车子为何会存在动力迟滞，造成的因素有哪些
2021-12-09 09:05 艾森ECU升级(北京运营中心)
很多驾驶经验丰富的消费者都能感觉到，车子在踩下油门踏板后，加速感要过一两秒才有，这不仅使得驾驶体验变差，而且在道路上超车时也有一定的危险性。在汽车行业，工程师把动力延迟输出的时间称之为动力迟滞，随着汽车工业的进步，现在主流的合资品牌都将涡轮迟滞或者动力延迟的体验感控制在很小的范围内。而在一些豪华品牌中，很多人甚至感觉不到涡轮迟滞的存在。同样是涡轮增压，为什么不同车型之间的动力响应速度千差万别呢？而影响这一时间的因素则有很多。
1. 普通车主版解释
1.1 踩下油门发生了什么？
自动挡车辆在稳态下行驶时，只要突然踩下的油门足够大，车辆一般会降挡，变速箱速比增大，发动机咆哮一声，进入更高转速，好处是：变速箱齿轮组速比增大后，其输出扭矩增大（对于齿轮组，输出扭矩等于输入扭矩乘以速比）；发动机在更高转速下，能输出更大功率。降挡后，车辆获得了更好的加速性能。踩油门降挡工况称为Power-on Downshift，其中急踩大油门加速又被称为「Kickdown」。所谓「思考人生」，往往是指Kickdown耗时过长以及Kickdown过程中车辆动力不足，车辆甚至可能产生制动感。
1.1 踩下油门发生了什么？
自动挡车辆在稳态下行驶时，只要突然踩下的油门足够大，车辆一般会降挡，变速箱速比增大，发动机咆哮一声，进入更高转速，好处是：变速箱齿轮组速比增大后，其输出扭矩增大（对于齿轮组，输出扭矩等于输入扭矩乘以速比）；发动机在更高转速下，能输出更大功率。降挡后，车辆获得了更好的加速性能。踩油门降挡工况称为Power-on Downshift，其中急踩大油门加速又被称为「Kickdown」。所谓「思考人生」，往往是指Kickdown耗时过长以及Kickdown过程中车辆动力不足，车辆甚至可能产生制动感。
1.2 汽车到底在思考什么？
踩下油门后，发动机产生了更多扭矩。发动机扭矩被一分为二：一部分用于克服发动机飞轮本身的惯性，提升发动机转速，另一部分传递给离合器用于驱动车辆前进。标定工程师通过调节一系列参数，可以控制这两部分扭矩的分配比例。如果更多扭矩用于提升发动机转速，则降挡可以很快完成，但是传递到离合器的扭矩过少，动力传递会出现一定程度的「丢失」。驾驶员踩下油门后会有短暂的减速感，之后车速迅速拉升。如果更多扭矩传递给离合器，则动力传递更加连贯，但是发动机没有足够的扭矩用于提升转速，导致降挡时间过长，驾驶员会觉得踩油门无力，车辆加速过于缓慢。
1.3 哪些车更容易「思考人生」？
从前文可以看出，产生「思考人生」的一个重要原因是发动机增扭能力有限。最容易出现这种现象的是涡轮增压发动机。下图是废气涡轮增压器工作原理图。从气缸排气门排出的废气（深蓝色）推动废气涡轮（Exhaust-gas turbine）旋转，带动与之相连的压气机（Compressor），将新鲜空气压缩，经过中冷器（Intercooler）冷却后推入节气门，增加了进气量。
踩下油门后，发动机产生了更多扭矩。发动机扭矩被一分为二：一部分用于克服发动机飞轮本身的惯性，提升发动机转速，另一部分传递给离合器用于驱动车辆前进。标定工程师通过调节一系列参数，可以控制这两部分扭矩的分配比例。如果更多扭矩用于提升发动机转速，则降挡可以很快完成，但是传递到离合器的扭矩过少，动力传递会出现一定程度的「丢失」。驾驶员踩下油门后会有短暂的减速感，之后车速迅速拉升。如果更多扭矩传递给离合器，则动力传递更加连贯，但是发动机没有足够的扭矩用于提升转速，导致降挡时间过长，驾驶员会觉得踩油门无力，车辆加速过于缓慢。
1.3 哪些车更容易「思考人生」？
