汽車的興奮劑

誰創(chuàng)造了渦輪增壓器

自從人類發(fā)明內(nèi)燃發(fā)動機(jī)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(dāng)中最簡單的方法就是制造排量更大的發(fā)動機(jī)。但大排量發(fā)動機(jī)也并不總是盡如人意，排量越大發(fā)動機(jī)體積就越大，也更耗油，讓發(fā)動機(jī)的制造和使用成本更高。另種比較經(jīng)濟(jì)的方法是提高發(fā)動機(jī)效率，工程師們設(shè)想通過將更多的空氣壓人燃燒室來實(shí)現(xiàn)這一目的。更多的空氣混合著汽油被點(diǎn)燃就意味著更強(qiáng)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(jī)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(jìn)行壓縮來提高發(fā)動機(jī)功率，以及提高燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)安裝增壓器是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制進(jìn)氣的好方法，可惜他們都沒有拿出實(shí)際的產(chǎn)品。

準(zhǔn)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(shí)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(qū)動的軸向增壓器”，這標(biāo)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(jìn)，終于在1925年成功地利用廢氣增壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將發(fā)動機(jī)功率提高40％的創(chuàng)舉，成為了第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用渦輪增壓的地球人。

不過這種技術(shù)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(dāng)時(shí)的飛機(jī)還普遍采用往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)，以驅(qū)動螺旋槳獲得動力。活塞發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且還存在質(zhì)量大、功率低的缺點(diǎn)。飛機(jī)制造廠開始陸續(xù)為飛機(jī)發(fā)動機(jī)添加渦輪增壓裝置，以克服飛機(jī)在萬米高空因?yàn)椤叭毖酢倍斐傻墓β什蛔愕膯栴}。第一次在飛機(jī)上使用機(jī)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(jī)。這種飛機(jī)裝備一臺勞斯萊斯P.V.12液冷式發(fā)動機(jī)，由于機(jī)械增壓器的使用，這臺發(fā)動機(jī)的最大功率能夠達(dá)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(jī)在爬升或復(fù)飛時(shí)提供足夠大的抬頭動力。

渦輪增壓器落地后的威力

幸運(yùn)的是這場戰(zhàn)爭沒有一直打下去，二戰(zhàn)結(jié)束后，以前直應(yīng)用在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的渦輪增壓器好似仙女下凡，開始在汽車上小范圍應(yīng)用，讓世人心動不已。這些渦輪增壓器發(fā)動機(jī)主要用于在賽車上，這在發(fā)動機(jī)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(jī)獲得更大的功率和扭矩，包括勒芒24小時(shí)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(shù)的3.5L V8發(fā)動機(jī)的功率達(dá)到了217馬力。而在當(dāng)時(shí)，相同排量下非增壓發(fā)動機(jī)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(jì)70年代，渦輪個(gè)增壓發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了一個(gè)非常有歷史意義的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

渦輪增壓器的構(gòu)造其實(shí)并不復(fù)雜，它主要由渦輪室和增壓器兩部分組成。渦輪室的進(jìn)氣口與發(fā)動機(jī)排氣歧管相連，排氣口則接在排氣管上。增壓器進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進(jìn)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(jìn)入轉(zhuǎn)動渦輪增壓器中的排氣側(cè)渦輪，而渦輪與進(jìn)氣側(cè)的葉輪為同軸異室。假設(shè)當(dāng)排氣側(cè)渦輪達(dá)到約12000 rpm時(shí)，它帶動另一側(cè)的進(jìn)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(yīng)并導(dǎo)人進(jìn)氣歧管內(nèi)。因此渦輪增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣是非自然方式的——“吸進(jìn)來，再壓縮”，所以空氣壓力大于大氣壓力值，發(fā)動機(jī)的燃燒效率因此提高。其實(shí)渦輪增壓就相當(dāng)于一個(gè)高效率的鼓風(fēng)機(jī)，增加了發(fā)動機(jī)的進(jìn)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(gè)蝸牛的殼，而且低調(diào)地呆在發(fā)動機(jī)旁邊，因此它被大家稱為“小蝸?！?。這個(gè)“小蝸?！弊畲蟮膬?yōu)點(diǎn)是在不增加發(fā)動機(jī)排量的前提下，能較大幅度地提高發(fā)動機(jī)的功率及扭矩。一般來說加裝增壓器后，發(fā)動機(jī)功率及扭矩要增大20％～30％，但渦輪增壓器最明顯的缺點(diǎn)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(jī)的一個(gè)天生缺陷。由于葉輪的慣性作用對油門瞬時(shí)變化反應(yīng)的遲緩，也就是說當(dāng)你大腳踩油門加速時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的爬升過程也便是渦輪增壓的遲滯時(shí)間——通常渦輪增壓器發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)速在1800～2500rpm之間，即排氣葉輪轉(zhuǎn)動將更多空氣壓進(jìn)發(fā)動機(jī)獲得更大動力之間存在個(gè)時(shí)間差——約1秒左右，所以在轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)增壓啟動轉(zhuǎn)速時(shí)，動力上會有

