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详解涡轮增压技术 百年涡轮发展史(一)!

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俱乐部编辑陈 发表于 2013-7-25 19:06 |显示全部帖子

近些年来,汽车行业刮起了一场“涡轮风”。优秀的燃油经济性,大幅的动力提升,强大的低扭表现,都充分满足了现今汽车行业的需求。一些车厂甚至将涡轮增压变成了全系产品线的“标配”。不过作为发动机兴奋剂,涡轮的形象也让很多人对其产生了一些质疑。今天我们就来聊一聊涡轮,看看这个神奇的小东西究竟蕴含了怎样的能量。

涡轮的前世今生

涡轮增压技术其实和汽车是一个辈分的东西,诞生至今已有百年历史。早在1905年,也就是Benz先生的三轮车上路仅仅20年后,SulzerBrothersResearchandDevelopment公司的三好员工AlfredBuchi博士就将这一技术申请了专利。不过由于各方面的不稳定性和技术壁垒,涡轮增压真正在汽车上大显神威,还要等到遥远的半个世纪之后。

“天上”掉下来的涡轮

涡轮诞生之初,其实并不是给汽车用的,而是用在另一个人类科技结晶——飞机身上。我们都知道,随着海拔的升高,空气中的含氧量会逐渐减小,而发动机运转所需最重要的两种物质就是油和氧气。过少的进氧量会严重影响燃烧的质量,从而让飞机的性能大打折扣甚至引发事故。这一技术壁垒在当时难倒了各国飞机工程师,军方对此也无可奈何。

直到1917年,事情才出现了转机,法国雷诺公司的工程师AugusteRateau无意中看到了AlfredBuchi博士的新发明,这个长得像蜗牛的东西立刻引发了他浓厚的兴趣——用增压器强制给发动机“灌气”,以暴力的方式解决飞机高空供气的难题。敢想敢干一向是法国人的风格,在一番考量后,他们真的将当年那个体积巨大的涡轮增压器塞进了雷诺战斗机弱小的身板里。成果是令人满意的,增压发动机让雷诺战机精神大振。巨大的性能优势下,德国的福克三翼机和信天翁被打的无可奈何。

法国雷诺用于测试涡轮增压的航空发动机libertyl-12(图中未装配涡轮)


尽管涡轮增压器好处很多,不过在当时的工业水平下,涡轮的耐用性可靠性都存在很大问题。只有财大气粗,不惜血本的军方才愿意使用。涡轮增压器价格高昂,故障率又很高,因此被机械师们诅咒成“只有疯子才喜欢的东西”。


涡轮增压曾经的“正当用途”,给航空发动机吹气。图为著名的Pratt&WhitneyR-2800星型涡轮增压航空发动机,用于P47战斗机和B26轰炸机上,涡轮增压器位于气缸的散热器后方。

从“上天”到“入地”

讽刺的是,这个世界上最不缺少的就是疯子。随着一战的结束,一批机械狂人被从航空领域拖入了汽车领域,既然在飞机上玩不了,就放在汽车上玩!将涡轮增压装入汽车的想法也随之开始萌生。1933年,AlfredBuchi博士申请了一项可以供汽车使用的柴油发动机涡轮增压技术,仅仅5年之后,SwissMachineWorksSaurer公司就制造了一批涡轮增压卡车引擎。自此,涡轮增压器正式着陆,开始了与汽车的不解之缘。


1933年汽车用柴油增压发动机申请专利图


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俱乐部编辑陈 发表于 2013-7-25 19:07 |显示全部帖子

涡轮的“几度沉浮”

自从工业革命之后,欧美文化发生了巨大的转变,作为工业革命成就最伟大的代表,汽车运动的发展更是突飞猛进。一战之后,这一运动变得更加兴旺起来。

那时,各大汽车厂商为了追求那零点几秒的优势,可谓用尽了各种办法:现在我们耳熟能详的科技在那时候的赛车/实验车上几乎都可以找到。比如双顶置凸轮轴(DOHC),液压助力制动系统,全铝单体车身,序列式变速箱,甚至油电混合动力……既然如此,涡轮增压器的登场似乎也是理所应当的了。

