汽车的兴奋剂

　　其实就在几年前，多数汽车开上去还是一副不温不火的样子，可最近，很多车都变得奔放起来。究竟是什么让一台汽车的性格变得狂躁起来？这就不得不提到从天而降的涡轮增压器，它让汽车变得疯狂。我们可以将它理解为一只帮助发动机提高进气效率的“蜗牛”，它任劳任怨，不畏工作环境的恶劣。我们也可以看作是发动机的兴奋剂，只要“计量”适度，发动机就永远不会“泄气”。今天就让咱们来认识认识这家伙。

　　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一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。另一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入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Gottlieb Daimler和柴油发动机的发明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Sulzer兄弟研发公司的总工程师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，以前一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12000rpm时，它带动另一侧的进气叶轮引入外来的新鲜空气，经过叶轮带动使流速增压，产生所谓的压缩效应并导入进气歧管内。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一个时间差——约1秒左右，所以在转速达到预设增压启动转速时，动力上会有一个比较突然的介入。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(Roots)、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GottleibDaimler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。大量的空气将进入进气歧管，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，并且只能间歇而不是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，空气便被压入到更小的空间。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，将空气高速吸入狭小的压缩机壳体。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。

　　前两种增压器没有涡轮迟滞的缺点，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。

　　除了涡轮本身，中冷器也是一个重要部件。因为中冷器实际上是涡轮增压的配套件，其作用在于降低增压后的高温空气温度、以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。 对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与进气歧管之间安装中冷器。一个好的中冷器是让涡轮爆发能量的关键所在。

　　现今优秀的涡轮增压发动机

　　现如今涡轮增压引擎依然普及到各个排量之上，如果我们摊开了来讲，显然是一件不可能的任务。因此我们选择了2.0T这个排量的发动机来说明，因为这个排量的发动机应用范围最广，从小型车到豪华车都能装配，比较具有代表性。

　　首先就是宝马B48发动机，它是全新一代模块化发动机，和上一代的N20相比主要是提高了集成度。N20其实已经是模块化发动机了，所谓模块化，指的是发动机的一些部件是标准化的，只要好像搭积木一样，就能组合出千万种不同类型的发动机。更为可怕的是，B48现在在输出参数上并没有比N20好多少，在改善了N20诸多结构上的缺陷之后居然没有本质上的提升，咱只能理解为现阶段N20级别的输出参数尚可一战，只有等到对手有实质威胁的发动机出现的时候，宝马才会解除封印的动力。当然，目前仍然在售的N20系列发动机依然是款优秀的发动机，不必纠结，买买买。

　　国人对涡轮增压这东西的认知很大程度来自当年帕萨塔上的那个台1.8T发动机，如今这么多年过去了，大众的EA888 Gen. 3发动机依然属于优秀的行列。简单来说，大众这代发动机以小幅减低发动机输出功率为代价，大大降低发动机的油耗。在涡轮增压发动机已经有动力过剩的状况之下，牺牲少许动力换来更好的油耗和环保指标，大众在军备竞赛中走出了一条自己的路。

　　前些年，欧洲各大车厂纷纷使用涡轮增压以后，日本车厂却不为所动，依然潜心在搞自己的自然吸气，最终被认定为“技术落后”。而当现在市场上满是涡轮增压，人们的谈论点已经从“有没有涡轮”转移到“有没有烧机油”时，日本车厂才开始有所动作。2015年，丰田把一副编号8AR-FTS的2.0T直列4缸涡轮增压全面普及到旗下车型上，8AR-FTS装配了丰田引以为豪D-4S燃油双喷射技术，就是集成了缸内直喷和进气歧管喷射两种方式，需要高输出时用缸内直喷，冷车启动和低输出时用进气歧管喷射，排放和燃油经济性会更好。此外不要忘记丰田玩得最好的VVT-i技术，就是进气门可以提前打开（吸多点新鲜空气进气缸），排气门可以延迟关闭（把气缸内燃烧废气排放得更干净一些）。D-4S和VVT-iW技术的组合，为8AR-FTS实现了一个更有逼格的技术—阿特金森循环。

　　所谓阿特金森循环，就是引擎的做功冲程比压缩冲程更长，相当于用相同的燃油，比别人做更多的功，结果就是更省油了。但丰田的阿特金森技术并非气缸的冲程可以变化，只是利用玩得纯熟的VVT-i技术，在压缩冲程把进气门延迟关闭，把气缸内的混合气又挤压一部分回到进气歧管，这样尽管做功冲程没有变化，但气缸内混合气少了，相当于压缩冲程变小了。目前包括丰田品牌的皇冠、汉兰达和雷克萨斯的NX、IS和RX等都装配了此款发动机。

　　说到这种技术话题，奔驰自然不会缺席，代号M274的发动机就是咱今天要说的。BlueDIRECT是奔驰的第三代汽油缸内直喷技术，它远不止是增加一个高压油泵那么简单。这种技术可以在一个冲程内最多实现五次燃油喷射(一般发动机最多只会进行两次喷射，有些柴油发动机会进行三次喷射)，并且火花塞可以在1毫秒内实现四次电火花释放。再加上优化的缸内涡流设计，带来了混合更充分的混合气和更充分的燃烧效果，使燃料的燃烧效率进一步提高，同时达到了更高的排放标准。此外还有可变气门升程技术—Camtronic，Camtronic的原理十分简单，它的进气凸轮轴由可变进气相位执行器和Camtronic可变气门升程部件组成。凸轮轴本身由一种内在的载体轴和空心凸轮件组成，每个凸轮件由2个相邻的液压缸驱动。凸轮件有两种形状(低扬程，高扬程)，当发动机需要变换凸轮件，执行器通过液压销推动凸轮套件向两端延伸进行凸轮替换。Camtronic技术并不是为了增大马力，而是为了降低排放。不要以为奔驰平时都在构造什么豪华感而忽略了它的技术储备，要是没有这些技术储备，奔驰敢这样玩豪华吗？

　　要是说到发动机技术而不提本田，那绝对是在搞笑。作为汽车发动机泰山北斗级的厂商，即便是才跟上涡轮的潮流，依然有着拿得出手的东西。本田2.0T发动机采用四缸结构，带有进排气可变气门正时技术以及VTEC气门升程控制技术。该发动机的VTEC系统并不是设置在进气侧，而是设置在排气侧。排气侧VTEC系统能够加快扫气速度，从而降低燃烧室温度以抑制爆震现象。提高压缩比是提升发动机热机效率的一种行之有效方法，但抑制压缩比提高带来的爆震现象则是在开发中遇到的难题。本田通过控制气门重叠角来增强扫气效果，降低燃烧时温度，抑制爆震现象，最终实现压缩比的提高。本田2.0T发动机采用了小型轻量化涡轮，能够一定程度改善涡轮迟滞现象，让峰值扭矩在更低的转速输出，从而使车辆拥有更好的加速性能。电动控制泄压阀能够精确快速地控制排气泄压阀开度，从而实现增压压力的精确快速调整，实现了动力性和燃油经济性的平衡。尽管从纯技术的角度而言，这款发动机没什么太多前瞻性的设计，可烦就烦在它有着同排量发动机里最强劲的输出，和本田给我们的一贯印象非常切合—疯狂！

　　文、图/andy.fu