汽车发动机的增压形式有很多,为何只有涡轮增压成为主角?

我在做毕设


内燃机上百年的发展历程中,的确出现了很多种增压方式,比如惯性增压、气波增压、压缩机增压(机械增压)、废气涡轮增压,这四类就是传统的增压方式,惯性增压、气波增压,由于增压效果有限,所以逐渐被淘汰,有些会安装在一些价值较低的汽油机上(非汽车用),而咱们耳熟能详的两类增压系统就是后两者,也就是机械增压、废气涡轮增压!

随着近年来,各类排放、油耗规则的出台,大排量机型越发少见,所以机械增压受到了很大的制约;与涡轮增压相进行比较,机械增压的运行方式存在差异、功率提升存在差异、成本方面也存在差异;机械增压方式属于典型的潜力小、成本高、能量利用率低的方式,所以现如今它才会逐渐的淘汰;与已经成熟的涡轮增压相比较,机械增压短版太多、对排量的依赖又太大!


涡轮增压、机械增压的工作方式

废气涡轮增压,顾名思义、推动增压系统工作的是废气,也就是燃烧后的无用产物,这些废气带着高温、而高温就是能量(热能),利用这些高温气体通过增压器产生膨胀,来实现能量的转换;简单点说,废气所携带的热量被发动机所利用,所以涡轮增压更容易促进燃油经济性的提高,因为废气热量、再帮助发动机做功;只要发动机还在运转、废气就是取之而不竭的,所以废气涡轮可以从容实现高增压、甚至超高增压,即便排量不大!
机械增压、如上图所示,利用发动机曲轴的旋转来完成自身的运转,因为从曲轴处取力来维持自身的运转,所以会消耗掉一部分发动机的功率(这一点就与涡轮增压不同了,涡轮增压器无论怎么转,不会消耗发动机功率),转速越高、消耗发动机的功率越大,转速高的一定程度,提升功率、消耗功率达到平衡,此时在继续拉高正压器转速,就会对发动机功率输出造成影响(此时已成害),所以此时转子轴皮带轮上的电磁离合器就会选择分离,来限制增压,防止对发动机功率、油耗造成影响!

机械增压器由于会消耗发动机功率,所以注定了它的转速不会太高,最高不过两万转,不及涡轮增压的十分之一,因为涡轮增压系统转速可以轻而易举的达到20万转,所以从增压的收益上看,涡轮增压完胜;机械增压最大压比仅仅是做到2.3Bar(出口压力),仅仅算作中度增压,而涡轮增压则可以轻松实现2.5-3.5的高增压、甚至超过3.5Bar的超高增压;增益潜力巨大、不是机械增压能比的,这就是为什么法拉利放弃自然吸气、走向增压,做涡轮、而不做机械增压的原因!

机械增压、涡轮增压的成本比较

首先要说一点,机械增压器全世界就那么几个做的,产量小、用的少、所需附件及多,而且需要针对机型去开发,所以导致机械增压器的成本居高不下;由于巨大的体积,布置在发动机上也极为不便,所以机械增压只是在涡轮增压还不成熟时的一个无奈选择,有可靠的涡轮增压、谁也不会用机械增压;因为一套机械增压系统,需要专门去为它开发离合器、隔音器等系统,所以导致主机厂开发一部机械增压发动机的难度远比涡轮增压大,简单点说机械增压完全是把银子消耗在它复杂的机械结构、以及材料强度上!涡轮增压器相比较而言,开发难度就简单了许多,无需针对某款车特定开发(当然也有专款专用的涡轮增压器),所以从成本上看、涡轮增压就更有优势;而涡轮增压器也没有机械增压器那么多附件、体积还小,所以布置起来也极为方便,关键是它的增益效果更大;小排量的机器布置一个机械增压,增益效果、甚至不如损耗多,所以无论从哪个角度去看、现如今机械增压早已没有存在的必要了,它当然有优势、但劣势也多!

机械增压的优势

涡轮增压存在迟滞问题(说迟滞的人多、但真正感受到迟滞的人不多、大都是人云亦云,给油一瞬、速度上不来,通常是变速箱、发动机匹配的问题),也就是说、较低转速下,废气量少、有些推不动涡轮旋转,不过现如今涡轮大都是小惯量的(民用车),基本上都是启动就开转(旋转、不等于起压),迟滞问题得到了一定的遏制,虽然涡轮迟滞不可消除、但如今已经感受不到了,如果非说迟滞严重、给油有突然打鸡血的突兀感,那么恭喜您、赛车都有这个效果😄!

