谁创造了涡轮增压器

自从人类发明内燃发动机以来，无数的汽车工程师和赛车手—直都在寻找提升其动力的方法。这当中最简单的方法就是制造排量更大的发动机。但大排量发动机也并不总是尽如人意，排量越大发动机体积就越大，也更耗油，让发动机的制造和使用成本更高。另种比较经济的方法是提高发动机效率，工程师们设想通过将更多的空气压人燃烧室来实现这一目的。更多的空气混合着汽油被点燃就意味着更强劲的爆发力和更大的马力。于是，在1885年和1896年，德国工程师戈特利布·戴姆勒(Gattlleb Dalmler)和柴油发动机的发明者鲁道夫·迪赛尔(Rudolf Diesel)就做了这样的尝试，他们分别对燃烧空气提前进行压缩来提高发动机功率，以及提高燃油经济性进行了研究。他们发现安装增压器是实现强制进气的好方法，可惜他们都没有拿出实际的产品。

准确地说，涡轮增压器从诞生到现在已经超过100岁了。在1905年的时候，瑞士苏尔寿(Sulzer)兄弟研发公司的总工程师阿尔佛雷德·波西(Alfred Buchi)博士发明出一种轴向增压装置，并申请了专利——“动力驱动的轴向增压器”，这标志着世界上第一台涡轮增压器由此诞生。此后，波西博士一直致力于涡轮增压装置的改进，终于在1925年成功地利用废气增压技术实现了将发动机功率提高40％的创举，成为了第一个实际应用涡轮增压的地球人。

不过这种技术并没有立刻引发了汽车生产商们的兴趣，反倒是让战争贩子们瞧上了，世界上最大的悲哀莫过于此。在第二次世界大战期间，当时的飞机还普遍采用往复式活塞发动机，以驱动螺旋桨获得动力。活塞发动机结构比较复杂，并且还存在质量大、功率低的缺点。飞机制造厂开始陆续为飞机发动机添加涡轮增压装置，以克服飞机在万米高空因为“缺氧”而造成的功率不足的问题。第一次在飞机上使用机械增压器是在二战末期。最著名的例子是喷火式战斗机。这种飞机装备一台劳斯莱斯P.V.12液冷式发动机，由于机械增压器的使用，这台发动机的最大功率能够达到1470马力。这种增压器可以增加空气流动速度，提高空气密度，使燃烧更加充分，以便给飞机在爬升或复飞时提供足够大的抬头动力。

涡轮增压器落地后的威力

幸运的是这场战争没有一直打下去，二战结束后，以前直应用在飞机发动机上的涡轮增压器好似仙女下凡，开始在汽车上小范围应用，让世人心动不已。这些涡轮增压器发动机主要用于在赛车上，这在发动机排量受到特殊限制的赛车比赛里面非常受欢迎。它能使发动机获得更大的功率和扭矩，包括勒芒24小时耐力赛、NASCAR、F1赛事等。直到1961年，汽车厂商们才试探性地在普通轿车上装备涡轮增压器。最先出现的是美国奥兹莫比尔F85，这款使用了增压技术的3.5L V8发动机的功率达到了217马力。而在当时，相同排量下非增压发动机功率输出的最好成绩只有187马力。这让其他车厂艳羡不已，决心注资开发涡轮增压车型。由此，在上世纪70年代，涡轮个增压发动机经历了一个非常有历史意义的转折点。

涡轮增压器的构造其实并不复杂，它主要由涡轮室和增压器两部分组成。涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在排气管上。增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。废气进入转动涡轮增压器中的排气侧涡轮，而涡轮与进气侧的叶轮为同轴异室。假设当排气侧涡轮达到约12000 rpm时，它带动另一侧的进气叶轮引人外来的新鲜空气，经过叶轮带动使流速增压，产生所谓的压缩效应并导人进气歧管内。因此涡轮增压发动机的进气是非自然方式的——“吸进来，再压缩”，所以空气压力大于大气压力值，发动机的燃烧效率因此提高。其实涡轮增压就相当于一个高效率的鼓风机，增加了发动机的进气量，让汽油燃烧得更充分，这就好比电脑的CPU一样被“超频”了。

由于涡轮增压器的涡轮室外形就像一个蜗牛的壳，而且低调地呆在发动机旁边，因此它被大家称为“小蜗牛”。这个“小蜗牛”最大的优点是在不增加发动机排量的前提下，能较大幅度地提高发动机的功率及扭矩。一般来说加装增压器后，发动机功率及扭矩要增大20％～30％，但涡轮增压器最明显的缺点也就是迟滞现象(Turbo Lag)，迟滞现象可以说是涡轮增压发动机的一个天生缺陷。由于叶轮的惯性作用对油门瞬时变化反应的迟缓，也就是说当你大脚踩油门加速时，发动机转速的爬升过程也便是涡轮增压的迟滞时间——通常涡轮增压器发挥作用的转速在1800～2500rpm之间，即排气叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在个时间差——约1秒左右，所以在转速达到预设增压启动转速时，动力上会有

