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积蓄澎湃动力 汽车“心脏”涡轮的演进

2013年11月19日 18:24 来源:千龙网
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积蓄澎湃动力 汽车“心脏”涡轮的演进

  提到涡轮增压,各位脑海中首先反映的应该是澎湃动力的提升,而究竟这项技术是从何时开始引入?它又有着怎样的魔力,能够让如今几乎各家汽车厂商都纷纷引入涡轮增压动力系统,就连坚持着自吸引擎的法拉利,都在考虑让涡轮增压车型回归。第十八期《演·异》栏目,我们就来挖掘一下涡轮的前世今生。

积蓄澎湃动力 汽车“心脏”涡轮的演进

  涡轮增压,或者是人们俗称的涡轮,源自于希腊语中的“湍流”之意,是一个由涡轮机驱动的压力感应器,可以让发动机获得比直喷发动机更强大、更有效的动力,因为涡轮机可以强行吸入更多的空气,比单靠气压的量要大,进而同比例混合更多的燃料,在燃烧室内进行充分燃烧。

  涡轮增压引擎的起源

  压力感应器的发明要追溯到十九世纪末,当时Gottlieb Daimler通过齿轮驱动泵,来使更多的空气进入内燃机,并于1885年将这一技术申请了专利。1905年,一位就职于Gebruder Sulzer引擎制造公司的工程师Alfred Büchi,以废气作为燃料驱动压缩机,并强行吸入大量空气以增加动力输出,这也就是最早的涡轮增压技术。这位来自瑞士的工程师也将这项技术申请了专利,不过又过了20年才得以被广泛应用。

  一战期间,法国工程师Auguste Rateau将涡轮增压技术引入到了雷诺发动机中,并放到了法国战斗机上使用,也一度因战斗力增强而取得了不少胜利。1918年,General Electric的工程师Sanford Alexander Moss,成功将涡轮增压引擎,安装到了一台V12 Liberty飞机上,并在海拔4,300米的科罗拉多派克峰上进行试飞测试,证明了涡轮增压引擎,可以有效地降低因高海拔,对内燃机造成的低气压或低密度,导致的动力损失,公司将这套系统命名为“涡轮机械增压系统”。在涡轮增压出现的早期,人们通常把这套新的压力感应系统也统称为机械增压,不像现在定义的这么分明。

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  涡轮增压引擎最早更多的是应用在飞机上,像上世纪二十年代的Napier Lioness,那个时候船只以及火车也开始流行采用涡轮增压引擎,而美国更多的将其应用在航空领域。二战期间,美国的很多战斗机都搭载的是涡轮增压引擎,像B-17 Flying Fortress、B-24 Liberator、P-38 Lightning以及P-47 Thunderbolt等。其他一些制造领域也在试图应用涡轮技术,像德国的Focke-Wulf Fw 190战斗机等,不过涡轮增压技术需要先进的耐热金属,这也一度让更广泛的制造行业望而却步。

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  1962年,通用公司首次在奥兹莫比尔Jetfire车型上采用了涡轮增压引擎,并在一个月后发布的雪佛兰Corvair Monza Spyder采用了改进的涡轮增压引擎,不过当时由Garrett AiResearch出品的整合了废气门的涡轮增压引擎,虽然动力上要比自吸引擎高很多,但是稳定性不太好,并于1963年停止了生产。

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  一隔就是十年,涡轮增压引擎再次得到大批量生产,要归功于1973年在法兰克福车展上发布的宝马2002 Turbo,这款2.0升四缸引擎的M鼻祖,由于明显的涡轮迟滞、安全问题以及当时严重的石油危机,生产了一年之后便成为了历史。

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  尽管面临严重的石油危机,总还是有迎面直击的勇敢者,1974年,保时捷推出了911 Turbo,成为了当年产量最高的车型,从那之后,保时捷的后续车型基本也都采用的是涡轮增压引擎。

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  还比较里程碑式的涡轮增压引擎车型还有1977年,萨博发布的萨博99车型,以及1978年的别克Regal V6,至此,随着涡轮增压引擎技术的逐渐成熟,各家厂商也开始不断开发着它的潜能。

