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渦輪增壓有什麽壞處?為什麽像蘭博基尼等超跑廠商那麽排斥渦輪增壓?

2012-02-03知識

請不要怪我炒冷飯,回答另一個問題需要這個問題的答案,但是實在找不到可以refer to的。

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這其實是兩個問題, 渦輪增壓的「壞處」和為什麽蘭博基尼等超跑車廠不用渦輪增壓。

說實話,這個問題是一個坑,之前的回答都被提問者帶到了溝裏。因為在我看來,這兩者基本沒半毛錢關系,用不用渦輪增壓,或者所謂的排不排斥,有大的技術背景和車廠自己所在大環境的原因,不光是一個瞬態和聲浪的問題。

還有那個看似很專業的「喘振」,通常情況下,把如此的細節當做選擇某個技術路線的主因,一般都不會是問題的本質。

可以把之前的回答都當做單獨回答了一個問題,渦輪增壓有什麽「壞處」。從邏輯的角度來看,他們基本上都是只有Correlation而沒有Casuality。

而我想回答一下,為什麽蘭博基尼等車廠(也許到最後你更同意我最好去掉等),排斥或者不用渦輪增壓,從兩方面。

1. 大的技術背景。

2. 大的車廠環境。

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1. 大的技術背景。

提問者提問的時間是在2012年,對於那個時候市面上在賣的超級跑車來說,基本上80%以上都還是自然吸氣的(也包括了過去十幾年),就引發了為什麽「排斥」渦輪的自然疑問。但是提問者 忽略 了一個問題,就是那個時候 在研發的 準備 在2012年之後1-2年內 上市 的,也就是我們 現在 看到的絕大多數超級跑車,都 使用了 渦輪增壓發動機。


所以那個時候的表面現象是,各個車廠,都是非常 「乖」 地按照車迷的 「臆想」 ,非常純粹地忠於自然吸氣的,而且非常的純潔地「排斥」渦輪增壓,保衛神聖不可侵犯的「情懷」。 但是事實是,那個時間段正是所有超級跑車工程師和主機廠,敞開懷抱「擁抱」渦輪增壓的黃金時代。


這也就是為什麽大家會看到一夜之間,所有人「丟掉」了「情懷」。其實在我看來,「情懷」是對於汽車,尤其是跑車超跑一種充滿誤解的稱謂。因為張口閉口談所謂的「情懷」,正說明了某些人對於技術的不了解,對於實際發生情況的一無所知。看到車廠一直在用自然吸氣(就用自己的角度開始臆斷車廠的「高尚」),就以為這是情懷和執著,當別人采取了其他的技術路線的時候,就如喪考妣,如臨大敵,仿佛天要塌下來了,就開始了十惡不赦的批判和對其靈魂的救贖。


事實是,人家這麽做(不管之前一直堅持自然吸氣,還是現在轉變為使用渦輪增壓),是有這麽做的原因的。什麽原因?


技術在汽車領域內,內在的發展規律。


按照預設的邏輯,每一代車型都是需要在各方面有所 提升 的,對於超級跑車,最重要的就是效能,而效能中最重要的一個部份就是動力(請在這裏劃一下終點,不是動力的提升,是動力,隨著每一代車型,或者說每半代車型的推出, 持續 地提升)。 在2011-2013這個階段,主要的超跑整車廠已經意識到,各自旗下的 自然吸氣發動機 在動力提升上,已經 做到極限 了,所以想要繼續提升動力輸出,必須使用渦輪增壓發動機。 (當然也不是真的2013年才「意識」到,而是學術界90年代就「意識」或者說「預言」到,由於技術傳導的dynamics,競爭壓力,成本等方面的原因,工業界十幾年後「做到」)