机械增压则没有迟滞问题,因为它是由曲轴直接带动,曲轴转、增压机转,所以只要带上挡位、旁通阀关闭,给油就增压、哪怕只有一百转,所以它不会让大神们感到迟滞(说机械增压好的大神超多、开过机械增压的不足百分之一),而起步就增压、可以在极低转速下、提高歧管压力(歧管压力与扭矩成正比),所以低转速扭矩表现超级好,属于低转速取向的自然吸气发动机,平顺、还有劲;至于燃油经济性方面就别提了,发动机一百多转、就开始增压,进气量增大、喷油量增加,可这个转速下发动机效率极低,发动机效率低、还可劲的增压、喷油,燃油经济性能好么?而涡轮增压发动机扭矩平原往往设置在1500-3500转这个区间、至少在发动机较高效的区间内!
所以机械增压的燃油经济性并不好,不过考虑那些配备机械增压的车子,不是大排量、就是小排量双增压(机械、涡轮增压),都不是便宜的玩意,这些车的买主恐怕也不在意燃油经济性;除此之外,机械增压器还拥有终身免保养的优势,比如它润滑油密封在齿轮箱中,完全不必去更换、也不会轻易损坏(它的润滑油市面上几乎找不到),不像涡轮增压器相对娇气些,比如对机油有要求、比如需要避免长时间原地怠速等等;相比较之下、机械增压装置更稳定、简便,不过有一点、机械增压器一旦损坏,换一个价格超高!

那么机械增压为何逐渐没落?

此文写到这,相信各位朋友都了解了涡轮、机械增压都是咋回事了,那么重点来了,机械增压为什么逐渐淘汰?下面鄙人模拟几个应用场景来说明这个问题。。。

大排量机器配机械增压:当然这已经不在买菜车范畴了,大排量机器配机械增压可以,但潜力太低,既然是大排量机器、那么就得在数据上好看一些,比如某车5.0L排量,配备了机械增压,结果一看还不如3.8T的涡轮增压,甚至不如3.0tt的双涡轮增压,既然这样、费力不讨好的研发大排量机型干什么?不就是要数据上的体现么?5.0L机械增压不如3.8T功率上表现好,那么要机械增压干什么?小排量机器配机械增压:拿买菜机2.0L来举个例子,2.0L配备机械增压可以,但增益有些太小了,原机160PS、配备机械增压器后,马力达到180PS,专门开发、花费成本极大,所以该车售价也很高,而隔壁竞品只给2.0L撞上了一颗小涡轮,马力轻松突破二百、甚至三百匹以上,而成本更低、售价更低,虽然低转速扭矩不如机械增压,数据好、消费者看上去更满足对吧?机械增压提高的功率小,但释放得却提前,超低转速下、发动机效率很低,而这时候它可劲增压、多烧油,等转速上去了、发动机效率提高了,它又疲软了,完全就是变相增加油耗,的确让您起步更爽、但爽的代价就是发动机低效率下的多喷油!

小排量机器配双增压:这个配置就完美了,机械增压负责低转速区间、避免迟滞,等转速上来了、废气足量了、推的动大号涡轮了,由涡轮增压负责运转,这么做2.0L机器同样可以获得超高的马力;可话说回来,配备这样发动机的车子,谁会买?追求经济性的肯定不会买这么辆车、追求性能的又看不上它,它应该布局在什么样的车型上?貌似早期的尚酷有一款双增压车型,功率只有138Kw,放在现在来看很一般;当然不否认一些超跑、存在双增压的设计,但终究是少数,不如双涡轮来的直接;而放到民用车上,它的高成本、燃油经济性都成问题!所以随着涡轮增压技术的不断完善,机械增压逐渐没落,彻底消失不存在(最早是用于锅炉上的装置)、因为它本身就很古老、应用领域颇多;当年机械增压应用的也不多,大都是一些大排量、高端车型;而现如今的排放、油耗规则越来越严苛,大排量机器都成奢望,哪里还有机械增压的使用场景呢?大排量用机械增压、数据还能勉强看,但终究没有涡轮增压好看;小排量用机械增压呢?增益太小、数据太难看,而且成本提高;所以过去涡轮增压技术不成熟,机械增压有生存的机会、而现在涡轮增压技术成熟了(补充一点,如上图所示的V型发动机,机械增压器恰好可以布置在V型夹角中、方便布局)。。。