从前文可以看出，产生「思考人生」的一个重要原因是发动机增扭能力有限。最容易出现这种现象的是涡轮增压发动机。下图是废气涡轮增压器工作原理图。从气缸排气门排出的废气（深蓝色）推动废气涡轮（Exhaust-gas turbine）旋转，带动与之相连的压气机（Compressor），将新鲜空气压缩，经过中冷器（Intercooler）冷却后推入节气门，增加了进气量。
当车辆不踩油门滑行时，节气门开度很小。此时废气涡轮转速很低，几乎没有增扭效果。再次踩油门后，建立废气流，并推动废气涡轮加速旋转需要一定的时间。因此扭矩响应存在迟滞，我们称为「涡轮迟滞」（Turbo lag）。如果能减少废气涡轮的惯性，则其旋转加速能更快，能在一定程度上减少涡轮迟滞。
「思考人生」并非涡轮增压发动机所特有，不同的自然吸气发动机之间，扭矩响应能力也有所差别。直喷、VVT等技术能轻微提升扭矩响应速度。只要是发动机排量过小，而整车又较重，出现了「小马拉大车」的情况，降挡加速就会难以达到驾驶员预期。
中国消费者普遍喜好同等价位下更大的车。大多数消费者在第一次购车的时候，因为不知道自己的需求，纷纷表示「不是很在意动力性」，「只是上下班开开，够用就可以了」。各企业同一款车的不同配置，排量更小的，总是销量更高。中国的城市路况由于更多拥堵，车辆会更加频繁地换挡，因此多数消费者对换挡顿挫更加敏感——至于大油门的加速性能则并不是太在意。在欧美，多数路况下，交通没有那么拥堵，车辆平均时速更高。高速公路最右车道依然保持着很高的车速，因此车辆在上高速时，往往需要在匝道上Kickdown，迅速提升车速。各种综合因素的结果，中国市场的畅销车型，发动机动力往往偏弱，更容易出现「思考人生」。
涡轮增压车型有改善涡轮迟滞的方法吗？
1.首当其冲的影响因素便是增压值。由于增压器建立压力需要时间，因此涡轮设定的增压值越大，动力迟滞的时间也越明显，这就好比一个人要跑的距离越长，所需要的时间也越多。考虑到消费者的驾驶体验，有经验的车企在调校涡轮发动机的时候会将涡轮的增压值控制在合理的范围内。
2.除了降低涡轮的增压值，我们还可以通过减少涡轮的运转阻力和转动惯量来提高涡轮的响应速度，进一步减少建立压力所需的时间。因为涡轮是由排气驱动的，在排气压力一定的情况下，涡轮的尺寸越小，摩擦阻力越小，就越容易达到很高的转速。
3.还有一个比较重要的影响因素就是排气部分的设计。短行程的排气歧管设计可以在短时间内将排气压力提升到最大，但其副作用则是会令发动机的缸内温度升高，为降低排气歧管出口的温度，越来越多厂家采用集成式排气歧管技术。
在一些高端车型中，还会采用双涡管技术和变截面排气涡轮技术，前者能减少排气干涉的现象，后者能减小发动机低转速下涡轮排气端的A/R值（入风口截面积与涡轮径向尺寸的比值），最终都可以提高涡轮的响应速度。
虽然自然吸气发动机在市面上的比例越来越少，但这不能说是一件坏事。在主流车企的努力下，涡轮增压发动机的动力迟滞越来越小。而随着48V混动系统的普及，一定程度上也改善小排量涡轮增压发动机的涡轮迟滞现象。随着汽车工业的发展，相信在未来，涡轮增压车型也会拥有接近自然吸气车型的体验。
「思考人生」并非涡轮增压发动机所特有，不同的自然吸气发动机之间，扭矩响应能力也有所差别。直喷、VVT等技术能轻微提升扭矩响应速度。只要是发动机排量过小，而整车又较重，出现了「小马拉大车」的情况，降挡加速就会难以达到驾驶员预期。
中国消费者普遍喜好同等价位下更大的车。大多数消费者在第一次购车的时候，因为不知道自己的需求，纷纷表示「不是很在意动力性」，「只是上下班开开，够用就可以了」。各企业同一款车的不同配置，排量更小的，总是销量更高。中国的城市路况由于更多拥堵，车辆会更加频繁地换挡，因此多数消费者对换挡顿挫更加敏感——至于大油门的加速性能则并不是太在意。在欧美，多数路况下，交通没有那么拥堵，车辆平均时速更高。高速公路最右车道依然保持着很高的车速，因此车辆在上高速时，往往需要在匝道上Kickdown，迅速提升车速。各种综合因素的结果，中国市场的畅销车型，发动机动力往往偏弱，更容易出现「思考人生」。
