两大巨头的历史性相遇

张荣博士

本科在清华大学学习汽车工程;硕士在加拿大McMaster大学学习实验流体力学,独立进行了柴油机EGR积灰的实验研究;博士在加拿大西安大略大学学习计算流体力学和控制。曾在博格华纳北美技术中心从事多种新增压概念研究,其工作已经产品化。现在霍尼韦尔汽车零部件部门,历经新型本土汽油增压器研发、产品线开发、应用工程等工作。

说起涡轮增压器的缘起,相对为人熟知的是它应二战期间航空战机的强烈需求而生。为了克服在稀薄的高空中让庞大的B29战机长距离飞行在万米高空,盖瑞特(后并入霍尼韦尔品牌)的双增压器设计使莱特发动机爆发出2200马力的动力,减少了飞机自身的重量,提高了突防速度和高度,成为了B29项目成功的关键因素。

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然而当世界恢复和平,大量的军用技术面临着向民用技术转型的迫切压力。作为最大的航空增压器的制造商,当时的盖瑞特公司(Garrett),也在寻找合适的市场机会。除了航空发动机,还有谁需要如此强劲的助力呢?


与此同时,一家叫卡特彼勒的公司也面临同样问题。这个公司为战争生产推土机、坦克发动机。当时生产坦克发动机的公司非常多,包括美国的三大汽车公司,大家都要军转民。民品市场固然很大,但是竞争也会非常激烈。

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对于几乎所有的动力机械来说,提高动力输出都是非常具有竞争力的措施。试想,一样的价格,500千瓦的发电机摇身一变,变成700千瓦的,有谁可以拒绝这样的诱惑呢?


所谓无巧不成书,一天,卡特彼勒的老大碰到盖瑞特的老大。

640 (4).jpg图片作者:Kevin Ren


一拍即合,于是有了车用涡轮增压器。卡特彼勒挖掘机的动力可以在同样排量的情况下提高50%~100%,一举成为蓝翔中的蓝翔。


不止于此,增压器的体积相对于发动机来说是比较小的。即使用在卡特彼勒的大型矿山机械、挖土机、发电机上的增压器体型庞大,但是和相应的发动机比较,也只是一个稍大点的附件。这样的尺寸,可以很容易地塞进原来的安装空间,而发动机功率可以提高50%!所谓'多快好省’,就是这个意思。


历史真的是这样的偶遇和巧合组成的吗?
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从应用工程的角度,我们来谈谈这个选择的必然性。

首先需要回答为什么此前只有航空发动机才用涡轮增压,而车辆不用?有两种类型的机械原理 。早期的增压器是一种流量型机械(比如说电风扇,转地慢了,风会非常非常小),而内燃机是容积型机械(比如说打针的针管,针管即使打的慢,也保证把药打到我们身体里面)。所以早期的涡轮增压发动机匹配出来的动力特性,是比较接近流量机械的。

更学术一点,所谓流量型机械,我们可以大致认为,流量越大,单位流量的“效果”也越好;而容积型机械,单位流量的“效果”变化不大。


在技术方面,对于飞机而言,它的阻力是随着速度的平方增加的,也是流量型的。而车辆的阻力,在中低速时(一直到80公里每小时的速度),车辆的阻力主要是摩擦阻力,变化平缓的多。这样截然相反的阻力特性决定了发动机的动力特性。流量型动力输出(也就是老式的涡轮增压发动机)可以适配流量型阻力特性(飞机);而平缓的动力输出(自然进气发动机)比较适配道路车辆。


成本显然是另一个重要的因素。在四十年代,的增压器转速就有数万转,发动机的排气温度可以轻松达到800摄氏度,还需要考虑到滑油的密封,等等。总之,这不是一个便宜货。所有技术限制早晚都可以解决,但对当时的任何一家公司,初始研发投入都是一个沉重的负担。显然,飞机制造商具有很强的成本承担能力。增压发动机的概念在二十世纪初就提出来了,但是直到二战才开始真正使用,可以这样说,二战中大量的航空发动机,分担了增压器最为沉重的初始研发成本。到了盖瑞特和卡特彼勒合作的时候,增压器的成本已经从峰值大大滑落了。

盖瑞特和卡特彼勒的合作,之所以能够成功,在于恰好回避了上面的两大障碍。卡特彼勒的发动机很多是工程矿山机械、建筑机械甚至是发电机,这些发动机工作范围相对较窄,所以对于发动机的输出曲线是否宽广,并不太敏感,只要工作点附近做的不错,就达到要求。与此同时,大型的特种车辆,本身成本就很高,售价也高,对成本的吸收能力自然大大强于普通车辆,这就保证了这个产品在早期就具有很好的商务可行性。

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车用涡轮增压技术的采用,总的来说是迟早的事情。然而,这个技术通过航空发动机、大型特种发动机的两级台阶,技术逐步成熟、成本逐步下降,在技术和商务上为未来大规模的民用普及铺平道路,实在是有很大的机遇。这个看似戏剧性的历史瞬间,其实充满了商业逻辑的必然。