主题：【原创】我也来说说涡轮增压发动机 -- 车神

关于涡轮发动机，发现周围亲友有很多认识不太全面的地方，趁着没事写个短文。你当启蒙也好，戏说也好，反正能帮助理解一些涡轮增压的花边知识，我就高兴了。

说这个话题之前，先声明几点，我本人懒，很多数据资料不记得，也懒得查，大略糊弄一下大家别见怪。而且有了孩子，说话喜欢用类比而不是科学语言，有时候比得不太恰当，大家也别见怪。文中会经常用到类似编程的黑盒原理，就是只看输入的是什么，输出的是什么，这个计算机系的同学比我懂，我这里一样，只提原因和结果，中间涉及的发动机的工作原理太复杂，不做解释，以免有人抗议太枯燥。最后，能量守恒定理一定要遵守的，我们不能指望一升汽油能把汽车运到地球轨道上，这是不符合逻辑的。

好，正式开始。

我们一般见到的汽车发动机用的是汽油内燃机，就是把空气和汽油混合以后放到一个空腔里，这个空腔叫做气缸，当然空气最早是常压的，就是差不多一个大气压吧，他通过一些系统自然地被“吸”到发动机里。另一边，汽油是通过化油器或者电子喷注系统，弄成颗粒很细小的油雾，当空气和雾化的汽油在气缸里面集合以后，火花塞出场了。一声令下关门放狗，火花塞就在这个密闭、阴暗的空间里弄了个火星，这下可不得了，汽油雾加上助燃的空气（里面含有很多氧气），一下子燃烧起来，燃烧产物是各种各样的高温气体，这些气体剧烈膨胀，怎么样呢？就像一个针筒（实际上气缸也跟针筒构造很像），本来里面有半管子气体，膨胀以后存不下，自然就推动活塞向外顶。这活塞一顶，就把一个叫曲轴的东西转起来了，曲轴转，…【著名的黑盒子出场】…车轮也转。

大多数情况下，两冲程的气缸里面燃烧一次，活塞就动一次，曲轴也转一次。所以我们说到转速的时候，每分钟3000转，说的就是曲轴。每分钟3000下，就是气缸里面燃烧了3000次啊。也就是每秒烧了50次。(事实上，最常见的四冲程发动机远不止这么简单，四个冲程，应该是燃烧一次实际曲轴转了两圈。但是这里用一比一比较形象吧。)【我太过戏说了，谢谢圆环指正】

假如我们需要让你车子跑快一点，理论上可以增加转速，也就是踩油门，通过踩油门给车子下一个指令，于是车子给空气管道，汽油管道，火花塞都下一个命令：你们给我加把劲！于是每秒烧50次的变成了60次，70次……但是凡事有个上限，你总不能让发动机一分钟燃烧100万次吧？那这时候我要继续提高车速，或者车子装了很多东西，需要加大力量呢？人们最早想到的方法就是增加气缸容量，本来一公升容积的气缸，加到两公升，或者把两个一公升气缸的放到一起用，这样就相当于原来一匹马给你拉车，现在变成两匹，三匹……发动机的排气量增加了，每次燃烧的空气和燃料多了，吃得多就有力了，跑得更快了。这个方法现在也是在用着的。1.3升排量的夏利爬坡没劲了，我换个2.0的桑塔纳，有钱了再换个3.0的宝马……但是这个方法也是不能无限制使用的，首先，气缸不能无限的增大，数量也不能无限的增加，不然弄个100气缸的发动机，每个气缸像煤气罐那样大……那就不是汽车了。其次，人们同时遇到了另一个问题——

在一次打仗的时候，（有人把那场战争称为第二次世界大战）当时飞机已经在天上砰砰地互相开火，或者往地上扔炸弹了。飞行员们发现，飞得越高，飞机就越没力气，甚至有时候发动机还会莫明其妙地熄火。就这么摔了好几架飞机以后，工程师弄明白了。原来越到高空，空气越稀薄，进入气缸里跟汽油一起燃烧的氧气也变得稀少，发动机就抗议了，本来么，多少汽油配多少空气混着烧，那人家是早就定好的，无端端少了空气，燃烧效率降低，发动机就没了劲。怎么办啊？工程师只能用毛巾缠头，不断地想办法，总不能让飞机不到高空作战吧。

当时全世界都在为这个问题头疼，如果找不到很好的解决办法，飞机性能就要大打折扣。终于，有个聪明的家伙想出了一个办法：用压缩空气！你高空空气不是稀薄么？氧含量不是低么？我就给你往气缸里直接送压缩空气，本来气缸能吞一升的，我把两升气压缩了给你灌进去，这下子没意见了吧。要是不够，我再给你灌三升，4升。反正我专门弄个配件不干别的，就给你供应压缩空气，你带着它一起飞，也不重。

