远不止改善涡轮迟滞
——《公路与赛道》杂志专访报道
目前，汽车工程师比以往任何时候更加追求高效率。内燃机搭载涡轮增压器非常有助于提高给定排量发动机的功率和效率，在过去的十年中，越来越多的小型涡轮发动机取代了体积较大的非增压式发动机。然而，涡轮增压器本身远未臻于完美。
作为一款初级装置，涡轮增压器的加速时间较长，转轴完全由废气流控制，浪费了大量废气，而且温度很高。此外，传统的涡轮增压器运行时，远远未能达到最高速度，因为一旦超过最高速度，涡轮增压器和/或发动机可能受损。
电动涡轮增压器的应用使很多此类问题迎刃而解，同时它还有许多其他优势。
快速总结涡轮增压器的基本知识，对理解更有帮助。涡轮增压器内有压缩机和涡轮，由一根小轴连接。废气吹到一侧涡轮压缩机的叶轮上，带动另一侧压缩机壳体内的叶轮转动。通常情况下，来自压缩机的空气经过某种中间冷却器，降低进气温度；同时压缩机叶轮通过提高进气口的空气密度，提高发动机功率。在排气侧，通常有一个阀门，涡轮达到所需速度时，阀门打开并将过剩的空气向下游输送到汽车排气系统的其余部分，这个阀门叫做废气旁通阀。
电动涡轮增压器实质上只是一台涡轮轴上连接了电机的普通涡轮增压器。其原理很简单，但执行起来不容易，充满各种可能性。盖瑞特首席技术官Craig Balis在接受Road & Track采访时表示：“电动涡轮增压器带来新的自由度。汽车制造商可以通过它实现更出色的功率、效率、排放和驾驶性能。”
盖瑞特涉足涡轮增压业务数十载，也是第一家在市场推出电动涡轮增压器的公司。汽车制造商梅赛德斯AMG率先推出搭载电动涡轮增压器的C43和C63型号，搭配AMG的2.0升M139，分别实现402马力和惊人的476马力的动力。C63是当今市场上功率密度最大的发动机，可达到251马力/升。由于永无止境的动力需求，四缸发动机采用了插电式混合动力系统，提供高达671马力的动力。
人们很容易认为，电动涡轮增压器的唯一作用是减少迟滞。“我也这样认为，它确实是电动涡轮增压器的一大显著作用。”简单地说，一个体积较大的涡轮增压器具有较大的涡轮机和压缩机叶轮，因此能够使发动机进气更多，产生的功率更大，但涡轮机尺寸越大，则需要越长时间才能获得目标增压水平。然而，在轴上增设一台电机，即可使整个装置达到最高速度而无需等待废气产生。（虽然无法消除涡轮迟滞，但可以将其减少到不会带来负面影响的程度。）
Balis更喜欢使用瞬态响应这个词来代替涡轮迟滞，即当你踩下油门时汽车的响应。他指出，改善瞬态响应不仅有助于提高驾驶性能，也有助于减少排放。“您可以更精确地控制进入发动机的空气，使进气量与燃油和发动机需求相匹配。”
此外，电动涡轮增压器还有助于提高能效。当需要用电时增压器通过电池给电机供电，当需要发电时增压器则通过关闭废弃旁通阀回收热能。在混合动力车和纯电动汽车中，电机的减速可以降低汽车的速度，同时会将能量输送回电池。在更小尺寸的涡轮增压器上，电机亦可实现这一功能。“涡轮增压器的吸引人之处是，在不同驾驶周期都可以实现能量平衡，”Balis解释道，“也就是说，产生的电能与需要使用的电量一致。在不同的时间点和驾驶周期，都可以实现能量平衡，甚至能量正值。”
盖瑞特电动涡轮增压器仍然使用废气旁通阀，增压控制水平越精确，被浪费的废气越少，所用的废气旁通阀就越小。通常情况下，现代汽车的电控单元能估算涡轮增压器的速度，并利用废气旁通阀控制增压压力，但为了安全性和耐用性，估算会存在巨大的误差。了解涡轮增压机的尺寸即能了解其性能。如果能知道涡轮增压器的准确速度，就能在运行时使其更接近运行速度的上限，而无需担心其超速。这项优势非常重要，但并非电动涡轮增压器所独有，法拉利和日产均已通过配备速度传感器的传统燃气涡轮增压器实现这一优势。
早在20年前，盖瑞特已经着手研发电动涡轮增压器，但发现采用12伏电路完全不可行。Balis说，安装在轴上的电机不能超过3kW，即便能够安装，也会给系统带来很大的影响。随着大容量电气架构的问世，电动涡轮增压终于成为可能。当前梅赛德斯奔驰的大多数C级型号使用48伏“轻混合动力”架构，而C63使用AMG设计的400伏插电式混合动力系统。梅赛德斯还决定，新推出的C级只采用四缸动力。在这种场合中，电动涡轮增压发挥了至关重要的作用。
