渦輪增壓的歷史

毫无疑问，我们每个人一生中至少都会注意到一辆普通汽车上的“涡轮增压”铭牌。制造商们故意把这些铭牌做得很小，而且放在不显眼的地方，这样不熟悉的路人就不会注意到它而走过去。而一个有意识的人肯定会停下来对这辆车感兴趣。下面是关于这种行为原因的故事。

汽车设计师（从这个职业出现的那一刻起）一直关注着发动机功率增加的问题。物理定律指出，发动机功率直接取决于一个工作循环中燃烧的燃料量。我们燃烧的燃料越多，功率就越大。而且，比如说，我们想增加引擎盖下的“马力数”——怎么做呢？这就是我们面临的问题。

事实上，燃料燃烧需要氧气。所以它不是燃料，而是在气缸中燃烧的燃料-空气混合物。需要将燃料与空气混合，不是用眼睛，而是按一定的比例。例如，汽油发动机的混合气由一份燃料和 14-15 份空气组成 – 具体取决于操作模式、燃料成分和其他因素。

我们可以看到，需要大量的空气。如果我们增加燃料供应（这不是问题），我们还必须显著增加空气供应。传统发动机由于气缸和大气中的压力差而自行吸入空气。这种依赖关系是直接的 – 气缸的体积越大，每个循环中进入的氧气就越多。这就是美国人所做的，他们生产出燃料消耗惊人的巨型发动机。但有没有办法在相同的体积中泵入更多的空气？

有，它是由戈特利布·威廉·戴姆勒先生发明的。这个姓氏对你来说熟悉吗？当然，它被用于戴姆勒克莱斯勒这个名字中。所以，这个德国人非常擅长发动机，早在 1885 年，他就发明了向发动机中泵入更多空气的方法。他想出了用增压器将空气泵入气缸的主意，增压器是一种风扇（压缩机），直接从发动机轴接收旋转并将压缩空气泵入气缸。

瑞士工程师和发明家 Alfred J. Büchi 走得更远。他负责 Sulzers Brothers 公司柴油发动机的开发，他非常不喜欢发动机又大又重，而且功率小。他也不想为了旋转驱动压缩机而从发动机中夺走能量。因此，1905 年，Büchi 先生为世界上第一个空气增压装置申请了专利，该装置利用废气能量作为动力源。简而言之，他发明了涡轮增压。

聪明的瑞士人的想法很简单，就像一切巧妙的东西一样。废气使带叶轮旋转，就像风吹动磨坊的风帆一样。唯一的区别是轮子非常小，叶片很多。叶片轮称为涡轮转子，与压缩机叶轮安装在一个轴上。因此，传统上，涡轮增压器可分为两个部分 – 转子和压缩机。转子从废气中接收旋转，与其相连的压缩机将额外的空气泵入气缸，作为“风扇”工作。所有这些复杂的结构都称为涡轮增压器（来自拉丁语单词“turbo” – 涡流和“compressio” – 压缩）。

在涡轮增压发动机中，进入气缸的空气通常必须额外冷却 – 然后可以通过向气缸中泵入更多氧气来提高其压力。毕竟，压缩冷空气（已经在内燃机的气缸中）比压缩热空气更容易。

通过涡轮的空气通过压缩加热，涡轮增压部件也被废气加热。供应给发动机的空气使用中冷器冷却。这是一个安装在从压缩机到发动机气缸的空气路径上的散热器。当冷空气穿过气缸时，它会将热量释放到大气中。冷空气密度更大，这意味着可以将更多的空气泵入气缸。

