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涡轮增压有什么坏处?为什么像兰博基尼等超跑厂商那么排斥涡轮增压?

2012-02-03知识

请不要怪我炒冷饭,回答另一个问题需要这个问题的答案,但是实在找不到可以refer to的。

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这其实是两个问题, 涡轮增压的「坏处」和为什么兰博基尼等超跑车厂不用涡轮增压。

说实话,这个问题是一个坑,之前的回答都被提问者带到了沟里。因为在我看来,这两者基本没半毛钱关系,用不用涡轮增压,或者所谓的排不排斥,有大的技术背景和车厂自己所在大环境的原因,不光是一个瞬态和声浪的问题。

还有那个看似很专业的「喘振」,通常情况下,把如此的细节当做选择某个技术路线的主因,一般都不会是问题的本质。

可以把之前的回答都当做单独回答了一个问题,涡轮增压有什么「坏处」。从逻辑的角度来看,他们基本上都是只有Correlation而没有Casuality。

而我想回答一下,为什么兰博基尼等车厂(也许到最后你更同意我最好去掉等),排斥或者不用涡轮增压,从两方面。

1. 大的技术背景。

2. 大的车厂环境。

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1. 大的技术背景。

提问者提问的时间是在2012年,对于那个时候市面上在卖的超级跑车来说,基本上80%以上都还是自然吸气的(也包括了过去十几年),就引发了为什么「排斥」涡轮的自然疑问。但是提问者 忽略 了一个问题,就是那个时候 在研发的 准备 在2012年之后1-2年内 上市 的,也就是我们 现在 看到的绝大多数超级跑车,都 使用了 涡轮增压发动机。


所以那个时候的表面现象是,各个车厂,都是非常 「乖」 地按照车迷的 「臆想」 ,非常纯粹地忠于自然吸气的,而且非常的纯洁地「排斥」涡轮增压,保卫神圣不可侵犯的「情怀」。 但是事实是,那个时间段正是所有超级跑车工程师和主机厂,敞开怀抱「拥抱」涡轮增压的黄金时代。


这也就是为什么大家会看到一夜之间,所有人「丢掉」了「情怀」。其实在我看来,「情怀」是对于汽车,尤其是跑车超跑一种充满误解的称谓。因为张口闭口谈所谓的「情怀」,正说明了某些人对于技术的不了解,对于实际发生情况的一无所知。看到车厂一直在用自然吸气(就用自己的角度开始臆断车厂的「高尚」),就以为这是情怀和执着,当别人采取了其他的技术路线的时候,就如丧考妣,如临大敌,仿佛天要塌下来了,就开始了十恶不赦的批判和对其灵魂的救赎。


事实是,人家这么做(不管之前一直坚持自然吸气,还是现在转变为使用涡轮增压),是有这么做的原因的。什么原因?


技术在汽车领域内,内在的发展规律。


按照默认的逻辑,每一代车型都是需要在各方面有所 提升 的,对于超级跑车,最重要的就是性能,而性能中最重要的一个部分就是动力(请在这里划一下终点,不是动力的提升,是动力,随着每一代车型,或者说每半代车型的推出, 持续 地提升)。 在2011-2013这个阶段,主要的超跑整车厂已经意识到,各自旗下的 自然吸气发动机 在动力提升上,已经 做到极限 了,所以想要继续提升动力输出,必须使用涡轮增压发动机。 (当然也不是真的2013年才「意识」到,而是学术界90年代就「意识」或者说「预言」到,由于技术传导的dynamics,竞争压力,成本等方面的原因,工业界十几年后「做到」)


而之前没有用,就是因为没有挖掘干净(用自然吸气方式提升功率的)潜力,仅此而已。


在这之前,对于整车厂来说,我用了这么多年自然吸气,在没有(足够的)理由让我上涡轮增压的情况下,我自然是要一直这么走下去,因为我还可以沿着现有的路径持续提升功率(这里我默认你能理解加速是靠功率而不是扭矩,不然请看汽车发动机的两个参数马力和扭矩,哪个更能体现动力性? - 知乎—)。况且如果我在挖掘干净自然吸气潜力之前就上涡轮,成本更高,还有一些 副作用 ,比如油门响应比自然吸气慢(具体参见涡轮增压汽车,猛踩油门,为什么会有超过一秒的延迟? - 知乎,举例我用的宝马N20,但是超跑也是类似的。当然我们实验室也可以把涡轮迟滞减低为零,ETH/IDSC),声浪没有自然吸气好听,还得解决这个很让人头疼的散热问题还会对整车的空气动力布局有很大影响(比如458到488的变化如此显著地受到了散热的影响),如此成本还高研发难度大,费力不讨好,当然是继续自然吸气了。