而之前沒有用,就是因為沒有挖掘幹凈(用自然吸氣方式提升功率的)潛力,僅此而已。


在這之前,對於整車廠來說,我用了這麽多年自然吸氣,在沒有(足夠的)理由讓我上渦輪增壓的情況下,我自然是要一直這麽走下去,因為我還可以沿著現有的路徑持續提升功率(這裏我預設你能理解加速是靠功率而不是扭矩,不然請看汽車發動機的兩個參數馬力和扭矩,哪個更能體現動力性? - 知乎—)。況且如果我在挖掘幹凈自然吸氣潛力之前就上渦輪,成本更高,還有一些 副作用 ,比如油門響應比自然吸氣慢(具體參見渦輪增壓汽車,猛踩油門,為什麽會有超過一秒的延遲? - 知乎,舉例我用的寶馬N20,但是超跑也是類似的。當然我們實驗室也可以把渦輪遲滯減低為零,ETH/IDSC),聲浪沒有自然吸氣好聽,還得解決這個很讓人頭疼的散熱問題還會對整車的空氣動力布局有很大影響(比如458到488的變化如此顯著地受到了散熱的影響),如此成本還高研發難度大,費力不討好,當然是繼續自然吸氣了。


只有到了我 不得不 這麽做(自然吸氣動力已經沒有提升的可能)的時候,我才去承擔所有的研發難度和成本同時盡量減小渦輪增壓對於駕駛感受上的「負面」影響,但是效能上 能夠滿足 在未來可見的十幾年間, 持續地 大幅地 (和自然吸氣的相比)提升。(還有一種相對特殊的情況就是邁凱輪的例子,之前很多年,除了MaclarenF1就沒有自然吸氣超跑的歷史,就可以在更早的時間(2010)直接上MP-12C,還能在效能上超出對手一大截)


這就是為什麽,前幾年(2010-2014),越到後期,車廠反而越費盡心思提升自然吸氣發動機的動力,一次又一次用效能出色的自吸絕唱(F136、F140、M159、M120等),重新整理人們對自然吸氣發動機潛能的認知,從而一定程度上 「加劇」 了人們對於車廠「情懷」很深的認知, 而工程師只是在做自己的工作而已。


對於這個部份,我覺得只要給到 結論 (即 跑車超跑用高轉速自然吸氣發動機在榨取動力方面(在一定程度上顧及排放和油耗的情況下),已經走到了極限。在此之前2-3年,普通乘用車發動機已經開始了渦輪增壓化 )就可以了。至於說本質的原因,如果用一段話概括總結來說,就是 在給定硬件基礎的情況下,發動機的內部和外部迴圈(主要是外部迴圈的volumetric efficiency和內部迴圈中燃燒系統的最佳化)都沒有可以提升的空間了,同時對於特定缸數,固定排量和bore-stoke ratio的發動機在功率和扭矩的trade-off達到了極限。 (這段話不懂沒有關系)


具體到詳細的分析,比如自然吸氣發動機的動力輸出都有哪些限制(偏向扭矩)?提升的極限在哪裏,到了什麽情況就必須轉變成渦輪增壓了(偏向扭矩和發動機演化)?這是另外一個非常大的話題,對於多數普通受眾需要至少一個學期的完整關於發動機深入基礎的課程才能講透徹理解,這裏就不展開了。對於上面兩個舉例的問題,可以參考之前問題的回答。發動機輸出最大扭矩時的轉速為什麽會出現一個範圍?而有的則是一個定值? - 知乎,請註意,這一切在超級跑車領域,都是完全同樣適用的。


對於跑車和超跑的這個範疇,其實還有一個有意思的問題,即對於給定用途的自然吸氣發動機,比如從提供跑車超跑最佳動力的角度,如何提升最大馬力,是增大排量還是提高轉速更合適,即榨取動力(功率)的極限在哪兒?(其實Zonda F和Cinque從7.3的V12自吸到最後R的6.0自吸,已經說明了答案)以後有機會來填這個坑。(註意這個問題和前兩個問題的本質不同,一個是在說偏向扭矩的問題,一個在說偏向功率的問題)