  涡轮增压引擎与机械增压引擎

  相较于涡轮增压,机械增压顾名思义由一些机械部件进行驱动而不是废气,比如皮带、链条、轴承、齿轮等组成的常见的动力组。它通常被装载在一部引擎之上以完成驱动,比如像单级单速机械增压的劳斯莱斯Merlin引擎,机械部分本身就要消耗掉150马力(110 千瓦),不过实际收益还是会大于付出的,引擎会提供额外的400马力动力,也就是动力的净收益为250马力,这也使机械增压引擎的不利因素表露无遗,即引擎自身内部所产生的动力必需足够强劲,并且首先需要满足机械增压部分所需要的耗能。

  机械增压的另一个缺点是它较低的绝热效率,绝热效率的好坏主要由压缩机决定,因为压缩机在压缩空气的过程中必然会产生热量,而好的压缩机可以对这一过程中对热量的增加进行控制,不过对于相同体积的空气,大部分机械增压发动机对空气所产生的热量还是要比涡轮增压发动机要高,而且压缩后的空气密度也是涡轮引擎更高,因而它所能带来的潜在能量也越大。对于不同的绝热效率,两种引擎的实际表现可能差异会很大,涡轮增压引擎的动力输出通常可以高出15%-30%。

  双涡轮增压

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  双涡轮增压引擎通常是两部独立的涡轮增压引擎,序列或者水平排布而成,分别连接各自的排气系统。序列式双涡轮增压引擎,通常将其中一部设为低速,另一部则以正常功率输出,这种排布方式可以减少涡轮迟滞发生,不过需要一组复杂的气管对引擎加以改进。

  两级可变双涡轮增压引擎,顾名思义串联了一台低速小涡轮引擎和一台高速大涡轮引擎,启动后产生的压力也是通过一台影响另一台,因而废气的分配量可变,在两台涡轮增压引擎之间的传递也是逐渐完成的。双涡轮增压首先被用于柴油引擎上,像欧宝的双涡轮增压柴油引擎,1500-1700 rpm情况下,只有小引擎工作,提供较高的扭矩;正常转速下,两部引擎同时工作;而在2500-3000 rpm的高转速下,只有大引擎工作,提供强大的动力输出。

  通常小型涡轮增压引擎的涡轮迟滞问题也相对少一些,所以有些双涡轮增压引擎采用的是两台小排量引擎,这种结构在2,500 CC以上或是V型及Boxer发动机上比较常见。

  涡轮迟滞

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  对于涡轮增压引擎的应用大致可以被分为两类,一种是比如像汽车这样的需要可变动力输出的情况,另一种则无需动力输出变化,像船、飞机、引擎发电机以及火车头等等。而涡轮迟滞这一现象也主要是在动力输出骤变的情况下产生的,也就是在突然加速的情况下,油门反应速度会比自吸引擎稍慢,因为涡轮增压引擎在废气系统和积蓄能量的准备步骤所花费的时间要长一些,不过现在的车型通过一些技术改进,基本可以避免明显的迟滞现象。

  Hot Rod

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  我们经常会在很多Hot Rod风格改装车上看到,被外置并且异常暴力的涡轮增压引擎和排气管,关于Hot Rod文化,各位可以回顾一下车致的《强壮的肱二头肌 北美肌肉车的前世今生》专题,比较标准的Hot Rod改装通常会选择车身较轻的双座敞篷车,然后对其动力系统进行几近“病态”的改造,极大限度的提升整台车的直线加速能力。

  涡轮在其他领域

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  涡轮在人们心中代表着大马力,而强劲的动力也是速度的象征,Turbo这个词汇早已不仅限于汽车领域,计算机领域中,无论是语言还是芯片名,不少以Turbo命名,以预示其高效的运算和处理速度。前不久上映的那部《极速蜗牛》的原版名称也是《Turbo》,以一种极端的对比方式,讲述了一只以参加印第安纳波利斯500赛车比赛为梦想的蜗牛,最终梦想成真的故事。

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  如今,无论是涡轮增压还是双涡轮增压引擎的应用都已经相当广泛,尽管在外界因素的影响下,人们的目光开始转向新能源车型,但对于大马力的追求始终不会停止。

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