于是，飞机就带着一个专门压缩空气的黑家伙飞上了天，飞到500米，给你增加一个大气压，飞到1000米，增加两个大气压，反正我保证你空气绝对够烧。

当然，说着容易做着难，压缩空气在什么时机给，怎么给，给多大量，跟汽油怎么保证配合，那可让工程师头疼了好多年。不过头疼是工程师的事。反正飞行员可就高兴了，飞机再也不咳嗽了，飞到高空，人都得戴上氧气面罩，可发动机一样好使。

这就是最早的内燃发动机增压技术，为什么先在飞机上出现呢？因为当时汽车速度最快也不过一百来公里，人们忙着打仗，没时间发展什么马路飚车的业余爱好。

战后，有家瑞典的飞机制造公司，叫SAAB的，飞机卖不动了搞三产，先把这种给发动机喂压缩空气的技术用在了汽车上，造出了第一辆成熟的，带有废气涡轮增压装置的发动机。

这个发动机实际上就是利用了发动机本身排出的废气，推动一个小型空气压缩机，把压缩空气送到气缸里。

这时候仗打完了，已经有人开始飚车赛车了，动力不够，速度不快么，原先的做法就是增加气缸容积，增加气缸数量，气缸一下就上来8个10个，总排气量给你上到十升八升。这下好了，车子带着一个巨大无比的发动机，跑是能跑，但都快没位置坐人了。

于是有人发现瑞典人的聪明了。

本来么，在高空的时候发动机喘不上气，给点压缩空气，可是到了地面，气是足够了，还给你气缸里送压缩空气，那不就相当于给正常人吸氧，绝对亢奋啊。吸多了没准还有点磕白粉的效果——这说的有点过了，反正比方说抽个大麻，那劲头还是有的。

不过光给压缩空气还是不行，前面说了，多少氧气配多少汽油，那是有比例的，这问题好解决。油么，我油管粗点，流速快点，多往气缸里灌就是了。

于是，内燃发动机的一个新时代来临了，使用增压技术，在较小的气缸空间里，通过增加空气量，增加燃油量，从而增加了油气混合气体的密度，最终实现了更猛烈的燃烧，小小的发动机，实现了比过去普通自然吸气发动机更大的力量输出。不过这当然是以消耗更多的燃料为代价的，空气不要钱，随便用。燃料可是要钱的。

当然，技术发展以后，人们发现要往发动机里送压缩气体，不止一种方法，现在成熟的一般有两种，废气涡轮增压和机械增压。

简单来说，废气涡轮增压，就是利用发动机排出的废气，推动一个涡轮带动压缩装置，进行空气的压缩，然后把压缩好的气体送到气缸里，这个很明显是要发动机运转起来后，喷出的废气有了一定的力量，才能启动压缩工序的。而机械增压就是把压缩机跟发动机曲轴连接起来(原理如此，当然不是直接连在曲轴上)，当发动机一开始工作，就能马上往里头送压缩空气。

两种压缩方法各有千秋，这个我们以后再讲。

说到哪儿了？对了，增压技术有这么好的效果，为什么没有普遍使用呢？下回再说。

“每分钟3000转，说的就是曲轴。每分钟3000下，就是气缸里面燃烧了3000次啊。也就是每秒烧了50次”

4冲程发动机要转2圈才燃烧做功一次。

呵呵，谢谢，这我也知道。但是这个阶段解释进气压缩燃烧排气冲程有点急了，不过我还是改改吧。

再拎着一堆砖头.. 哦不，那个一堆花，等着

第一个内燃机的supercharger的专利是在1885年，戴姆勒发明的，1902年雷诺申请了改进的专利。1908年就有赛车使用supercharger了，时速达到了160km/h。supercharger就是向汽缸提供压缩空气的东西。

高压汽缸技术和涡轮增压应该还是两回事。

机械式增压器一般用曲轴带动的。

有人要问了，这增压技术这么好，为什么没有普遍使用呢？首先，这增压技术确实好，它可以在较小的发动机上，榨取出更大的发动机马力，按照目前一般的技术，增压发动机能够提供额外大约30%的动力，也就是说，1.8T发动机（T就是（Turbocharged 的缩写，一般我们也简称（Turbo）大约相当于普通自然吸气2.34（1.8+0.54）升排量发动机的动力。不过，这是有条件的。首先，不管是通过废气涡轮增压也好，机械增压也好，要发动机能够在高压下好好工作，气缸的强度就得更大，这就跟高压锅它的身体比一般的铝锅更结实一个道理。其次，前面提到过，在输送压缩空气的整个过程中，空气的密度，压力控制，燃油的输送速度，是个不断变化的过程，这个过程以及整个系统的配合，都是一整套复杂的机构。此外，还记得高中物理的同学应该清楚，空气被压缩的时候是要升温的，一升温密度就减小，这跟我们的初衷是相左的，所以还要有个专门的冷却机构来把压缩过的空气冷却（这个有点&%$%&#&%*）……这么多复杂的机构配合在一起，就把本来很简单的发动机搞复杂了。