其實明白了這些,也可以明白一些非常好自然理解的現象。比如到了自然吸氣發動機發展的後期(2005-2016),不管是民用車還是跑車發動機,動力的提升就是很蛋疼,工程師廢了半天勁,每一次也就是提升個3-5%,每個地方修修補補,很多時候還是拆東墻補西墻(比如功率和扭矩的Trade-off),如果某些情況能提升5-10%就是燒高香了(扭矩也好,功率也罷)。比如最近5年法拉利的F140就是最好的例子,在F12上其實基本上已經做到頭兒了(對於其GT跑車的定位,對於Hypercars顯然還有提升轉速的空間,因為Laferrari的混動讓排放的constrain降低了,所以轉速可以上升),在tdf上扭矩就提升了3%,功率5%,到了最新的812superfast身上,就必須擴缸了(6.3到6.5L)。同理,目前991.1和991.2的GT3以及GT3 RS都是類似的情況,即輕微提升specific動力,或者用馬力扭矩trade-off,或者增大排量。


而渦輪增壓呢,輕輕松松20-30%,不過這又可以明白另一個問題。所有這個時代(2013-2014)的超級跑車,只要是自然吸氣的都值得收藏購買,因為在這樣一個自吸轉變渦輪的浪潮下,自吸的所有車型都是按照之前的技術路線最佳化到極致的產物。而渦輪增壓則不然,這一代渦輪增壓主要享受的是自吸到渦輪的動力效能提升的紅利,對於細節和技術最佳化的程度還遠遠達不到他們自然吸氣counterpart的級別,所以這一代渦輪增壓超跑必將在車型換代之後,被大幅超越。最好的已經發生的例子,就是剛推出的720s,你還會看得上650s麽?


Wait,說了這麽多,是不是跑題了?


完全沒有啊,因為現在只要三句話就能說清楚蘭博基尼等車廠為什麽「排斥」渦輪增壓。


首先,沒有排斥不排斥,那是一部份人自己在糾結和矯情的說法,只有開始使用和不使用渦輪增壓。

其次,目前,已經沒有蘭博基尼「等」車廠,只有蘭博基尼(我suppose你也視R8為蘭博基尼)。

最後,蘭博基尼還沒開始使用渦輪增壓的原因很簡單,就是他的自然吸氣發動機還距離大家(其他把自然吸氣做到頭兒的車廠)已經做到的極限,還有一定的差距,使得還有很多可以持續提升的空間,所以自然可以繼續用了啊。


不是有很多很專業的專家麽,可以自己去算算一台4.5V8的自然吸氣發動機輸出610匹馬力,和一台5.2V10的自然吸氣發動機輸出640馬力,這兩者的specific output差了多少 (對於很多人看到六百多匹馬力就會覺得非常的強悍,但是對於工程師來說, 任何不用non-dimentional parameter(無因次參數)表達的數據都是耍流氓 。就像我提到過的, 在對技術含量要求比較高的地方, 除了鋁碳纖維混合車身勉強算是一個亮點(在超跑定位強於法拉利弱於邁凱輪,但是強於法拉利也是因為法拉利認為在這個segment沒必要上碳纖維,Hypercars表明技術依然遠強於蘭博基尼),蘭博基尼還是和競爭對手有明顯的差距的(比如動力和空氣動力學)。空氣動力學上最多也就是競品5-8年前的水平,動力系統基本上也是這個情況,Performante目前是640匹,個人認為在做到六百大幾十匹之前,是沒有什麽太大問題的。(當然這和近些年huracan還有Performante是非常出色的超級跑車是並不沖突的,也和蘭博基尼是非常吸引人是不沖突的,當然Aventador稍有不同)。