個(gè)比較突然的介入。不過，由于發(fā)動機(jī)的四個(gè)沖程中只有一個(gè)沖程排氣，會造成廢氣排放不連貫，進(jìn)而引起渦輪增壓器驅(qū)動不連貫。于是設(shè)計(jì)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(jìn)入增壓器，保證每一個(gè)沖程都有持續(xù)的空氣驅(qū)動渦輪，讓動力源源不斷地輸出。

增壓器的類別

其實(shí)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(jī)進(jìn)氣歧管的方式不同。魯式和雙螺旋式機(jī)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(shè)計(jì)都能產(chǎn)生增壓效果，但在效率上卻有很大差別。

魯式機(jī)械增壓器

魯式機(jī)械增壓器是最老式的一種設(shè)計(jì)。早在1860年，Philander和Francis Roots就申請了魯式機(jī)械增壓器的設(shè)計(jì)專利，當(dāng)初這玩意兒只是作為幫助礦井通道通風(fēng)的機(jī)器。后來Gottleib Daimler曾嘗試在汽車發(fā)動機(jī)中安裝魯式機(jī)械增壓器。當(dāng)嚙合凸緣旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣會被吸入凸緣之間的氣槽中，然后在進(jìn)氣口和排氣口之間傳送。大量的空氣將進(jìn)人進(jìn)氣歧管，并“累積”起來產(chǎn)生正壓力。魯式機(jī)械增壓器通常都很大，安裝在發(fā)動機(jī)的頂部。因?yàn)榭梢匝b在發(fā)動機(jī)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(jī)械增壓器，原因有兩個(gè)：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(jī)械增壓器

上世紀(jì)七十年代，戴姆勒公司的工程師設(shè)計(jì)了雙螺旋式機(jī)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(jī)械增壓器一樣，雙螺旋式機(jī)械增壓器中的空氣也是通過轉(zhuǎn)子凸緣集中起來吸入的。但雙螺旋式機(jī)械增壓器會壓縮轉(zhuǎn)子殼體內(nèi)的空氣。其原因在于這些轉(zhuǎn)子具有錐度，這意味著隨著空氣從進(jìn)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(jī)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(zhuǎn)子，從而增加了成本。有些雙螺旋式機(jī)械增壓器與魯式機(jī)械增壓器一樣，也放在發(fā)動機(jī)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(shù)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(jī)殼體。它的葉輪與轉(zhuǎn)子相似，利用發(fā)動機(jī)的廢氣驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘5～6萬轉(zhuǎn)。在所有增壓系統(tǒng)中，離心式機(jī)械增壓器是最有效率、最普遍的一種機(jī)械增壓器。它們體積小，重量輕，安裝在發(fā)動機(jī)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(jī)械增壓器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以增加汽車的馬力。給一輛普通汽車或卡車安裝機(jī)械增壓器，會使其像一臺大馬力發(fā)動機(jī)汽車一樣動力十足。