复杂到什么程度呢？中国号称解放后就开始造车，造到现在也没有自己造出一台能用的，装在轿车上的增压汽油发动机。话说回来了，也不是造不出来，估计造出来了一看，算了，还是老实用回自然吸气的吧。

如果只是工艺复杂，那倒也不是特别大的问题，现在的轿车已经越来越复杂了，多一堆零件对奔驰奥迪那些大厂来说不算什么，可是，增压技术还有个比较致命的地方没法解决。

这个问题的存在，使得人们意识到：增压技术虽然有时候能提供大马力，但是就像运动员吃了兴奋剂一样，不可能永远强大，在吃药前后有时候体力会更差。出来混，迟早是要还的。这也就是为什么各大汽车生产商没有全面普及增压技术的原因。要详细解释这个问题，需要从两方面分别来说：Turbocharged和Supercharged 。

前面我们已经知道，涡轮增压是利用发动机排出的废气来产生压缩空气的，机械增压是直接利用曲轴的转动来压缩空气的。实际上，气缸里有了空气和油雾以后，还有一个压缩的过程，也就是说，即使是自然吸气的发动机，也要先让活塞向内挤压，把混合气体压缩一下，密度变高，这时候再点火，把活塞向外推，带动曲轴转动。所以说，虽然通常我们说的是燃烧，但实际上气缸里进行的是一次次的小型爆炸。而这个压缩的过程，压缩到什么程度，有个专门的名词叫压缩比。我们只要知道混合气体是经过了一个压缩过程，将气缸空间变小，使混合物压缩到一定浓度以便更好地进行燃烧就是了。

这个压缩比的大小呢，是经过了精密计算的，根据每一款发动机的特点，压缩比有不同，也就是有可能把混合气体压缩到1/10，也有可能压缩到1/9。但是如果是增压发动机呢？这就有点乱套了，本来是一个大气压的空气，给压缩到1/10，那进来的如果已经是压缩空气，再怎么压缩呢？压缩到什么程度比较合适呢？因为这个压缩过程是通过曲轴上的一个机构实现的，就好像我们打针，针筒的活塞推进拉出多少距离，这是固定死了的。一款发动机的压缩比，基本上也是固定死的。

而前面我们已经知道，涡轮增压发动机在低转速的时候，排出的尾气力量不够推动涡轮，这时候是没有办法产生增压效果的，所以我们看涡轮增压发动机都有个涡轮介入的范围，这个通常是在发动机转速2500转左右。

这下问题来了。发动机里面燃烧是很讲究的，一定分量的空气+一定分量的燃料+一定程度的压缩=最优化的燃烧。那么涡轮增压发动机在2500转以下跟2500转以上，他吃进去的混合物浓度是不同的啊。对这两种不同的情况，工作条件不同，就必然只能择优录取。于是，涡轮增压发动机的压缩比，气体燃料配合，点火时间配合，就必然倾向了增压状态，也就是说，所有的配合都是为了满足涡轮开启时的工作要求。当发动机在2500转一下，没有开启涡轮增压的时候，整个发动机相当于工作在传统状态下，而这时候发动机各个部门的配合一点也不协调，工作效率是很低的。这就有点像你让一个短跑运动员参加竞走比赛，走是能走，但总有点别扭。所以我们为什么有时候会听到有人说，涡轮增压发动机在低转速下还不如普通的发动机好使。这时候这台涡轮增压发动机没有发挥出应有的特长，反而感觉软绵绵的，而要让涡轮开启，需要达到一定的转速，以便让排出的废气足够推动涡轮运转，当低转速时踩油门——发动机无力——增加转速——推动涡轮运转——涡轮产生高压气体——涡轮介入发动机工作——涡轮增压发动机爆发，这是需要一个过程的，所以对于低转速下踩油门而不能立刻体验到澎湃的加速，而是会有发动机反应稍微滞后的感觉。对于这个现象，有一个专门的名词叫涡轮迟滞（Turbo Lag）。

不过当发动机到了一定转速，涡轮正常工作状态开启后，带来的变化是巨大的。举个例子，就像在一个封闭的房间引爆一包炸药，很爽，放两包，更爽！涡轮增压就能带给你这种更爽的情况。

