誰創(chuàng)造了渦輪增壓器

自從人類發(fā)明內(nèi)燃發(fā)動機以來，無數(shù)的汽車工程師和賽車手—直都在尋找提升其動力的方法。這當中最簡單的方法就是制造排量更大的發(fā)動機。但大排量發(fā)動機也并不總是盡如人意，排量越大發(fā)動機體積就越大，也更耗油，讓發(fā)動機的制造和使用成本更高。另種比較經(jīng)濟的方法是提高發(fā)動機效率，工程師們設想通過將更多的空氣壓人燃燒室來實現(xiàn)這一目的。更多的空氣混合著汽油被點燃就意味著更強勁的爆發(fā)力和更大的馬力。于是，在1885年和1896年，德國工程師戈特利布·戴姆勒(Gattlleb Dalmler)和柴油發(fā)動機的發(fā)明者魯?shù)婪颉さ腺悹?Rudolf Diesel)就做了這樣的嘗試，他們分別對燃燒空氣提前進行壓縮來提高發(fā)動機功率，以及提高燃油經(jīng)濟性進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)安裝增壓器是實現(xiàn)強制進氣的好方法，可惜他們都沒有拿出實際的產(chǎn)品。

準確地說，渦輪增壓器從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)超過100歲了。在1905年的時候，瑞士蘇爾壽(Sulzer)兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾佛雷德·波西(Alfred Buchi)博士發(fā)明出一種軸向增壓裝置，并申請了專利——“動力驅動的軸向增壓器”，這標志著世界上第一臺渦輪增壓器由此誕生。此后，波西博士一直致力于渦輪增壓裝置的改進，終于在1925年成功地利用廢氣增壓技術實現(xiàn)了將發(fā)動機功率提高40％的創(chuàng)舉，成為了第一個實際應用渦輪增壓的地球人。

不過這種技術并沒有立刻引發(fā)了汽車生產(chǎn)商們的興趣，反倒是讓戰(zhàn)爭販子們瞧上了，世界上最大的悲哀莫過于此。在第二次世界大戰(zhàn)期間，當時的飛機還普遍采用往復式活塞發(fā)動機，以驅動螺旋槳獲得動力?；钊l(fā)動機結構比較復雜，并且還存在質量大、功率低的缺點。飛機制造廠開始陸續(xù)為飛機發(fā)動機添加渦輪增壓裝置，以克服飛機在萬米高空因為“缺氧”而造成的功率不足的問題。第一次在飛機上使用機械增壓器是在二戰(zhàn)末期。最著名的例子是噴火式戰(zhàn)斗機。這種飛機裝備一臺勞斯萊斯P.V.12液冷式發(fā)動機，由于機械增壓器的使用，這臺發(fā)動機的最大功率能夠達到1470馬力。這種增壓器可以增加空氣流動速度，提高空氣密度，使燃燒更加充分，以便給飛機在爬升或復飛時提供足夠大的抬頭動力。

渦輪增壓器落地后的威力

幸運的是這場戰(zhàn)爭沒有一直打下去，二戰(zhàn)結束后，以前直應用在飛機發(fā)動機上的渦輪增壓器好似仙女下凡，開始在汽車上小范圍應用，讓世人心動不已。這些渦輪增壓器發(fā)動機主要用于在賽車上，這在發(fā)動機排量受到特殊限制的賽車比賽里面非常受歡迎。它能使發(fā)動機獲得更大的功率和扭矩，包括勒芒24小時耐力賽、NASCAR、F1賽事等。直到1961年，汽車廠商們才試探性地在普通轎車上裝備渦輪增壓器。最先出現(xiàn)的是美國奧茲莫比爾F85，這款使用了增壓技術的3.5L V8發(fā)動機的功率達到了217馬力。而在當時，相同排量下非增壓發(fā)動機功率輸出的最好成績只有187馬力。這讓其他車廠艷羨不已，決心注資開發(fā)渦輪增壓車型。由此，在上世紀70年代，渦輪個增壓發(fā)動機經(jīng)歷了一個非常有歷史意義的轉折點。

