當(dāng)?shù)谝活w“蝸牛”在汽車上安家落戶以來，它為人類的汽車生活帶來了翻天覆地的改變，追求駕駛樂趣、獲得更加經(jīng)濟(jì)的油耗、尋求更低的排放標(biāo)準(zhǔn)，通通都成為了這顆“蝸牛”的職責(zé)。在普通汽車上安家51年以來，它一直任勞任怨，不過對(duì)于渦輪增壓器的過去，我們還得從107年前講起。

從天上到地上，1961年渦輪增壓在汽車上安家

早在1885 年和1896年，戈特利布?戴姆勒（Gottlieb Daimler）和魯?shù)婪?迪賽爾（Rudolf Diesel）就分別對(duì)將燃燒空氣提前進(jìn)行壓縮來提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率以及提高燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行過研究，這可以看作是渦輪增壓器概念的雛形。真正有實(shí)體出現(xiàn)，還是在1905年，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)明了一種集軸向壓縮機(jī)、徑向活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和軸向渦輪裝在同一根轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力增壓裝置，并申請(qǐng)了一個(gè)發(fā)明，而這就是“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸向增壓器”，這也標(biāo)志著世界上第一臺(tái)渦輪增壓器誕生了。

渦輪增壓器最早是由航空領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)向汽車領(lǐng)域，但早期在汽車領(lǐng)域渦輪增壓器主要用于賽車上，這在那些發(fā)動(dòng)機(jī)排量受到特殊限制的比賽中發(fā)揮了很大作用，它能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率和扭矩，尤其是像F1賽車。渦輪增壓器在普通轎車上使用還是1961年的事，這一年通用推出奧茲莫比爾F85，它便使用了增壓技術(shù)，其3.5L V8發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)到了160kW。在當(dāng)時(shí)，相同排量下非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的最好數(shù)值只有138kW。對(duì)于轎車用渦輪增壓器而言，上世紀(jì)70年代以后是一個(gè)歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。帶增壓的保時(shí)捷911于1975年面市；1977年，薩博99將渦輪增壓器技術(shù)傳播得更為廣泛；1979年，代號(hào)為W126的梅賽德斯?奔馳S系列開始提供直列6缸或V8的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，它也是奔馳旗下第一款投入量產(chǎn)的渦輪增壓車型。

我們把時(shí)間點(diǎn)往前推，回到1911年，這一年在瑞士，第一家增壓器工廠在溫特圖爾開工，隨后在1915 年航空器用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器原型研發(fā)成功并投入生產(chǎn)，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，主要是用來克服高海拔稀薄空氣對(duì)動(dòng)力的負(fù)面影響。換個(gè)角度看，在相同的動(dòng)力輸出下，渦輪增壓器可利用較小排氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)大功率輸出，這其實(shí)也就減輕了機(jī)體重量。渦輪增壓器的這個(gè)特點(diǎn)在日后的航空業(yè)里發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，也為進(jìn)入汽車領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。1919 年，通用電氣（GE）制造的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器還破紀(jì)錄地將飛行器升到了10000米（約33000英尺）的高空。1925 年，蘇爾壽公司的瑞士工程師阿爾佛雷德?波西博士成功地利用廢氣增壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高40% 的創(chuàng)舉，成為了第一個(gè)在地面實(shí)際應(yīng)用渦輪增壓的人，這是汽車工業(yè)引入渦輪增壓的一個(gè)里程碑。

化繁為簡，小小渦輪制造無限動(dòng)力

根據(jù)增壓器形式的不同，主要分為渦輪增壓器（Turbo charger）、機(jī)械增壓器（Super charger，德語為Kompressor）和氣波增壓器（Comprex super charger），目前汽車增壓多采用前兩者。而我們平常所說的渦輪增壓器其實(shí)就是一種空氣壓縮機(jī)——通過壓縮空氣來增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，提高空氣密度，實(shí)現(xiàn)增壓。我們的主角——渦輪增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣使之增加流速進(jìn)入汽缸，即所謂的增壓。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大則可燃燒更少的燃油，相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了少噴油多做工的狀態(tài)，在目前的技術(shù)條件下，渦輪增壓器是唯一能使發(fā)動(dòng)機(jī)在排量不變的情況下增加輸出功率的機(jī)械裝置。

但是由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣是非自然方式——吸進(jìn)來再壓縮，所以空氣壓力大于大氣壓力值，相關(guān)部件需要超高轉(zhuǎn)速地運(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)這一目的，所以隨之而來的高溫排除或增壓過度的泄壓就成為了關(guān)鍵。過高的增壓對(duì)活塞的壓縮行程和燃油燃燒會(huì)造成負(fù)面影響，同時(shí)也為缸體加工以及連桿、活塞環(huán)等零件的強(qiáng)度提出了更高要求。當(dāng)然，最關(guān)鍵的還是降溫問題，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)就好比電腦CPU被“超頻”了一樣。

那么如何降溫呢？在此我們不得不提到中冷器。當(dāng)空氣被高比例壓縮后會(huì)在進(jìn)氣管中產(chǎn)生熱量，使空氣膨脹密度降低，同時(shí)也會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來更高的工作溫度，極端狀況可能開鍋或爆缸。因此，我們必須對(duì)進(jìn)氣做出一些改進(jìn)，對(duì)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)小的管道里進(jìn)行風(fēng)冷，通常中冷器可將氣體溫度從150℃降到50℃左右。

簡言之，渦輪增壓器最大的優(yōu)點(diǎn)是能在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的前提下提升20%～30%的功率和扭矩，這對(duì)于輸出功率偏弱的柴油機(jī)來說是一大法寶。但渦輪增壓器最明顯的缺點(diǎn)也就是遲滯現(xiàn)象（Turbo Lag），這可以說是它的一個(gè)天生缺陷——由于葉輪的慣性作用對(duì)油門瞬時(shí)變化反應(yīng)存在時(shí)間差，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的爬升過程也便是渦輪增壓的遲滯時(shí)間——通常渦輪增壓器開始介入是在1500-2000rpm之間，所以在我們給油加速時(shí)，渦輪增壓車一般都會(huì)有一個(gè)明顯的動(dòng)力介入，在體感上會(huì)有一個(gè)抬頭的感覺。（未完待續(xù),明日請(qǐng)見渦輪增壓的今生）