涡轮增压车型有改善涡轮迟滞的方法吗？
1.首当其冲的影响因素便是增压值。由于增压器建立压力需要时间，因此涡轮设定的增压值越大，动力迟滞的时间也越明显，这就好比一个人要跑的距离越长，所需要的时间也越多。考虑到消费者的驾驶体验，有经验的车企在调校涡轮发动机的时候会将涡轮的增压值控制在合理的范围内。
2.除了降低涡轮的增压值，我们还可以通过减少涡轮的运转阻力和转动惯量来提高涡轮的响应速度，进一步减少建立压力所需的时间。因为涡轮是由排气驱动的，在排气压力一定的情况下，涡轮的尺寸越小，摩擦阻力越小，就越容易达到很高的转速。
3.还有一个比较重要的影响因素就是排气部分的设计。短行程的排气歧管设计可以在短时间内将排气压力提升到最大，但其副作用则是会令发动机的缸内温度升高，为降低排气歧管出口的温度，越来越多厂家采用集成式排气歧管技术。
在一些高端车型中，还会采用双涡管技术和变截面排气涡轮技术，前者能减少排气干涉的现象，后者能减小发动机低转速下涡轮排气端的A/R值（入风口截面积与涡轮径向尺寸的比值），最终都可以提高涡轮的响应速度。
虽然自然吸气发动机在市面上的比例越来越少，但这不能说是一件坏事。在主流车企的努力下，涡轮增压发动机的动力迟滞越来越小。而随着48V混动系统的普及，一定程度上也改善小排量涡轮增压发动机的涡轮迟滞现象。随着汽车工业的发展，相信在未来，涡轮增压车型也会拥有接近自然吸气车型的体验。
1.4 为什么运动模式下不「思考人生」了？
在运动模式下，整个动力总成有很多不同的标定设置。变速箱会让车辆更晚升挡，更早降挡，其结果就是车辆普遍在更高的发动机转速下运行。此时发动机有更好的扭矩响应能力，在降挡过程中既能提供足够的扭矩传递到离合器，保证动力连续性和换挡过程中的加速感，又有足够多的扭矩可以用于提升发动机转速，迅速完成换挡。
在运动模式下，整个动力总成有很多不同的标定设置。变速箱会让车辆更晚升挡，更早降挡，其结果就是车辆普遍在更高的发动机转速下运行。此时发动机有更好的扭矩响应能力，在降挡过程中既能提供足够的扭矩传递到离合器，保证动力连续性和换挡过程中的加速感，又有足够多的扭矩可以用于提升发动机转速，迅速完成换挡。
1.5 连续降挡的影响
Kickdown时，为了追求更大的加速度，目标挡位往往会跳跃好几个挡位。对于跳挡降挡，一方面，速比改变较大，发动机需要爬升更多转速，所耗时间更长，另一方面，不论是AT还是DCT，都有可能遇到无法简单通过一个离合器分离，另一个离合器结合来完成换挡。
以DCT为例，一个离合器控制奇数档位，另一个离合器控制偶数挡位。对于当前挡位和目标挡位同奇同偶的换挡，例如4降2，如果仅仅由偶数挡位离合器直接控制，则离合器分离后，需要4挡拨叉脱开，2挡拨叉结合，然后该离合器再次结合，这个过程会出现动力中断。为了避免动力中断，更常用的换挡方式是中间短暂经过3挡，于是4-2变成4-3，3-2两次连续降挡，因此换挡时间更长，很可能比5-2需要更长时间，因为5-2是从基数轴换到偶数轴，不必经过中间挡位。
AT同样可能出现类似的连续降挡。例如ZF 8AT的各挡位离合器结合状态如下表所示。（表中所列「Brake」，其本质也是离合器。）
Kickdown时，为了追求更大的加速度，目标挡位往往会跳跃好几个挡位。对于跳挡降挡，一方面，速比改变较大，发动机需要爬升更多转速，所耗时间更长，另一方面，不论是AT还是DCT，都有可能遇到无法简单通过一个离合器分离，另一个离合器结合来完成换挡。