根据AMG的电动涡轮增压器应用工程师Jan Habermann介绍，公司打算为C43提供比其原先车型更出色的发动机，这款汽车目前采用非AMG产品所使用的V-6发动机。M139由位于Affaltebach的AMG工厂手工制造，虽然已用于AMG的45系列汽车，但均采用12伏电路，因此也采用传统的废气旁通涡轮增压器。C43搭载电动涡轮增压器并非单纯为了提高动力——与C43的402马力相比，CLA45 S已实现415马力的动力——而是看中电动涡轮增压器的其他优势。
C63则展现了另一种情况。它采用四缸插电式动力系统取代备受青睐的4.0升V-8，AMG深知必须打出一记重拳。“混合动力具有许多优势，”Habermann说，“不仅采用体积很小而且非常省油的发动机，还能有超棒的全电动汽车驾驶体验，其性能比前一代的车型要好得多。”AMG认为C63不仅要与传统的汽油动力轿车竞争，还要与新型的超强大电动汽车一较高下。（从起亚推出577马力的EV6即可看出其中的逻辑。）
Habermann表示，当达到AMG所追求的2.0升涡轮增压器的动力时，传统涡轮增压器会产生明显的涡轮迟滞。C63的涡轮增压器采用直径为71mm的压缩机叶轮，可产生高达37.7 psi的增压，这种一流的增压能力常见于卡车或1000马力的大马力车上。（它还具有可变几何尺寸的叶片，能实现更高的灵活性。）你可能会认为搭载204马力电机的C63混合动力系统能够补偿可能出现的涡轮迟滞，为什么还要使用电动涡轮增压器呢？答案并不简单。
“这也是为了获得出色的性能和效率，”Habermann说。AMG的混合动力系统采用6.1kWh蓄电池，其控制策略的原理是保持蓄电池电量充足，当驾驶员需要时，电机始终能提供充足的电力。通过使用电动涡轮增压器，可使发动机快速达到最大功率，同时电机可以保持待机状态，将能量储存在蓄电池中。“这听起来很有意思。汽车搭载了驱动电机，但你不想使用它，而是用于能量回收，或在特殊工况下提升性能。”
有意思的是，由于C63的电动涡轮增压器所搭载的电机只有6kW（8hp），跟具有25倍动力的驱动电机相比，让这台6kW电机旋转起来所需的能量要少得多。
AMG自然会在整个发动机转速范围内利用涡轮增压器发挥许多作用。在发动机转速较低时，电机推动涡轮增压器旋转，同时废气压力保持增大。由于这增加了进入发动机的空气量，因此也增加了流出的空气量，进一步有助于产生增压。在3500转/分左右和保持节气门开度恒定时，电机几乎不发挥作用，因为有足够的废气使涡轮增压器按照175,000转/分的最大转速旋转。然而，当速度更快时，即达到C63的7000转/分上限，为了使涡轮增压器保持旋转，电机输出约1kW，有助于拓宽动力区和提高节气门响应。涡轮增压发动机通常在速度上限附近逐渐停止，但AMG希望涡轮增压发动机更像非增压式发动机，能始终在转速范围内提供动力。
此外，AMG还利用涡轮增压器的电机按需提高整个动力带的瞬态响应。Habermann说，当发动机转速较低时，可能需要一秒钟才能达到最大的增压压力，在中等转速时，几乎瞬时达到最大增压压力，而在高转速时，大约需要0.4秒。正如Habermann所说，对于这么大的涡轮增压器来说，真的令人惊叹，时间短得几乎让人感觉不到。涡轮增压器还能在换挡过程中，利用废气旁通阀将废气排出，并将能量输送回电池。
即便如此，校准工程师和AMG的人员也必须确保2.0升四缸汽车的底端在37.7 psi增压时，不会发生意外爆炸。他们还面临着另一项艰巨任务，那就是涡轮增压器电机必须在极高温、振动极大的环境中按照高达200,000 rpm的速度高速旋转。
Balis说，随着轻混合动力和插电式混合动力汽车越来越普及和需求量越来越大，在不久的将来，越来越多的汽车制造商将采用电动涡轮增压技术，而不仅仅是用于高性能应用。卡车制造商也对这项技术产生了兴趣。“这项技术有助于提高效率，减少排放量，当然，还有助于提高功率密度。它真的带来了这一切优势，”Balis说，“最终，这项技术能够带来前所未有的发动机设计自由度……我们可以更精确地获得所需空气量。”他补充说，各种硬件的成本都在下降，使该技术成为主流应用中更具可行性的解决方案。
此外还取决于我们向纯电动汽车过渡的进程。电动涡轮增压器或许只是临时解决方案，但它们也确实提高了内燃机可行性。这有力地证明了内燃机的效率还能进一步得到提升。
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