渦輪增壓器的構造其實并不復雜，它主要由渦輪室和增壓器兩部分組成。渦輪室的進氣口與發(fā)動機排氣歧管相連，排氣口則接在排氣管上。增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣歧管上，最后渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接。廢氣進入轉動渦輪增壓器中的排氣側渦輪，而渦輪與進氣側的葉輪為同軸異室。假設當排氣側渦輪達到約12000 rpm時，它帶動另一側的進氣葉輪引人外來的新鮮空氣，經(jīng)過葉輪帶動使流速增壓，產(chǎn)生所謂的壓縮效應并導人進氣歧管內(nèi)。因此渦輪增壓發(fā)動機的進氣是非自然方式的——“吸進來，再壓縮”，所以空氣壓力大于大氣壓力值，發(fā)動機的燃燒效率因此提高。其實渦輪增壓就相當于一個高效率的鼓風機，增加了發(fā)動機的進氣量，讓汽油燃燒得更充分，這就好比電腦的CPU一樣被“超頻”了。

由于渦輪增壓器的渦輪室外形就像一個蝸牛的殼，而且低調(diào)地呆在發(fā)動機旁邊，因此它被大家稱為“小蝸?！薄＿@個“小蝸?！弊畲蟮膬?yōu)點是在不增加發(fā)動機排量的前提下，能較大幅度地提高發(fā)動機的功率及扭矩。一般來說加裝增壓器后，發(fā)動機功率及扭矩要增大20％～30％，但渦輪增壓器最明顯的缺點也就是遲滯現(xiàn)象(Turbo Lag)，遲滯現(xiàn)象可以說是渦輪增壓發(fā)動機的一個天生缺陷。由于葉輪的慣性作用對油門瞬時變化反應的遲緩，也就是說當你大腳踩油門加速時，發(fā)動機轉速的爬升過程也便是渦輪增壓的遲滯時間——通常渦輪增壓器發(fā)揮作用的轉速在1800～2500rpm之間，即排氣葉輪轉動將更多空氣壓進發(fā)動機獲得更大動力之間存在個時間差——約1秒左右，所以在轉速達到預設增壓啟動轉速時，動力上會有

個比較突然的介入。不過，由于發(fā)動機的四個沖程中只有一個沖程排氣，會造成廢氣排放不連貫，進而引起渦輪增壓器驅動不連貫。于是設計師讓氣缸的排氣歧管分兩路連接到增壓器上，這樣就可以讓不同氣缸的排氣組合起來進入增壓器，保證每一個沖程都有持續(xù)的空氣驅動渦輪，讓動力源源不斷地輸出。

增壓器的類別

其實增壓器并不只有渦輪增壓器而已，在汽車發(fā)展史上，先后有三種不同類型增壓器流行過。它們分別是魯式(Root對、雙螺旋式和離心式。這些增壓器的主要區(qū)別在于將空氣吸入發(fā)動機進氣歧管的方式不同。魯式和雙螺旋式機械增壓器使用不同類型的嚙合凸緣，而離心式增壓器使用葉輪吸入空氣。雖然這三種設計都能產(chǎn)生增壓效果，但在效率上卻有很大差別。

魯式機械增壓器

魯式機械增壓器是最老式的一種設計。早在1860年，Philander和Francis Roots就申請了魯式機械增壓器的設計專利，當初這玩意兒只是作為幫助礦井通道通風的機器。后來Gottleib Daimler曾嘗試在汽車發(fā)動機中安裝魯式機械增壓器。當嚙合凸緣旋轉時，空氣會被吸入凸緣之間的氣槽中，然后在進氣口和排氣口之間傳送。大量的空氣將進人進氣歧管，并“累積”起來產(chǎn)生正壓力。魯式機械增壓器通常都很大，安裝在發(fā)動機的頂部。因為可以裝在發(fā)動機蓋的外面，所以它們在力量型汽車和大馬力改裝車中很受歡迎，相信大家在很多美國的公路片中見過這玩意兒了，汽車引擎蓋上突出的部分就是它了。不過，雖然看上去非常威猛，但它卻是效率最低的機械增壓器，原因有兩個：它們增加了轎車的重量，并且只能間歇地吸八空氣，而不能順暢地連續(xù)吸入空氣。

