您可能曾经在一辆外观普通的汽车上注意到一枚小小的”涡轮”徽章。制造商通常将这些徽标低调地放置——尺寸小巧，藏在不显眼的地方。对于外行人来说，很容易就此略过。但对于内行人而言，这是一个值得停下来细看的信号。那么，这究竟有什么大不了的？以下是涡轮增压技术背后的完整故事——它的起源、工作原理，以及它为何如此重要。
为何工程师需要从同一台发动机获得更多动力
自汽车工程诞生之初，设计师们便一直痴迷于一个问题：如何从发动机中获得更多动力？物理定律给出了明确的答案——发动机功率与每个工作循环中燃烧的燃料量成正比。燃烧更多燃料，即可获得更多动力。理论上听起来很简单。但在实践中，情况要复杂得多。
关键限制在于氧气。燃料不能单独燃烧——它以燃油与空气混合物的形式燃烧。这种混合物必须精确配比，而非凭肉眼估算。对于汽油发动机，理想比例大约为：
- 1份燃料对应14–15份空气，具体取决于工作模式、燃料成分及其他变量
这意味着，如果您想燃烧更多燃料，就必须供应更多的空气。传统自然吸气发动机通过气缸与大气之间的压差来吸入空气，由此产生一个硬性上限：气缸容积越大，每个循环进入的氧气越多。20世纪中叶的美国制造商将这一理念发挥到了极致，生产出排量巨大、油耗惊人的发动机。但是，有没有更聪明的方法，能够将更多空气压入相同的气缸容积？
机械增压器的发明：戈特利布·戴姆勒的突破
答案来自一个耳熟能详的名字——戈特利布·威廉·戴姆勒，正是这位德国工程师奠定了戴姆勒-克莱斯勒的历史遗产。1885年，戴姆勒开发了一种方法，利用机械驱动的机械增压器将更多空气压入发动机气缸——本质上是一台由发动机曲轴直接驱动的压缩机（风扇），将压缩空气泵入气缸。
这个方法奏效了。但它有一个重大缺陷：压缩机直接从发动机中汲取能量来驱动自身。工程师们深知，必定有更好的解决方案。
阿尔弗雷德·比希与涡轮增压器的诞生（1905年）
登场的是阿尔弗雷德·J·比希，一位在苏尔寿兄弟公司（Sulzer Brothers）工作的瑞士工程师和发明家，他在那里主持柴油发动机的研发工作。比希在两个方面深感不满：
- 当时的柴油发动机体积庞大、笨重且动力不足
- 机械增压器从发动机汲取能量，而这些能量正是发动机驱动自身所需要的
1905年，比希为一项激进的解决方案申请了专利：一种增压装置，其驱动力不是来自发动机曲轴，而是来自发动机自身的废气。这便是世界上第一台涡轮增压器。
涡轮增压器的工作原理
涡轮增压背后的概念简洁优雅。以下是其基本原理，逐步说明：
- 高温废气从发动机排出，流入涡轮壳体
- 这些气体驱动带叶片的叶轮旋转——即涡轮转子——就像风驱动风车旋转一样，但转速极高
- 涡轮转子与压气机叶轮安装在同一根轴上
- 涡轮旋转时驱动压气机，后者将压缩空气强制泵入气缸
- 气缸中的空气增多，意味着可以燃烧更多燃料——从而产生更大的功率输出
“涡轮增压器”这个词本身来源于拉丁语词根turbo（漩涡）和compressio（压缩）——对内部发生的过程来说，这是一个贴切的描述。
中冷器的作用
还有一个重要的组成部分。空气经过压气机后被高温的涡轮增压器部件加热，随之膨胀——意味着同等体积内能容纳的氧气减少了。为了应对这一问题，涡轮增压发动机采用了中冷器：一个安装在压气机与发动机气缸之间气路中的散热器。
中冷器的作用简单而关键：
- 在压缩空气进入气缸之前将其冷却
- 冷却后的空气密度更大，即同等空间内可容纳更多氧气分子
- 这使得增压压力更高——动力提升幅度更大
- 还有助于防止发动机爆震（提前点火），在高性能应用场景中尤为重要
涡轮增压相较于自然吸气的主要优势