以DCT为例，一个离合器控制奇数档位，另一个离合器控制偶数挡位。对于当前挡位和目标挡位同奇同偶的换挡，例如4降2，如果仅仅由偶数挡位离合器直接控制，则离合器分离后，需要4挡拨叉脱开，2挡拨叉结合，然后该离合器再次结合，这个过程会出现动力中断。为了避免动力中断，更常用的换挡方式是中间短暂经过3挡，于是4-2变成4-3，3-2两次连续降挡，因此换挡时间更长，很可能比5-2需要更长时间，因为5-2是从基数轴换到偶数轴，不必经过中间挡位。
AT同样可能出现类似的连续降挡。例如ZF 8AT的各挡位离合器结合状态如下表所示。（表中所列「Brake」，其本质也是离合器。）
ZF 8AT各挡位离合器列表，我们可以看到，从5挡到2挡，需要两个离合器（C、D）分离，然后两个离合器结合（A、E），同时控制四个离合器加大了控制难度，可能存出现动力中断或换挡冲击，于是可以采取一个折衷措施就是让挡位经过4挡或者3挡，变成两个连续的降挡。如果采用这种方式来降挡，难免花费更长时间。
2 工程师版解释
下面从工程的角度来解读一下。
2.1 换挡过程扭矩分析
以DCT为例，换挡过程中的扭矩及转速变化如下图所示，AT换挡与之类似：
Power-on Downshift扭矩及转速图，以DCT为例
先列出离合器处于打滑状态下的扭矩计算公式：
其中，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=T_e)
为发动机扭矩，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=T_c)
为离合器扭矩，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=T_j)
为惯性扭矩，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=I)
为从发动机旋转机构（主要是飞轮）到离合器主动盘的转动惯量，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Calpha)
为发动机转速加速度。
踩油门降挡主要分为两个阶段，第一个是惯性阶段（Inertial Phase)，在这一阶段，通过降低Offgoing离合器扭矩，可以增加惯性扭矩（Inertial Torque），用于拉升发动机转速。从公式我们可以看出，在发动机扭矩一定的情况下，离合器扭矩越小，则惯性扭矩越大，发动机转速加速度越大，换挡可以越快完成。
发动机扭矩依照踩下油门大小的不同，爬升的速度也不同，但是只要踩下的油门足够大，基本都会按照其最大能力来爬升。如果发动机扭矩爬升能力有限，为了保证足够的惯性扭矩来完成发动机转速爬升，离合器需要减少更多扭矩。在惯性阶段快结束的时候，为了防止发动机转速飞太高，需要适当减少惯性扭矩，可以通过请求发动机减扭，或者提高离合器扭矩来实现。当发动机转速抵达目标转速后，换挡进入扭矩阶段（Torque Phase），两个离合器交换扭矩，完成换挡。
踩油门降挡主要分为两个阶段，第一个是惯性阶段（Inertial Phase)，在这一阶段，通过降低Offgoing离合器扭矩，可以增加惯性扭矩（Inertial Torque），用于拉升发动机转速。从公式我们可以看出，在发动机扭矩一定的情况下，离合器扭矩越小，则惯性扭矩越大，发动机转速加速度越大，换挡可以越快完成。