按照目前的趨勢,即使不用做到法拉利的水準,留出5%的余量,蘭博基尼的自然吸氣發動機還有至少5年可以按照自然吸氣動力輸出的標準持續進行最佳化,如果考慮到和混動的結合,純從動力角度可以延續5-10年,當然這過程中會否由於排放的壓力downsizing還要具體看(有可能混動的效果還不夠,就得上渦輪了),不過至少到2020年出頭的幾年,蘭博基尼持續使用自然吸氣,還是非常safe的。(也許Aventador的successor會早一些混動化,因為那台發動機進步的速度比Huracan的快一些,同時生命周期整體早兩年)


當然,對於很多人,你也有權利可以把這一切叫做情懷。

在我看來,不是什麽蘭博基尼還在「堅守」自然吸氣的情懷,因為他 必須,不得不 這麽做。

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2. 大的車廠環境。

從另一個角度來看,說說不得不。

即使蘭博基尼的自然吸氣發動機做到了已經渦輪增壓化的對手的級別,大眾集團也無法給蘭博基尼提供渦輪增壓動力的選擇。

不說Aventador(2012年),就算是對於Huracan(2014年)換代上市的時候,光靠蘭博基尼自己是一定無力獨自,在這麽短(對於那時候上市)的時間內完成新一代小排量(相對自吸)渦輪增壓的設計和研發工作的。這裏很多人對於蘭博基尼和其他車廠的情況可能還不是特別了解,相比較於法拉利,邁凱輪,AMG等車廠,蘭博基尼獨自的技術實力是難以和其他人抗衡的。從動力系統還有空氣動力學等實際演化的情況來看,其也是確實落後於其他競爭對手的。

所以這就要看大眾集團的情況,那對於蘭博基尼其實就是奧迪。其實在2012年的時候,奧迪已經有了屬於自己的小型化渦輪增壓(4.0T)8缸發動機,用於S6、RS6、S7、RS7、S8什麽的。但是問題的關鍵是,這是很優秀的發動機,但是其定位是 跑車 級別的動力輸出,也就是 500-600匹 左右,說到底就是最大功率轉速的定位問題(目前這種跑車定位的發動機最大轉速在5,500 - 6,500 rpm之間),也就使得它所有的air-path、fuel-path還有散熱燃燒還有重量等技術套用的考量,都是按照這個套用的目的來做的。它的直接的競爭對手是M5、M6還有AMG的那一堆63車型。

對於目前超跑的套用,這個轉速 顯然是不夠 (超跑輸出700匹量級的動力來看,目前八缸4.0T發動機需要達到7,000-8000rpm),而對於一款發動機,由於在設計之初就由套用途徑決定了輸出特性, 雖然可以輸出類似的扭矩,奔馳寶馬奧迪的甚至更多(大家都是750-850NM,法拉利邁凱輪 Vs. 奔馳寶馬奧迪),但是由於設計取向的原因,即使給了蘭博基尼做調教,也無法達到超跑目前輸出700匹左右動力的轉速(因為硬件不是按照這個出發點設計的,轉速達不到,顯然,功率等於扭矩乘以轉速)。

有人可能會問保時捷,莫說這兩家其實有一定程度的競爭關系,就算沒有,保時捷最近推出的4.0T的V8發動機(Panamera Turbo)雖然和奧迪有些不同(明顯技術含量更高),但是本質上,也是類似的(從 定位 的角度,高效能轎車所用),所以在蘭博基尼的超跑上並使用不了。

所以理論上,蘭博基尼也無法在短期內(2012-2016)內獲得來自大眾集團的動力。不過超跑不合適,蘭博基尼的SUV確實很合適的,奧迪的4.0TV8發動機在可預計的未來倒是一定會搭載在URUS上。

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以上兩點,是蘭博基尼必須要繼續使用它的自然吸氣發動機的 本質 原因,如果按照對提問者問題的回答,竊以為以上兩點,是最為對口的答案。

不過純從車迷的角度,這也挺好,畢竟我們還能在未來不短的時間內,聽到自然吸氣發動機性感磁性的聲浪,不是嗎?