涡轮增压带来的效率提升相当显著。机械驱动的机械增压器需要消耗发动机功率来运行，而涡轮增压器则不同——它从本将白白浪费的废气中提取能量。关键在于，涡轮并不会显著减缓废气流速，而是冷却废气，在此过程中回收能量。主要优势包括：
- 涡轮增压器自身维护仅消耗约1.5%的发动机能量
- 小排量发动机可实现更高的功率输出
- 由于发动机更轻巧紧凑，摩擦损耗更低
- 与同等功率的自然吸气发动机相比，燃油效率更高
- 排放更清洁，对现代柴油发动机尤为重要
听起来像是完美的解决方案——但涡轮增压技术面临严峻的工程挑战，这使其广泛应用的进程延迟了数十年。
挑战：极端高温、高转速与涡轮迟滞
涡轮增压器在极端恶劣的条件下工作：
- 涡轮转子转速可高达20万转/分钟
- 废气温度可达1,000°C（1,832°F）
- 各部件必须在持续的热应力与机械应力下保持结构完整性和精密公差
正因如此，涡轮增压技术直到第二次世界大战期间才得以广泛应用——且最初仅限于航空领域，因为在该领域，工程投入是合理的。20世纪50年代，卡特彼勒（Caterpillar）成功将这项技术应用于其拖拉机，而康明斯（Cummins）则开发了首批涡轮柴油卡车发动机。搭载涡轮增压器的乘用车直到1962年才问世，彼时奥兹莫比尔Jetfire与雪佛兰Corvair Monza几乎同步发布。
除耐久性外，汽车还面临另一项独特挑战：涡轮迟滞。在发动机低转速状态下，废气量有限，涡轮旋转缓慢，压气机几乎无法建立压力。发动机在3,000转/分钟以下可能感觉迟钝，随后在4,000–5,000转/分钟以上突然涌现出强大动力。涡轮越大，迟滞越明显；涡轮越小，迟滞减轻但峰值功率受损。
现代解决方案：工程师如何克服涡轮迟滞
数十年来，工程师们开发了多种巧妙的方案，在保留动力提升的同时将涡轮迟滞降至最低：
- 顺序双涡轮：一个小型低惯量涡轮增压器负责低转速区间，一个较大的涡轮增压器在高转速时介入。这一方案应用于传奇车型保时捷959，如今也见于宝马和路虎的涡轮柴油车型。大众的汽油发动机则以皮带驱动的机械增压器取代小涡轮，以实现更快的低转速响应。
- 双流道涡轮增压器：单个涡轮配备两个独立的废气进气口（蜗壳），分别由不同的气缸组供气。这使涡轮在低转速和高转速下均能高效运转，无需添加第二个涡轮单元即可降低迟滞。常见于直列六缸和四缸发动机。
- 并联双涡轮：两个相同的涡轮增压器分别服务于独立的气缸组。这是V型发动机的标准配置，每组气缸各配一个涡轮。宝马M部门在X5 M和X6 M上进一步创新，采用跨气缸组排气歧管，使双流道压气机能够从处于相反点火相位的对侧气缸组中抽取废气。
- 可变几何涡轮增压器（VGT）：涡轮壳体内的可调导叶根据发动机转速改变废气流动路径——从而使涡轮在每个转速下都能获得合适的”尺寸”。该技术最早应用于柴油发动机（较低的排气温度使实现难度降低），最终由保时捷在911 Turbo上引入汽油发动机。
涡轮增压的今日：从性能到效率
这项起源于航空工程挑战的技术，如今已成为现代汽车动力总成中的主导技术。如今，涡轮增压不再仅仅是性能的代名词——它已成为燃油经济性与排放标准的核心。市场上几乎每一款柴油发动机都默认冠以”涡轮”前缀。在汽油车领域，小排量涡轮增压发动机在主流、豪华及性能细分市场中已在很大程度上取代了大排量自然吸气发动机。
那枚贴在一辆外观普通汽车车尾的不起眼小徽章，承载着一段跨越逾百年的历史——从比希1905年的专利，到如今的双流道可变几何涡轮系统。而这段历史，远未画上句号。
本文为译文。您可在此处阅读原文：https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html
出版 一月 27, 2022 • 3m