非专业车评


总体来说,目前汽车发动机的增压形式主要有以下几种:涡轮增压、机械增压、电动增压、混合增压等几种方式,从汽车发动机技术发展进化进程来看,这几种增压的自身都有不完善和无法解决的问题,不过随着涡轮增压的润滑和散热问题问题被攻克以后,适者生存,不适者淘汰,目前,涡轮增压方案逐渐称为主角!

下面分别简单介绍一下各个增压方案的优缺点:

电动涡轮受限于原理,转速有限,增压效果差

电动涡轮使用电力驱动电动机旋转,成本低廉,看起来是一个很好的方案,但是,电动机目前最高的转速只有20000转左右,和涡轮增压器的20万转相比相去甚远,因此,电动涡轮目前最大的应用多是作为发动机低转速区间的涡轮增压的补充。

实际上,受限于汽车电压,电动涡轮增压器如果想要达到20000转的极限速度,其电流就会非常高,这对于汽车发动机以及电路是非常大的负荷,此外,当电动机持续工作在20000转极限速度时,磨损增大,使用寿命也会大大降低。而采用48V驱动的奥迪研发的电动涡轮最高也只能达到70000转。

正因为以上几种原因,电动涡轮增压器目前还不可能有太大的发展,不过也许未来是一个趋势,但是未来的汽车是否还会采用燃油发动机驱动就不得而知了。

机械增压受限于排量和成本不能大面积普及

机械增压的动力来自于曲轴带动,由于家用发动机最高的转速只有6000转,而实际上的工作转速只有2000转左右,因此,机械增压器的最大转速并不高 一般可以达到发动机转速的几倍左右,所以,机械增压器的增压值最大也不超过1.5bar。当发动机转速增高以后,进气需求越来越大,相对低一些的增压值对于提升进气压力作用越来越小。

此外,机械增压器的转动也要消耗一部分曲轴的动力,总体来说,一般会安装在相对大一些排量的发动机上,小排量发动机无法使用,这些缺点目前无法被攻克,自然销量也上不去,销量上不去,专利分摊费用就会很高,导致机械增压器的成本居高不下。自然也就无法大范围推广。

涡轮增压适应面广,增压效果强

涡轮增压器的动力来自于发动机尾气推动,这基本上就属于废物利用,涡轮的转速在发动机尾气的推动下可以达到恐怖的20万转/分钟,因此,涡轮增压器的增压值早已突破2Bar甚至可以达到恐怖的4Bar,涡轮增压值不断的升高,满足了发动机发动机在高转速时的进气量需求。涡轮增压器自从使用了全浮动轴承以后,基本上解决了润滑和散热问题,再加上小惯量涡轮的采用,使发动机在低转速排出的尾气量就可以吹动涡轮达到临界正压转速,大大降低了涡轮迟滞现象,这就为涡轮增压的普及打通了最后一个障碍。涡轮增压发动机迅速增多,又使得涡轮增压器的成本迅速下降。

涡轮增压器体积小,安装简便,为了进一步增加涡轮增压发动机的动力响应性,还可以采用多个涡轮增压协同工作,这使得在发动机在使用比较小的物理排量下获得了比较大的动力输出,一般来说,涡轮增压发动机的性能相当于同等排量自然吸气发动机的40%甚至更多。举例来说,一台2.0T排量的涡轮增压发动机甚至可以达到甚至超过3.0L自然吸气发动机的动力输出。成本低、方案灵活,使涡轮增压发动机迅速大范围的普及。

到底哪种方案才是未来?