当然这种更爽的情况，也是有个限度的，这个限度一般来看就是30%，也就是说，一般能为发动机增加30%左右的功率。为什么是30%呢？少了，意义不大，多了，也通常就意味着压缩的程度更高，更高的气压就要求涡轮更大的压力，意味着涡轮迟滞的情况更严重，而且有时候意味着燃烧不完全，浪费的燃料更多，经济型变差，而且会对发动机的强度，工作效率带来负面影响

看另一边，机械增压。我们也说过，机械增压是靠曲轴带动压缩机构，也就是说，不用等到2500转，发动机一开始运转就能为气缸输进压缩空气。这样好不好呢？有好又不好。好处是大大减少，甚至基本不会出现涡轮迟滞效应，不好的是，不管转速如何，发动机总得带着机械轮一起做同步转动，这在某些情况下就等于发动机额外带着一个负担，这在高转速情况下，有时候会消耗很大的动力。

涡轮增压和机械增压的大概原理已经说完了，大家知道，他们工作方式不一，互有长短，但根本原理都是要往气缸里送压缩空气，以便让气缸更爽。但是我们要记得：一、爽是有限度的，2.0增压的发动机再爽也不能爽出4.0的动力。二、爽是有条件的，要爽，就要多喝油，而且也不是自始至终的爽，要么是开头（低转速），要么是结尾（高转速），总有不太爽的时候，这有点像吸白粉（对不起我又错了，应该是抽大麻），爽完之后你会更疲倦。三、增压发动机要比自然吸气发动机多出很多机构，而且它的成本，维护保养功夫，耐久性，经济型都要比自然吸气发动机有差异，总的说来就是比较麻烦。四、涡轮增压高转速爽，但是在工作过程中有一个突然的发力过程，机械增压低转速好，而且基本上在整个工作过程中动力输出很平均，但高转速就差点。两者各有所长。

所以呢，有些厂商就宁死不玩增压发动机，比如宝马，比如保时捷，比如本田。他们在某一阶段有过实验性的增压车型，但是总体来看，他们一直是在坚持开发自然吸气的发动机，并且做出了卓越的成绩。当马力不够的时候，他们除了按照老方法增加排气量，像弄一些6岗，8缸甚至12缸的引擎，还开发了别的新技术，比如本田的vtec（i-vtec），丰田的vvti，还有三菱的MIVEC技术，都是在自然吸气发动机上追求更高效率的燃烧（发现没有，很多东西是日本人先想出来的）当然这些技术在增压发动机上也有类似的体现，但某些品牌保留自然吸气传统的决心，还是很大的。

玩增压发动机的厂商，也有玩得很好的。瑞典的saab和volvo就是代表。大家别忘了，这两家都是造飞机起家的，他们把航空增压技术用在汽车上，玩成了贵族。（宝马也是造飞机发动机起家的，但是不玩增压……）这两家甚至喜欢同时使用一大一小两个涡轮，小涡轮更早地开启工作，在低转速下提供能量，大涡轮到了高转速再介入。这样也能达到减小涡轮迟滞的目的。而且在有些情况下，增压发动机还是比传统发动机有一个优势，那就是小。某些情况下2.0t发动机要比2.6发动机体积小，重量轻，所以你看大众的小型车，很喜欢做成2.0以下的排量，再加上个T。而大众比较有特点的一款tsi发动机，就是同时装上了涡轮增压和机械增压系统，这下把两种系统的优点都发挥出来了。而奔驰一直是把机械增压玩得很转的代表。

而更多的厂商，同时发展自然吸气和涡轮增压发动机，在小型车上使用自然吸气，在追求马力和性能的车上使用增压，达到产品线的平衡。不过总的来看，涡轮增压技术是比较少用在豪华车上的，像奔驰轿车就喜欢用机械增压。因为从涡轮迟滞到涡轮工作那一段过程，是个突然的发力过程，飙车族很享受这种推背感，但豪华车的乘客想必不会喜欢。例外的是saab和volvo，他们的功力就在于把装上涡轮增压的车调教得很舒服。

额外补充的是：货车大多数采用柴油发动机，柴油发动机本身工作的转速比较低，一般都在两三千转左右就能发挥出很大动力，所以货车，尤其是大型货车，集装箱车，普遍采用了增压技术，在有限的气缸容积内压榨出最大的动力。

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后面没有了，说完了。这是戏说，目的是给不太了解车，或是对车不感兴趣的朋友做基本启蒙用看的，所以说得越容易理解越好。如果有不严谨的地方各位老大多多包涵。

谢谢。

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