发动机扭矩依照踩下油门大小的不同，爬升的速度也不同，但是只要踩下的油门足够大，基本都会按照其最大能力来爬升。如果发动机扭矩爬升能力有限，为了保证足够的惯性扭矩来完成发动机转速爬升，离合器需要减少更多扭矩。在惯性阶段快结束的时候，为了防止发动机转速飞太高，需要适当减少惯性扭矩，可以通过请求发动机减扭，或者提高离合器扭矩来实现。当发动机转速抵达目标转速后，换挡进入扭矩阶段（Torque Phase），两个离合器交换扭矩，完成换挡。
下面我们再来看看变速箱输出轴的输出扭矩，输出轴扭矩可以表征车辆加速状态，在一定程度上体现驾驶员感受，其计算公式为：
其中为![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=T_o)
变速箱输出轴扭矩，![[公式]](https://www.zhihu.com/equation?tex=i)
为当前档位速比。
上图中红线即为换挡过程的输出轴扭矩变化。我们可以看到，由于Offgoing离合器在惯性阶段的降扭，会导致输出轴扭矩有一个「跌坑」。这个「跌坑」会导致驾驶员在踩下油门之后的瞬间，整车加速度不增反降，直到换挡进入扭矩阶段，车辆加速度迅速增加。输出轴扭矩的这个「跌坑」，就是驾驶员感受到的所谓「思考人生」。
在上图中，还有一条虚线标明了：如果不降挡，变速箱输出扭矩会如何变化。我们可以看出，Kickdown这个动作，有点像格斗游戏中的「发大招」，变速箱在换挡过程中「憋住」扭矩，就像「蓄力」，等到换挡快结束时，就能更强有力地「爆发」。
上图中红线即为换挡过程的输出轴扭矩变化。我们可以看到，由于Offgoing离合器在惯性阶段的降扭，会导致输出轴扭矩有一个「跌坑」。这个「跌坑」会导致驾驶员在踩下油门之后的瞬间，整车加速度不增反降，直到换挡进入扭矩阶段，车辆加速度迅速增加。输出轴扭矩的这个「跌坑」，就是驾驶员感受到的所谓「思考人生」。
在上图中，还有一条虚线标明了：如果不降挡，变速箱输出扭矩会如何变化。我们可以看出，Kickdown这个动作，有点像格斗游戏中的「发大招」，变速箱在换挡过程中「憋住」扭矩，就像「蓄力」，等到换挡快结束时，就能更强有力地「爆发」。
2.2 换一个更「强悍」的发动机
如下图所示，如果更换一个更「强悍」的发动机，则离合器扭矩不用降低，也能保证和之前相同大小的惯性扭矩。新的扭矩曲线如虚线所示。可见，即使发动机最终的扭矩大小相同，换挡时间完全相同，但是新的发动机能更快升扭，于是驾驶员不会感觉到「跌坑」，而且更早感觉到车辆加速。
如下图所示，如果更换一个更「强悍」的发动机，则离合器扭矩不用降低，也能保证和之前相同大小的惯性扭矩。新的扭矩曲线如虚线所示。可见，即使发动机最终的扭矩大小相同，换挡时间完全相同，但是新的发动机能更快升扭，于是驾驶员不会感觉到「跌坑」，而且更早感觉到车辆加速。
2.3 更快的换挡可以减少「思考人生」吗？
更快的换挡速度确实可以让输出轴扭矩更快达到较高值，但是为了获得更快的换挡速度，必须要有更大的惯性扭矩，于是离合器扭矩必须更小，「跌坑」的时间虽然缩短，但是深度加深，驾驶员会感觉到更强烈的扭矩中断，踩油门的瞬间就像踩了一脚刹车，之后紧接一个迅猛的推背感，严重影响换挡平顺性。如下图虚线为更快的换挡。
变速箱具备动力分配的能力，把发动机扭矩分成离合器扭矩和惯性扭矩两部分，就像切蛋糕一样决定两边的比例，但是变速箱无法创造一块更大的蛋糕，只能在「平顺而缓慢的换挡」和「迅速但有中断感的换挡」 中选取合适的平衡，这种选择，跟这辆车所追求的性能（更舒适还是更运动）有关，有时也会注入标定工程师自己的偏好。更强大的发动机永远不是累赘，在大油门加速工况下，只有配合更强大的发动机，变速箱才能既平顺，又迅速地完成换挡。标定工作对驾驶感受有很深刻地影响，但是无法超越硬件本身的物理限制。
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