可以预见的是,随车汽车技术的不断发展,涡轮增压技术也会不断的完善,随着48v轻混技术的发展,电动涡轮技术也逐渐会更加成熟,未来很有可能是多种增压方式混合使用,比如低转速使用电动涡轮,中高转速使用涡轮增压。

当然,也许电动汽车才是未来,到那时候,增压技术的确就没有什么用处了。


众口说车


汽车发动机增压形式主流的只有两种,涡轮增压成为主角是因为不消耗发动机功率。

发动机增压器有三种,分别为:废气涡轮增压、机械增压、电涡轮增压,其特点大致如下。

1:电涡轮增压器只适合作为辅助涡轮,因为转速低则电耗低、转速高则电耗高。而汽车的供电系统为启动后由发动机带动发电机供电,发电机的功率越大发动机的运行负荷越大则油耗越高,需要足够大的发电量还需要发动机以高转速运转。而低转速时的发电量很低,涡轮无法实现高转速,那么低转速涡轮压缩空气的能力会很低,对于动力的提升效果也就会很一般了。

所以电涡轮一般会配合废气涡轮增压使用,比如F1方程式赛车的V6发动机就是这种组合;不过对于不追求极限性能的代步车而言,这种增压结构是有些多余了,动力够用就好,没有必要增加电耗以浪费燃油。

2:机械增压器必然会被淘汰,因为这种增压器的动力来自发动机曲轴,通过皮带将增压器与曲轴连接,曲轴旋转则增压器运转。而增压器运转必然要消耗能量,对于发动机而言就是功率,虽然增压器能有效压缩空气以实现富氧燃烧状态以提升动力,但是动力提升的真实程度为【燃烧提升动力-增压器消耗功率】,实际效果比较一般。其消耗功率基本与汽车空调压缩机相当,使用机械增压发动机油耗会比同排量涡轮增压发动机高2~3L/100km。

而且机械增压器的转速完全依靠发动机转速提升,普通的代步型发动机转速能达到6000转就算高转机,机械增压器的转速即使倍数级升高也不会有很高的转速。所以机械增压对动力的提升是很有限的,且提升性能是建立在大幅升高油耗的基础上实现,这与节油减排背道而驰了。

3:废气涡轮增压必然会成为主流,因为这种增压器的动力来自发动机的排气;内燃式发动机运行的步骤为进气、压缩、爆燃、排气,不论有没有涡轮增压器发动机都要排气,而且排气的压力会相当大,且转速越高压力越大。那么涡轮增压发动机利用发动机排出的高压废气作为动力,以气体驱动废气涡轮、涡轮带动叶轮同速旋转,这叫做【废物利用】;增压没有多余消耗发动机的任何动力(油和电),所以废气涡轮增压对于动力的提升是在不增加油耗的基础上实现,这点是绝对优势。

其次为废气涡轮增压的高压可以让涡轮实现超高转速,普通涡轮也会轻松达到几万转,性能车或赛车的涡轮能达到10万转左右;超高转速带来了超高的压缩能力,空气被更大程度的压缩能提高单位体积中的氧含量浓度,氧浓度越高燃油燃烧后氧分子运动的状态越强烈,动力也就会越强。

再次为废气涡轮增压在怠速时并不运转,怠速氧含量不提升则燃烧温度温度会低一些,发动机的压力也会小得多;而机械增压和电涡轮只要怠速运转增压器就会运转,怠速时发动机的运行负荷也会更大。有此三点优势,涡轮增压必然会成为主角,因为优点确实太多了,然而在增压器技术已经成熟的今天,自然吸气发动机的存在也是个错误,无非是制造成本低所以还有些低端车使用罢了,当然最终都会转向恒扭矩超高转速无需增压的电动机。




天和Auto


汽车的增压形式有很多,为何只有涡轮增压成为主角?

汽车的增压方式主要有以下三种:

1,机械增压,

2,气波增压,

3,涡轮增压,

我们先说下前面两种增压方式的弊端就会明白为什么不会成为主角。

机械增压成本高。机械增压需要曲轴提供额外的动力来驱动机械增压器,油耗会增加。由于机械增压的增压效率极高,导致发动机的热负荷过大,需要增加冷却系统的成本,售价过高,没人买。

气波增压的噪音大。气波增压是利用排气冲程对废气的冲击力,使废气形成一定频率的气动波,会产生刺耳的噪音,难以推广。

涡轮增压的优势

1,同样排量下,动力水平更高。

2,提高燃油经济性,降低尾气排放。

总结,涡轮增压更加符合市场和政策的要求,所有成为了主角。


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