个比较突然的介入。不过，由于发动机的四个冲程中只有一个冲程排气，会造成废气排放不连贯，进而引起涡轮增压器驱动不连贯。于是设计师让气缸的排气歧管分两路连接到增压器上，这样就可以让不同气缸的排气组合起来进入增压器，保证每一个冲程都有持续的空气驱动涡轮，让动力源源不断地输出。

增压器的类别

其实增压器并不只有涡轮增压器而已，在汽车发展史上，先后有三种不同类型增压器流行过。它们分别是鲁式(Root对、双螺旋式和离心式。这些增压器的主要区别在于将空气吸入发动机进气歧管的方式不同。鲁式和双螺旋式机械增压器使用不同类型的啮合凸缘，而离心式增压器使用叶轮吸入空气。虽然这三种设计都能产生增压效果，但在效率上却有很大差别。

鲁式机械增压器

鲁式机械增压器是最老式的一种设计。早在1860年，Philander和Francis Roots就申请了鲁式机械增压器的设计专利，当初这玩意儿只是作为帮助矿井通道通风的机器。后来Gottleib Daimler曾尝试在汽车发动机中安装鲁式机械增压器。当啮合凸缘旋转时，空气会被吸入凸缘之间的气槽中，然后在进气口和排气口之间传送。大量的空气将进人进气歧管，并“累积”起来产生正压力。鲁式机械增压器通常都很大，安装在发动机的顶部。因为可以装在发动机盖的外面，所以它们在力量型汽车和大马力改装车中很受欢迎，相信大家在很多美国的公路片中见过这玩意儿了，汽车引擎盖上突出的部分就是它了。不过，虽然看上去非常威猛，但它却是效率最低的机械增压器，原因有两个：它们增加了轿车的重量，并且只能间歇地吸八空气，而不能顺畅地连续吸入空气。

双螺旋式机械增压器

上世纪七十年代，戴姆勒公司的工程师设计了双螺旋式机械增压器，它通过两根类似于一组涡轮传动的啮合凸缘吸入空气。与鲁式机械增压器一样，双螺旋式机械增压器中的空气也是通过转子凸缘集中起来吸入的。但双螺旋式机械增压器会压缩转子壳体内的空气。其原因在于这些转子具有锥度，这意味着随着空气从进气口流向排气口，气

穴会变小。随着气穴的收缩，空气便被压人到更小的空间。这使双螺旋式机械增压器的效率更高，但需要在制造过程中精密加工螺旋型转子，从而增加了成本。有些双螺旋式机械增压器与鲁式机械增压器一样，也放在发动机的上方。它们也会发出很大的噪音。从排气口排出的压缩空气会发出轰鸣声，因此必须使用降噪技术消除这些声音。

离心式增压器

离心式增压器就是咱们现在最常见的涡轮增压器了，它利用叶轮提供动力，将空气高速吸人狭小的压缩机壳体。它的叶轮与转子相似，利用发动机的废气驱动，其转速可达每分钟5～6万转。在所有增压系统中，离心式机械增压器是最有效率、最普遍的一种机械增压器。它们体积小，重量轻，安装在发动机的前面而不是顶部。涡轮增压器还会产生与众不同的轰鸣声，这会增加汽车在街上的回头率。机械增压器最大的优点是可以增加汽车的马力。给一辆普通汽车或卡车安装机械增压器，会使其像一台大马力发动机汽车一样动力十足。

涡轮增压器最明显的缺点也就是迟滞现象(Turbo Lag)，迟滞现象可以说是涡轮增压发动机的个天生缺陷。由于叶轮的惯性作用对油门瞬时变化反应的迟缓，也就是说当你大脚踩油门加速时，发动机转速的爬升过程也便是涡轮增压的迟滞时间一一通常涡轮增压器发挥作用的转速在1 800～2500rpm之间，即排气叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差一一约1秒左右，所以在转速达到预设增压启动转速时，动力上会有一个比较突然的介入。而前两种增压器没有这个缺点，它们直接通过发动机曲轴获得动力，这让它们在低转速时可提供更多的动力。但它们会占用一台发动机20％的动力，不过还好由于这些增压器可以提升40％以上的动力，所以多数人认为这笔交易是值得的。

