迟降低到了250毫秒。另一方面，它也能够让两个废气涡轮增压器持续停留在更高的转速区间变为可能。

现实中的表现很积极。脚下动作和转速反映之间只是一眨眼的功夫，扭矩剧烈上升：在1250转已经达到750牛·米的最大扭矩，4200转时V6发动机可输出385马力，这种驱动态势一直要到5500转才会停止，这个极限转速在普通柴油机上是不可能的。

总体感觉上来说，动力的表达非常像宝马的3涡轮增压，不过相比之下宝马的3涡轮增压器表现得更小儿科一些，就增压压力来看奥迪用2.4巴力压宝马的2.25巴。而中等转速下的扭矩表现，宝马也不会像奥迪TDI这样令人印象深刻。

两种不同的高科技柴油机增压模式也存在重合的部分，就工作节奏以及控制的方式方法来说，科赫教授表示，“三个增压器均采用并联方式。”奥迪TDI的涡轮增压器和电动增压器此外也可以分开控制。从调校的角度来说就会有更高的可变性，因而产生额外的高扭转速区间。达到这个目的的成本也非常昂贵。因为它还需要另外一个要素：电。普通的12伏汽车电源并不能为它提供充足的功率，必须增加第二个48伏的额外供电系统才能保证电动增压器的高效工作。

这再一次作用到了车身重量上及汽车的成本构成上。这两点原因可以解释为什么这套“电+涡轮系统”首先要使用在高端车上的原因。其开端将从2016年年初投放市场的Q7开始。

捷豹XJR

让我们简而言之吧，因为这不可能是不痛不痒的批判：或早或晚，这台机械增压器终将会走向陌路。即使是今天，它也是个异类：通用用它向上拓宽产品系列，比如用在考维特Z06上，奥迪则仍然用它搭配一台3.0升V6发动机。而捷豹则把它搭载在所有6缸和8缸汽油机上——但是新研发的2.0升涡轮增压汽油机却是第一次尝试摆脱它。

它的问题是根本性的：相比从排气流中汲取驱动能量并将废物再利用的涡轮增压器来说，机械增压器是从曲轴来截取能量。简而言之：它是一个寄生虫，消耗掉自身一部分功率，并降低效率。根据科赫教授的观点，这台机械增压器根据不同的调校模式，最高需要50马力的功率。所以即使是XJ R5.0升8汽缸带来的550马力看样子也承受不了如此大的消耗。

为什么捷豹仍然依托这种走下坡路的科技呢？有两点推测：一是这种应用的简单性。鲍尔教授解释说，涡轮增压器设置中必须将所有环节联系到一处，那是很高的关联度。机械增压的植入并非那么复杂。”从此可以预见的是相比较涡轮增压发动机唯一真正的优势，即更好的油门响应。通过连接到曲轴机构上，扭矩的输出及减少迟滞都能因此获益，这样最终实现一个无比直接并且更雄厚的扭矩输出。即使是这样也有局限性：因为随着发动机转速的提高，压缩机的转速也会增加，所以效果总是随着转动比例而发生变化。

大众汽车 POLO GTI

大众汽车所谓的双增压（Twin-charger）已经引入有6年的时间了。期间，大众汽车集团的很多运动型小车都应用了这套系统，不过现在也大范围的从规划中撤出。

原则在于：组合式增压，由一个用排气驱动的涡轮增压器和一个机械增压器构成，这样一个组件必须为另外一个组件的结构上劣势做出补偿。具体是：在2000转/分钟以下的低转速区间，涡轮增压器必须要克服转矩的时候，机械增压器完成了增压。接着向上到3500转/分钟时，涡轮增压开始最大程度压榨，而机械增压器开始脱开。期间两台增压器是合力工作。这个工作节奏的巨大优势在于两个增器各自在自己最佳工作转速区间内工作。这个想法再次被应用到了奥迪TDI上面。鲍尔教授表示：“相对更大的涡轮增压器，相对更大的压力，并且之前的涡轮迟滞需要由电动增压器填充。大众汽车的编排工序非常好，不管是从主观上还是从名义上：一个1.4升4缸发动机有着超过133马力/升的升功率。但这种模式失败的原因，鲍尔教授给出了最简单的答案：它的研发和制造成本都过于高昂。跟随它的脚步，今天大众产生了一个强劲和更加简单的192马力1.8升单增压发动机。