雙螺旋式機械增壓器

上世紀七十年代，戴姆勒公司的工程師設計了雙螺旋式機械增壓器，它通過兩根類似于一組渦輪傳動的嚙合凸緣吸入空氣。與魯式機械增壓器一樣，雙螺旋式機械增壓器中的空氣也是通過轉子凸緣集中起來吸入的。但雙螺旋式機械增壓器會壓縮轉子殼體內(nèi)的空氣。其原因在于這些轉子具有錐度，這意味著隨著空氣從進氣口流向排氣口，氣

穴會變小。隨著氣穴的收縮，空氣便被壓人到更小的空間。這使雙螺旋式機械增壓器的效率更高，但需要在制造過程中精密加工螺旋型轉子，從而增加了成本。有些雙螺旋式機械增壓器與魯式機械增壓器一樣，也放在發(fā)動機的上方。它們也會發(fā)出很大的噪音。從排氣口排出的壓縮空氣會發(fā)出轟鳴聲，因此必須使用降噪技術消除這些聲音。

離心式增壓器

離心式增壓器就是咱們現(xiàn)在最常見的渦輪增壓器了，它利用葉輪提供動力，將空氣高速吸人狹小的壓縮機殼體。它的葉輪與轉子相似，利用發(fā)動機的廢氣驅動，其轉速可達每分鐘5～6萬轉。在所有增壓系統(tǒng)中，離心式機械增壓器是最有效率、最普遍的一種機械增壓器。它們體積小，重量輕，安裝在發(fā)動機的前面而不是頂部。渦輪增壓器還會產(chǎn)生與眾不同的轟鳴聲，這會增加汽車在街上的回頭率。機械增壓器最大的優(yōu)點是可以增加汽車的馬力。給一輛普通汽車或卡車安裝機械增壓器，會使其像一臺大馬力發(fā)動機汽車一樣動力十足。

渦輪增壓器最明顯的缺點也就是遲滯現(xiàn)象(Turbo Lag)，遲滯現(xiàn)象可以說是渦輪增壓發(fā)動機的個天生缺陷。由于葉輪的慣性作用對油門瞬時變化反應的遲緩，也就是說當你大腳踩油門加速時，發(fā)動機轉速的爬升過程也便是渦輪增壓的遲滯時間一一通常渦輪增壓器發(fā)揮作用的轉速在1 800～2500rpm之間，即排氣葉輪轉動將更多空氣壓進發(fā)動機獲得更大動力之間存在一個時間差一一約1秒左右，所以在轉速達到預設增壓啟動轉速時，動力上會有一個比較突然的介入。而前兩種增壓器沒有這個缺點，它們直接通過發(fā)動機曲軸獲得動力，這讓它們在低轉速時可提供更多的動力。但它們會占用一臺發(fā)動機20％的動力，不過還好由于這些增壓器可以提升40％以上的動力，所以多數(shù)人認為這筆交易是值得的。