涡轮增压普及的序曲

Buchi是涡轮增压器之父，然而将它改进和推广的确是另外一个人，他的名字叫Garrett。正如我们前面讲的，上世纪七十年代是涡轮增压技术得以普及的时期。带增压技术的保时捷911于1975年面市；随后的1977年，萨博99将涡轮增压器技术传播得更为广泛，这辆著名的汽车用2升发动机加上涡轮增压器的辅助，使动力性能与3升发动机相同。接着便是同年诞生的梅赛德斯·奔驰300SD Turbo轻型客车，它所装备的涡轮增压柴油发动机成为了奔驰旗下第款投入量产的涡轮增压车型。再后来，国内用户开始接触到大众的宝来1.8T等车型。其实涡轮增压器刚并不如现在这样用起来得心应手。道理很简单，中学的物理知识告诉我们，当空气被高比例压缩后会在进气支管中产生很高的热量，并使空气膨胀密度降低，很容易使发动机温度过高而开锅或爆缸。为了得到更高的容积效率，需要在将空气引入汽缸前对高温空气进行冷却，这就需要加装一个空气散热器，其原理类似于水箱散热器——将高温、高压空气分散到许多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而达到降温目的。因为它位于发动机和涡轮增压器之间，故称作中央冷却器，简称中冷器。通常中冷器可将气体温度从150℃降到50℃左右。一举解决了涡轮增压器发动机发热的问题。此后，涡轮增压器开始大量使用，无论是改装车还是原厂车，都可以看到它的身影。不过，带涡轮增压器的车型总是要比普通车贵一些。如果大家像老妖那样经常逛汽车网站，就应该知道时下最火爆的汽车当属大众旗下的第六代高尔夫，它就搭载了涡轮增压的发动机。跟那些BT的跑车、豪华车厂商相比，大众集团的设计师更喜欢在小排量汽油机上动手脚，一方面是出于节油的目的，其实更多是兼顾了环保，同时也能使涡轮增压发动机的普及速度更快。最具代表性的就是其旗下EA111架构的1.4LTS1发动机，TS1三个字母的真正含义为：Turbochanger(涡轮增压)、Supercharger(机械增压)和iniection(直喷)。这说明它采用了缸内直喷和双增压技术(涡轮增压+机械增压)的组合，其动力水平已处于同排量机型的金字塔尖。这款1.4TS1发动机排量依然为1390ml，但最大功率125kW，最大扭矩240N·m，几乎是2.4L自然吸气发动机的输出水平。由于它使用缸内直喷技术，其空燃比可达到65：1。在2400rpm以下，机械增压工作，而从1750rpm开始涡轮增压便启动。由于两套增压系统会存在一个重台的转速区间，因此它们会由电磁离合器分离，避免互相干涉消耗发动机动力。这款发动机的扭矩爆发点从1750rpm一直持续到4500rpm，形成了一个宽泛的扭矩高原，这对于加速性至关重要。搭载它的高尔夫GT的0～100km／h加速时间在6速DSG的帮助下为7.9秒，由此可见功力不一般。不过，很遗憾地告诉大家，国内版本的高尔夫虽然也采用TSI发动机，但少了中间最关键的S，也就是说它没有机械增压，涡轮时滞是在所难免，而且加速性也不会有国外销售版本的高尔夫强劲。

目前在汽车发动机上的发展趋势表明，小型化的柴油机是未来的趋势，而在汽油机方面装备轻量化涡轮增压器的小排量发动机是目前发动机发展的新趋势。日本的丰田和本田还在固守民用车市场的自然吸气发动机，而在欧洲情况则开始发生变化，大众、雷诺以及菲亚特开始在小排量发动机上做文章，T这个字母开始成为众多1.2、1.4和1.6排量的后缀。相对而言，自然吸气发动机在动力上并不欠缺，它们的输出更加线性，只是爆发力度不如涡轮增压机，欠缺的是临门一脚的威力。就在轻量化涡轮增压器出现前，我们大都认为自然吸气发动机最大的好处是动力随传随到，不过现在我们需要更新一下信息了，材料轻巧的小涡轮也可以让发动机的动力做到随叫随到，2000rpm便可以给足动力，并持续到3500rpm，而这段转速区间也是日常城市行车最常用到的，谁还敢说涡轮增压发动机的动力有迟滞，去试试新君威1.6T你就能解开疑惑。其实在提升汽车动力方面，涡轮增压机型较自然吸气机型的改装手段更直接且更多——只要舍得更换更大流量的涡轮和相关进气套件就能即刻增大动力，这也是很多动力狂热分子选择涡轮增压车型的重要原因。

说到最后，涡轮增压器发展的这百年历史也从一个侧面勾勒出人类对汽车发动机进排气系统和效率不懈研究的漫长过程，但不管涡轮增压器是难以驯服的猛兽还是锐不可当的利器，它已经对目前的汽车工业发展产生了深远影响；当然不仅如此，它还将改变未来的汽车工业。