进入涡轮的废气越多，涡轮旋转得越快，进入气缸的额外空气越多，功率就越高。与驱动增压器相比，这种解决方案的效率在于，只有 1.5% 的发动机能量用于“自我维护”充电。事实是，涡轮转子从废气中获取能量不是通过废气减速，而是通过废气冷却 – 涡轮之后，废气仍然很快，但温度更低。此外，用于空气压缩的自由能量提高了发动机的效率。从较小的工作体积中获得更多功率的能力意味着更少的摩擦损失，发动机（以及整个汽车）的重量更轻。所有这些都使涡轮增压汽车与同等功率的大气同类汽车相比更省油。这似乎是幸福。但不，事情并不那么简单。问题才刚刚开始。

首先，涡轮的转速可以达到每分钟20万转，其次，白炽灯的温度可以达到，想象一下，1000°C！这一切意味着什么？制造一个能够长时间承受如此重负荷的涡轮增压器非常昂贵且困难。

由于这些原因，涡轮增压只在第二次世界大战期间才得到普及，而且只在航空领域。50年代，美国公司卡特彼勒成功将其应用于拖拉机，康明斯的大师们为他们的卡车设计了第一台涡轮增压柴油机。涡轮增压发动机后来才出现在量产乘用车上。这是在1962年，当时Oldsmobile Jetfire和Chevrolet Corvair Monza几乎同时发布。

但设计的复杂性和高成本并不是唯一的缺点。事实上，涡轮的效率很大程度上取决于发动机转速。在低速时，废气量不大，转子旋转不良，压缩机几乎不会向气缸中吹入额外的空气。因此，发动机在低于三千转/分时根本不转，只有在四五千转/分之后才会“启动”。这种美中不足之处被称为涡轮增压器滞后。此外，涡轮越大，加速时间越长。因此，通常情况下，功率重量比非常高和高压涡轮机的发动机特别容易受到涡轮增压器滞后的影响。但产生低压的涡轮几乎没有涡轮滞后，但它们不会过多地增加功率。

顺序涡轮增压方案有助于几乎消除涡轮滞后。在发动机低转速下，小型低惯性涡轮增压器工作，在“底部”增加推力，第二个更大的涡轮增压器在高速下开启，排气压力增加。上个世纪，保时捷 959 使用了顺序涡轮增压，而如今，例如宝马和路虎的涡轮增压柴油机也按照这种方案布置。在大众汽油发动机中，驱动增压器扮演着小型“动力源”的角色。

在直列发动机中，通常使用带有双工作装置的单个双涡管涡轮增压器（一对涡壳）。每个涡壳都充满来自不同气缸组的废气。但同时，两个涡壳都向一个涡轮机供应气体，使其在低速和高速下有效旋转。

但更常见的是找到一对相同的涡轮增压器，它们并行服务于不同的气缸组。这是 V 型涡轮增压发动机的典型方案，其中每个单元都有自己的增压器。虽然在宝马 X5 M 和 X6 M 上首次亮相的 M GmbH 的 V8 发动机配备了跨列排气歧管，这使得双涡管压缩机可以接收来自以相反相位运行的不同缸体的气缸的废气。

还可以通过改变工作部件的几何形状使涡轮增压器在整个速度范围内更有效地工作。根据蜗壳内的转速，特殊叶片会旋转，喷嘴的形状也会变化。结果是“超级涡轮”在整个速度范围内都能很好地工作。这些想法已经存在了几十年，但直到最近才得以实施。此外，可变几何形状的涡轮最初出现在柴油发动机上，幸运的是，那里的气体温度要低得多。保时捷 911 Turbo 是第一款尝试这种涡轮的汽油车。

涡轮增压发动机的设计早已成型，最近其受欢迎程度急剧上升。此外，涡轮增压器不仅在发动机增压方面很有前景，而且在提高效率和废气纯度方面也很有前景。柴油发动机尤其如此。如今，几乎每辆柴油车都带有前缀“涡轮增压”。同时，在汽油发动机上安装涡轮机可以让一辆普通的汽车变成一辆真正的“轻型汽车”。带有一个小小的、几乎不引人注意的“涡轮”板。

這是翻譯。您可以在這裡閱讀原文： https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html