可惜的是,当时的技术水平实在无法承载汽车疯子们的妄想。试想一下,废气涡轮的叶片要被温度高达上千度的气体推动,以每分钟十几万转的速度转动。要知道F1的引擎转速不过1万7千转每分钟,A380上装备的Rolls-Royce瑞达900涡轮发动机的最高转速不过6万转每分钟。在这样严苛的标准下,涡轮增压的应用对冷却系统,材料和工艺都有极高的要求,这也是涡轮增压器迟迟不能小型化,耐用度无法达到标准的原因。

因此当时的车厂只能纷纷放弃涡轮增压技术,转而使用相对保守的机械增压技术,其间一批经典车型也相继问世,如宾利Blower,奔驰540K,布加迪Type35等。然而工程师们的涡轮梦想,并未因此终结。


奔驰540K



布加迪Type35


宾利Blower



工程师们发现,柴油发动机的排气温度更低,体积更大,更加坚固,同时转速更低。这些特性都意味着它更加适合涡轮增压技术,尤其在使用巨大柴油发动机的造船业。不过在当时的汽车业,柴油发动机自身就存在着很多问题,加之过高的成本,再加装涡轮只能让其价格更高,可靠性更低。因此涡轮增压柴油机在问世之初并没有取得惊人的成就,前面提到的1938年涡轮增压卡车,问世仅很短时间便销声匿迹了。直到1952年的印地500赛事中,涡轮增压柴油机才取得了一些成绩——搭载了康明斯涡轮增压柴油机的赛车获取杆位并领跑了大部分赛程,不过中途因为机械故障而退赛,故障原因是增压器烧毁+曲轴损坏。不过这些大胆创新却打开了汽车柴油涡轮增压的领域,让其在之后的几十年中大放异彩。

关于柴油涡轮增压技术,我们将在下一期为大家详解,对柴油涡轮感兴趣的车友可以先看看下面链接里的文章。


汽车涡轮增压的“曙光”

终于,时间来到了1962年通用汽车旗下的雪佛兰推出了CorvairMonzaSpyderCoupe和CorvairMonzaSpyderConvertible这两款车型,躺在它们发动机仓里的,竟然是一台2.4升直列六缸涡轮增压汽油发动机!这台2.4升发动机可以提供152PS的最大马力,这在当时是一个非常惊人的数据,那时民用车使用的3升级别引擎输出不过在100PS左右,而这台增压2.4升引擎用更小的排量,提供了相对于传统引擎150%的动力。

几周之后,同是通用旗下的奥兹莫比尔推出了Cutless车系的顶级车型:F-85Jetfire,搭载3.52升排量的V8涡轮增压发动机。值得一提的是它匹配了一颗在当时看来体积非常小的GarrettT5涡轮,由于排量大,这台发动机可以做到在2200rpm的时候就可以进入全增压状态,输出数据为218PS的最大马力,400NM左右的最大扭矩。


CorvairMonzaSpyderCoupe




F-85Jetfire


这就是世界第一/二台装备汽油涡轮增压发动机的量产车。

不过它们的销量却是十分惨淡,过高的价格加上较低的可靠性,在美国那个汽油比可乐还便宜的年代里,远不如实在的大排自吸车更受消费者青睐。就这样,生不逢时的汽油涡轮机又一次沉寂下来,这一等,又是10年。



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70年的等待,开启涡轮时代

随着二战后西方经济的复苏,欧洲汽车工业也被灌入了新的活力。新技术层出不穷,诸如每缸五气门,可靠的自动变速箱,双离合变速器,电控差速器,多点电喷,可变气门,ABS,安全气囊,承载式安全车身,三点式安全带等等,都因此相继来到我们生活中。当然,这其中也包括了被埋没70年之久的涡轮增压器。

技惊四座,宝马M3抢得头筹

1972年,巴伐利亚发动机制造股份公司——也就是BMW制造出了一款车,并在第二年把它扔进了市场这个大池塘。一石激起千重浪,它直接引爆了欧洲人对汽车的热情。它就是2002Turbo,今日M3的鼻祖。


BMW2002TURBO

2002Turbo搭载了一台特别调教过的2.0升直列四缸涡轮增压发动机,可以在近7000转的转速下爆发出170马力的功率,而最高转速更是高达8000rpm!这生猛的发动机可以拎着一吨出头的2002Turbo在7秒以内从静止冲到100kmh。要知道在40年前的那个时代,超级跑车0-100数据也不过4.5-5.5秒。据当时驾驶过它的人回忆:“它转瞬间就可以贴上前面那讨厌家伙的后车牌,要是想羞辱他,再踩一下油门就行了,他会乖乖地消失在你的后视镜里的。