渦輪增壓普及的序曲

Buchi是渦輪增壓器之父，然而將它改進和推廣的確是另外一個人，他的名字叫Garrett。正如我們前面講的，上世紀七十年代是渦輪增壓技術得以普及的時期。帶增壓技術的保時捷911于1975年面市；隨后的1977年，薩博99將渦輪增壓器技術傳播得更為廣泛，這輛著名的汽車用2升發(fā)動機加上渦輪增壓器的輔助，使動力性能與3升發(fā)動機相同。接著便是同年誕生的梅賽德斯·奔馳300SD Turbo輕型客車，它所裝備的渦輪增壓柴油發(fā)動機成為了奔馳旗下第款投入量產(chǎn)的渦輪增壓車型。再后來，國內(nèi)用戶開始接觸到大眾的寶來1.8T等車型。其實渦輪增壓器剛并不如現(xiàn)在這樣用起來得心應手。道理很簡單，中學的物理知識告訴我們，當空氣被高比例壓縮后會在進氣支管中產(chǎn)生很高的熱量，并使空氣膨脹密度降低，很容易使發(fā)動機溫度過高而開鍋或爆缸。為了得到更高的容積效率，需要在將空氣引入汽缸前對高溫空氣進行冷卻，這就需要加裝一個空氣散熱器，其原理類似于水箱散熱器——將高溫、高壓空氣分散到許多細小的管道里，而管道外有常溫空氣高速流過，從而達到降溫目的。因為它位于發(fā)動機和渦輪增壓器之間，故稱作中央冷卻器，簡稱中冷器。通常中冷器可將氣體溫度從150℃降到50℃左右。一舉解決了渦輪增壓器發(fā)動機發(fā)熱的問題。此后，渦輪增壓器開始大量使用，無論是改裝車還是原廠車，都可以看到它的身影。不過，帶渦輪增壓器的車型總是要比普通車貴一些。如果大家像老妖那樣經(jīng)常逛汽車網(wǎng)站，就應該知道時下最火爆的汽車當屬大眾旗下的第六代高爾夫，它就搭載了渦輪增壓的發(fā)動機。跟那些BT的跑車、豪華車廠商相比，大眾集團的設計師更喜歡在小排量汽油機上動手腳，一方面是出于節(jié)油的目的，其實更多是兼顧了環(huán)保，同時也能使渦輪增壓發(fā)動機的普及速度更快。最具代表性的就是其旗下EA111架構的1.4LTS1發(fā)動機，TS1三個字母的真正含義為：Turbochanger(渦輪增壓)、Supercharger(機械增壓)和iniection(直噴)。這說明它采用了缸內(nèi)直噴和雙增壓技術(渦輪增壓+機械增壓)的組合，其動力水平已處于同排量機型的金字塔尖。這款1.4TS1發(fā)動機排量依然為1390ml，但最大功率125kW，最大扭矩240N·m，幾乎是2.4L自然吸氣發(fā)動機的輸出水平。由于它使用缸內(nèi)直噴技術，其空燃比可達到65：1。在2400rpm以下，機械增壓工作，而從1750rpm開始渦輪增壓便啟動。由于兩套增壓系統(tǒng)會存在一個重臺的轉速區(qū)間，因此它們會由電磁離合器分離，避免互相干涉消耗發(fā)動機動力。這款發(fā)動機的扭矩爆發(fā)點從1750rpm一直持續(xù)到4500rpm，形成了一個寬泛的扭矩高原，這對于加速性至關重要。搭載它的高爾夫GT的0～100km／h加速時間在6速DSG的幫助下為7.9秒，由此可見功力不一般。不過，很遺憾地告訴大家，國內(nèi)版本的高爾夫雖然也采用TSI發(fā)動機，但少了中間最關鍵的S，也就是說它沒有機械增壓，渦輪時滯是在所難免，而且加速性也不會有國外銷售版本的高爾夫強勁。

目前在汽車發(fā)動機上的發(fā)展趨勢表明，小型化的柴油機是未來的趨勢，而在汽油機方面裝備輕量化渦輪增壓器的小排量發(fā)動機是目前發(fā)動機發(fā)展的新趨勢。日本的豐田和本田還在固守民用車市場的自然吸氣發(fā)動機，而在歐洲情況則開始發(fā)生變化，大眾、雷諾以及菲亞特開始在小排量發(fā)動機上做文章，T這個字母開始成為眾多1.2、1.4和1.6排量的后綴。相對而言，自然吸氣發(fā)動機在動力上并不欠缺，它們的輸出更加線性，只是爆發(fā)力度不如渦輪增壓機，欠缺的是臨門一腳的威力。就在輕量化渦輪增壓器出現(xiàn)前，我們大都認為自然吸氣發(fā)動機最大的好處是動力隨傳隨到，不過現(xiàn)在我們需要更新一下信息了，材料輕巧的小渦輪也可以讓發(fā)動機的動力做到隨叫隨到，2000rpm便可以給足動力，并持續(xù)到3500rpm，而這段轉速區(qū)間也是日常城市行車最常用到的，誰還敢說渦輪增壓發(fā)動機的動力有遲滯，去試試新君威1.6T你就能解開疑惑。其實在提升汽車動力方面，渦輪增壓機型較自然吸氣機型的改裝手段更直接且更多——只要舍得更換更大流量的渦輪和相關進氣套件就能即刻增大動力，這也是很多動力狂熱分子選擇渦輪增壓車型的重要原因。

說到最后，渦輪增壓器發(fā)展的這百年歷史也從一個側面勾勒出人類對汽車發(fā)動機進排氣系統(tǒng)和效率不懈研究的漫長過程，但不管渦輪增壓器是難以馴服的猛獸還是銳不可當?shù)睦鳎呀?jīng)對目前的汽車工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響；當然不僅如此，它還將改變未來的汽車工業(yè)。