只有到了我 不得不 这么做(自然吸气动力已经没有提升的可能)的时候,我才去承担所有的研发难度和成本同时尽量减小涡轮增压对于驾驶感受上的「负面」影响,但是性能上 能够满足 在未来可见的十几年间, 持续地 大幅地 (和自然吸气的相比)提升。(还有一种相对特殊的情况就是迈凯轮的例子,之前很多年,除了MaclarenF1就没有自然吸气超跑的历史,就可以在更早的时间(2010)直接上MP-12C,还能在性能上超出对手一大截)


这就是为什么,前几年(2010-2014),越到后期,车厂反而越费尽心思提升自然吸气发动机的动力,一次又一次用性能出色的自吸绝唱(F136、F140、M159、M120等),刷新人们对自然吸气发动机潜能的认知,从而一定程度上 「加剧」 了人们对于车厂「情怀」很深的认知, 而工程师只是在做自己的工作而已。


对于这个部分,我觉得只要给到 结论 (即 跑车超跑用高转速自然吸气发动机在榨取动力方面(在一定程度上顾及排放和油耗的情况下),已经走到了极限。在此之前2-3年,普通乘用车发动机已经开始了涡轮增压化 )就可以了。至于说本质的原因,如果用一段话概括总结来说,就是 在给定硬件基础的情况下,发动机的内部和外部循环(主要是外部循环的volumetric efficiency和内部循环中燃烧系统的优化)都没有可以提升的空间了,同时对于特定缸数,固定排量和bore-stoke ratio的发动机在功率和扭矩的trade-off达到了极限。 (这段话不懂没有关系)


具体到详细的分析,比如自然吸气发动机的动力输出都有哪些限制(偏向扭矩)?提升的极限在哪里,到了什么情况就必须转变成涡轮增压了(偏向扭矩和发动机演化)?这是另外一个非常大的话题,对于多数普通受众需要至少一个学期的完整关于发动机深入基础的课程才能讲透彻理解,这里就不展开了。对于上面两个举例的问题,可以参考之前问题的回答。发动机输出最大扭矩时的转速为什么会出现一个范围?而有的则是一个定值? - 知乎,请注意,这一切在超级跑车领域,都是完全同样适用的。


对于跑车和超跑的这个范畴,其实还有一个有意思的问题,即对于给定用途的自然吸气发动机,比如从提供跑车超跑最佳动力的角度,如何提升最大马力,是增大排量还是提高转速更合适,即榨取动力(功率)的极限在哪儿?(其实Zonda F和Cinque从7.3的V12自吸到最后R的6.0自吸,已经说明了答案)以后有机会来填这个坑。(注意这个问题和前两个问题的本质不同,一个是在说偏向扭矩的问题,一个在说偏向功率的问题)


其实明白了这些,也可以明白一些非常好自然理解的现象。比如到了自然吸气发动机发展的后期(2005-2016),不管是民用车还是跑车发动机,动力的提升就是很蛋疼,工程师废了半天劲,每一次也就是提升个3-5%,每个地方修修补补,很多时候还是拆东墙补西墙(比如功率和扭矩的Trade-off),如果某些情况能提升5-10%就是烧高香了(扭矩也好,功率也罢)。比如最近5年法拉利的F140就是最好的例子,在F12上其实基本上已经做到头儿了(对于其GT跑车的定位,对于Hypercars显然还有提升转速的空间,因为Laferrari的混动让排放的constrain降低了,所以转速可以上升),在tdf上扭矩就提升了3%,功率5%,到了最新的812superfast身上,就必须扩缸了(6.3到6.5L)。同理,目前991.1和991.2的GT3以及GT3 RS都是类似的情况,即轻微提升specific动力,或者用马力扭矩trade-off,或者增大排量。


而涡轮增压呢,轻轻松松20-30%,不过这又可以明白另一个问题。所有这个时代(2013-2014)的超级跑车,只要是自然吸气的都值得收藏购买,因为在这样一个自吸转变涡轮的浪潮下,自吸的所有车型都是按照之前的技术路线优化到极致的产物。而涡轮增压则不然,这一代涡轮增压主要享受的是自吸到涡轮的动力性能提升的红利,对于细节和技术优化的程度还远远达不到他们自然吸气counterpart的级别,所以这一代涡轮增压超跑必将在车型换代之后,被大幅超越。最好的已经发生的例子,就是刚推出的720s,你还会看得上650s么?


Wait,说了这么多,是不是跑题了?


完全没有啊,因为现在只要三句话就能说清楚兰博基尼等车厂为什么「排斥」涡轮增压。


首先,没有排斥不排斥,那是一部分人自己在纠结和矫情的说法,只有开始使用和不使用涡轮增压。

其次,目前,已经没有兰博基尼「等」车厂,只有兰博基尼(我suppose你也视R8为兰博基尼)。

最后,兰博基尼还没开始使用涡轮增压的原因很简单,就是他的自然吸气发动机还距离大家(其他把自然吸气做到头儿的车厂)已经做到的极限,还有一定的差距,使得还有很多可以持续提升的空间,所以自然可以继续用了啊。