渦輪增壓器最明顯的缺點(diǎn)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(jī)的個(gè)天生缺陷。由于葉輪的慣性作用對油門瞬時(shí)變化反應(yīng)的遲緩，也就是說當(dāng)你大腳踩油門加速時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的爬升過程也便是渦輪增壓的遲滯時(shí)間一一通常渦輪增壓器發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)速在1 800～2500rpm之間，即排氣葉輪轉(zhuǎn)動將更多空氣壓進(jìn)發(fā)動機(jī)獲得更大動力之間存在一個(gè)時(shí)間差一一約1秒左右，所以在轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)增壓啟動轉(zhuǎn)速時(shí)，動力上會有一個(gè)比較突然的介入。而前兩種增壓器沒有這個(gè)缺點(diǎn)，它們直接通過發(fā)動機(jī)曲軸獲得動力，這讓它們在低轉(zhuǎn)速時(shí)可提供更多的動力。但它們會占用一臺發(fā)動機(jī)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(rèn)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(jìn)和推廣的確是另外一個(gè)人，他的名字叫Garrett。正如我們前面講的，上世紀(jì)七十年代是渦輪增壓技術(shù)得以普及的時(shí)期。帶增壓技術(shù)的保時(shí)捷911于1975年面市；隨后的1977年，薩博99將渦輪增壓器技術(shù)傳播得更為廣泛，這輛著名的汽車用2升發(fā)動機(jī)加上渦輪增壓器的輔助，使動力性能與3升發(fā)動機(jī)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(jī)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(shí)渦輪增壓器剛并不如現(xiàn)在這樣用起來得心應(yīng)手。道理很簡單，中學(xué)的物理知識告訴我們，當(dāng)空氣被高比例壓縮后會在進(jìn)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(jī)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(jìn)行冷卻，這就需要加裝一個(gè)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(xì)小的管道里，而管道外有常溫空氣高速流過，從而達(dá)到降溫目的。因?yàn)樗挥诎l(fā)動機(jī)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(jī)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(yīng)該知道時(shí)下最火爆的汽車當(dāng)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(jī)。跟那些BT的跑車、豪華車廠商相比，大眾集團(tuán)的設(shè)計(jì)師更喜歡在小排量汽油機(jī)上動手腳，一方面是出于節(jié)油的目的，其實(shí)更多是兼顧了環(huán)保，同時(shí)也能使渦輪增壓發(fā)動機(jī)的普及速度更快。最具代表性的就是其旗下EA111架構(gòu)的1.4LTS1發(fā)動機(jī)，TS1三個(gè)字母的真正含義為：Turbochanger(渦輪增壓)、Supercharger(機(jī)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(shù)(渦輪增壓+機(jī)械增壓)的組合，其動力水平已處于同排量機(jī)型的金字塔尖。這款1.4TS1發(fā)動機(jī)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(jī)的輸出水平。由于它使用缸內(nèi)直噴技術(shù)，其空燃比可達(dá)到65：1。在2400rpm以下，機(jī)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(gè)重臺的轉(zhuǎn)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(jī)動力。這款發(fā)動機(jī)的扭矩爆發(fā)點(diǎn)從1750rpm一直持續(xù)到4500rpm，形成了一個(gè)寬泛的扭矩高原，這對于加速性至關(guān)重要。搭載它的高爾夫GT的0～100km／h加速時(shí)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(jī)，但少了中間最關(guān)鍵的S，也就是說它沒有機(jī)械增壓，渦輪時(shí)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(qiáng)勁。

目前在汽車發(fā)動機(jī)上的發(fā)展趨勢表明，小型化的柴油機(jī)是未來的趨勢，而在汽油機(jī)方面裝備輕量化渦輪增壓器的小排量發(fā)動機(jī)是目前發(fā)動機(jī)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(jī)，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(jī)上做文章，T這個(gè)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(jī)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(jī)，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(rèn)為自然吸氣發(fā)動機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)的動力有遲滯，去試試新君威1.6T你就能解開疑惑。其實(shí)在提升汽車動力方面，渦輪增壓機(jī)型較自然吸氣機(jī)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(guān)進(jìn)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(gè)側(cè)面勾勒出人類對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)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(dāng)?shù)睦鳎呀?jīng)對目前的汽車工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響；當(dāng)然不僅如此，它還將改變未來的汽車工業(yè)。