记住这个名字,BMW2002TURBO,它才是欧洲第一台搭载汽油涡轮增压发动机的量产汽车。

2002上那台经典的2.0T4L汽油发动机

油价飞涨,涡轮大显神威

1973年10月,第四次中东战争爆发,阿拉伯石油生产国削减石油输出量,造成油价飞涨,从而引发了经济危机。原油价格从每桶3美元直接飙升到10美元。汽油比可乐便宜的年代一去不复返,曾经那些动辄7L8L排量的汽车再也神气不起来了。当美国汽车工业遭受重创下降幅度高达32%时,欧洲汽车工业已经率先找到出路,成为了小排量领域的先行者。而最大的功臣之一,就是涡轮增压。

无奈还是睿智,保时捷的涡轮之路

1975年,保时捷面对着一个困局:面对竞争对手的咄咄逼人,斯图加特的工程师们发现他们没有办法让自己的911跑得更快了。由于非常特殊的车身设计(后置后驱),保时捷只能看着别人往宽大的发动机舱里塞进V8,V10甚至V12,而自己却只能挤进一台H6发动机。顺理成章的,涡轮成为了保时捷唯一的选择。凭借当时德国整体铸造工艺的高水准,工程师们把发动机造的更加结实,然后,一颗巴掌大的涡轮就被摁在了1975年款911顶级车型的发动机上。

这个改动让911的最大马力从180PS直接跳至260PS,瞬间达到了超跑的级别。不过由于后置后驱的缘故,它就像一匹难以驯服的烈马,严重转向过度,车尾非常不稳定。所以当年敢开这台车的人,除了技术过硬,更要胆识过人。

930TURBO

请记住这台史称930Turbo的汽车,它带领保时捷闯入了一个曾经不属于自己的领域,从此走上了涡轮之路。

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开启民用车涡轮时代——萨博99

萨博公司,一家曾经的航空器制造公司。这个名字在汽车爱好者心中,一直都极具传奇色彩。而萨博公司最伟大的创举,正是低压涡轮技术。

1976年,萨博信心满满地推出了萨博99增压款,这一举动震惊了当时的欧洲媒体。因为萨博99是一辆真正意义上的家用B级车,却采用了“疯子般暴躁”的涡轮增压发动机。被惊掉下巴的欧洲媒体从震惊中反应过来后,随即开始大肆攻击萨博,嘲笑他们的管理层和工程团队,竟然敢“冒天下之大不韪”地给一辆家用车安上涡轮增压引擎。萨博没有回答,而是举办了一次媒体试车,盛情邀请所有批评他们的媒体前来试驾增压款的萨博99。而结果我们都知道,萨博99用自己出色的表现做出了最好的回应。



萨博99 TURBO版


感谢低压涡轮技术,萨博99上没有以往涡轮增压车型上严重的涡轮迟滞现象。小尺寸,低增压值的涡轮增压器轻快地在发动机仓里转动,带来温和却有力的动力输出。1977年,萨博在法兰克福车展上正式推出了99。同年,一身戎装的萨博99赢得了瑞典拉力赛的冠军。不过这不重要。



萨博99 赛车版

尽管156BHP/300NM并不是什么非常了不得的数据,尽管这不是第一辆使用涡轮增压技术的汽车,尽管这甚至不是一辆以涡轮增压技术作为卖点的汽车。但是,这是世界上第一辆大规模普及涡轮增压技术的汽车。在此之前,涡轮增压器仅会出现在顶级车型的配置列表里——例如2002Turbo,例如911Turbo。涡轮增压,这只昔日王谢堂前燕,从此飞入了寻常百姓家。

续:

经历了几度沉浮,70年的蛰伏,涡轮终于等到了一个真正需要自己的时代。之后的30年中,它并未停止脚步,而是不断的完善,优化自己。终于走到了今天这个全民涡轮时代,就连那些昔日坚守自吸阵营的老顽固也不得不向它低头。诸多新技术新材料的应用更让这个小东西如虎添翼。下一期文章,我们就为大家详解涡轮技术,解开一些车友的疑虑和谜团,再聊一聊涡轮增压在越野车上应用的优势和价值。

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