不是有很多很专业的专家么,可以自己去算算一台4.5V8的自然吸气发动机输出610匹马力,和一台5.2V10的自然吸气发动机输出640马力,这两者的specific output差了多少 (对于很多人看到六百多匹马力就会觉得非常的强悍,但是对于工程师来说, 任何不用non-dimentional parameter(无量纲参数)表达的数据都是耍流氓 。就像我提到过的, 在对技术含量要求比较高的地方, 除了铝碳纤维混合车身勉强算是一个亮点(在超跑定位强于法拉利弱于迈凯轮,但是强于法拉利也是因为法拉利认为在这个segment没必要上碳纤维,Hypercars表明技术依然远强于兰博基尼),兰博基尼还是和竞争对手有明显的差距的(比如动力和空气动力学)。空气动力学上最多也就是竞品5-8年前的水平,动力系统基本上也是这个情况,Performante目前是640匹,个人认为在做到六百大几十匹之前,是没有什么太大问题的。(当然这和近些年huracan还有Performante是非常出色的超级跑车是并不冲突的,也和兰博基尼是非常吸引人是不冲突的,当然Aventador稍有不同)。


按照目前的趋势,即使不用做到法拉利的水准,留出5%的余量,兰博基尼的自然吸气发动机还有至少5年可以按照自然吸气动力输出的标准持续进行优化,如果考虑到和混动的结合,纯从动力角度可以延续5-10年,当然这过程中会否由于排放的压力downsizing还要具体看(有可能混动的效果还不够,就得上涡轮了),不过至少到2020年出头的几年,兰博基尼持续使用自然吸气,还是非常safe的。(也许Aventador的successor会早一些混动化,因为那台发动机进步的速度比Huracan的快一些,同时生命周期整体早两年)


当然,对于很多人,你也有权利可以把这一切叫做情怀。

在我看来,不是什么兰博基尼还在「坚守」自然吸气的情怀,因为他 必须,不得不 这么做。

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2. 大的车厂环境。

从另一个角度来看,说说不得不。

即使兰博基尼的自然吸气发动机做到了已经涡轮增压化的对手的级别,大众集团也无法给兰博基尼提供涡轮增压动力的选择。

不说Aventador(2012年),就算是对于Huracan(2014年)换代上市的时候,光靠兰博基尼自己是一定无力独自,在这么短(对于那时候上市)的时间内完成新一代小排量(相对自吸)涡轮增压的设计和研发工作的。这里很多人对于兰博基尼和其他车厂的情况可能还不是特别了解,相比较于法拉利,迈凯轮,AMG等车厂,兰博基尼独自的技术实力是难以和其他人抗衡的。从动力系统还有空气动力学等实际演化的情况来看,其也是确实落后于其他竞争对手的。

所以这就要看大众集团的情况,那对于兰博基尼其实就是奥迪。其实在2012年的时候,奥迪已经有了属于自己的小型化涡轮增压(4.0T)8缸发动机,用于S6、RS6、S7、RS7、S8什么的。但是问题的关键是,这是很优秀的发动机,但是其定位是 跑车 级别的动力输出,也就是 500-600匹 左右,说到底就是最大功率转速的定位问题(目前这种跑车定位的发动机最大转速在5,500 - 6,500 rpm之间),也就使得它所有的air-path、fuel-path还有散热燃烧还有重量等技术应用的考量,都是按照这个应用的目的来做的。它的直接的竞争对手是M5、M6还有AMG的那一堆63车型。

对于目前超跑的应用,这个转速 显然是不够 (超跑输出700匹量级的动力来看,目前八缸4.0T发动机需要达到7,000-8000rpm),而对于一款发动机,由于在设计之初就由应用途径决定了输出特性, 虽然可以输出类似的扭矩,奔驰宝马奥迪的甚至更多(大家都是750-850NM,法拉利迈凯轮 Vs. 奔驰宝马奥迪),但是由于设计取向的原因,即使给了兰博基尼做调教,也无法达到超跑目前输出700匹左右动力的转速(因为硬件不是按照这个出发点设计的,转速达不到,显然,功率等于扭矩乘以转速)。

有人可能会问保时捷,莫说这两家其实有一定程度的竞争关系,就算没有,保时捷最近推出的4.0T的V8发动机(Panamera Turbo)虽然和奥迪有些不同(明显技术含量更高),但是本质上,也是类似的(从 定位 的角度,高性能轿车所用),所以在兰博基尼的超跑上并使用不了。

所以理论上,兰博基尼也无法在短期内(2012-2016)内获得来自大众集团的动力。不过超跑不合适,兰博基尼的SUV确实很合适的,奥迪的4.0TV8发动机在可预计的未来倒是一定会搭载在URUS上。

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以上两点,是兰博基尼必须要继续使用它的自然吸气发动机的 本质 原因,如果按照对提问者问题的回答,窃以为以上两点,是最为对口的答案。

不过纯从车迷的角度,这也挺好,毕竟我们还能在未来不短的时间内,听到自然吸气发动机性感磁性的声浪,不是吗?