汽車發動機的增壓技術,你是不是知道“T”?


什麼是增壓?

首先增壓是發動機的一種進氣方式。發動機進氣形式的不同,發動機的特點也不同,常見進氣方式有以下三種:

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第一:自然吸氣

在不通過任何增壓器的情況下,利用大氣壓的作用將空氣壓入燃燒室,從而為車輛提供動力支持。自然吸氣發動機的結構比較簡單。

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自然吸氣優點

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這些優點都是增壓車型發展到今天依然沒有超越的。如今渦輪增壓車型已經很普及了,就算是曾經一直堅持用自然吸氣的本田也開始全系普及渦輪增壓發動機,因為市場需求的存在,目前大多數汽車品牌還是保留了自然吸氣車型。

自然吸氣缺點

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對於中低檔車或是家用車而言,使用自然吸氣發動機運轉的更加平穩,怠速區域平順,不僅乘坐感較為舒適,而且保養也相對便宜,耐用性較高。

此外,像北上廣深等地區交通擁堵嚴重的情況下,經常會出現走走停停的行車工況。這種開車環境下是自然吸氣車型比較合適的。

但是買車如果只是喜歡速度與激情,追求動力,或者需要經常跑高速那肯定是一臺帶“T”的車型才適合你。因為高速是最能看出渦輪優勢的地方,渦輪增壓需要達到較高的速度才能有渦輪的介入,上了高速以後,同排量的自然吸氣車型到了一定速度再加速會顯得較為吃力,但渦輪增壓車型到了一定速度時,渦輪這時候完全介入了,本領自然就發揮出來了。


第二:渦輪增壓

渦輪增壓發動機是指利用廢棄衝擊渦輪來壓縮進氣的增壓發動機,簡稱Turbo或T。一般轎車尾部如果有Turbo或T,就表明該車採用渦輪增壓發動機了。

它是利用發動機排出的廢氣慣性衝力來推動渦輪室內的渦輪,渦輪又帶動同軸的葉輪,葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣,使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快,廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快,葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸,空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料,相應增加燃料量就可以增加發動機的輸出功率。

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在發動機的整個燃燒過程中,發動機的能量流動如下:

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以功率200千瓦的發動機舉例,如果按照1/3的比例計算,發動機在排氣上的消耗的動力大約會有70千瓦。這部分功率有一大部分隨著高溫的廢氣以熱能的形式消耗掉,而廢氣本身的動能可能只有十幾千瓦。因此用廢氣渦輪驅動空氣所帶來的增壓效果非常可觀。

渦輪增壓器的最大優點是能在不加大發動機排量就能較大幅度地提高發動機的功率及扭力,一般而言,加裝增壓器後的發動機的功率及扭矩要增大20%—30%。渦輪增壓器的缺點是滯後,即由於葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩,使發動機延遲增加或減少輸出功率,即常常提到的“渦輪遲滯”,這點對於要突然加速或超車的汽車而言尤為明顯。

渦輪增壓優點

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渦輪增壓缺點

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雖然發動機全負荷狀態下時排氣能量非常可觀,但當發動機轉速較低時,排氣能量卻小的可憐,此時渦輪增壓器就會由於驅動力不足而無法達到工作轉速,這樣造成的結果就是,在低轉速時,渦輪增壓器並不能發揮作用,這時候渦輪增壓發動機的動力表現甚至會小於一臺同排量的自然吸氣發動機。

渦輪從無法驅動到正常啟動的這段時間差是常說的“渦輪遲滯(turbo lag)”。

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一般而言,發動機廢氣越多廢氣壓力也就越大,渦輪轉動的就越快,發動機的增壓作用也就越強烈,發動機的工作就越猛烈;當發動機的工作越猛烈產生的廢氣量就越多,廢氣壓力也越大這就形成了一個“死循環”,如果這樣持續下去就會導致發動機轉速越來越高(飛車現象),最終無法控制而造成發動機的損壞。這就是發動機的“過增壓”。

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那在技術層面是如何解決高轉速區的死循環“過增壓”與低轉速區的“渦輪遲滯”呢?那就是旁通閥式廢氣渦輪增壓與可變截面廢氣渦輪增壓了。

旁通閥式廢氣渦輪增壓

通過加裝廢氣旁通閥。

在高速區,廢棄的一部分不會進入渦輪並直接通過旁通路進入排氣管。此係統在低轉速區不起作用。以此得到發動機的最大功率和最佳壓力。

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旁通閥式廢氣渦輪增壓僅僅在技術上解決了“過增壓”的問題,在低轉速區時,系統不起作用,則“渦輪遲滯”的現象依然存在。

可變截面渦輪增壓

對於傳統的渦輪增壓發動機來說,解決渦輪遲滯現象的一個方法就是使用小尺寸的輕質渦輪。小渦輪會擁有較小的轉動慣量,因此,在發動機較低轉速下渦輪就能達到最佳的工作轉速,從而有效改善渦輪遲滯的現象。

不過當發動機高轉速時,小渦輪由於排氣截面較小,會使排氣阻力增加(產生排氣回壓),因此發動機最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。

而對於產生回壓較小的大渦輪來說,雖然高轉速下可以擁有出色增壓效果,發動機也會擁有更強的動力表現,但是低速下渦輪更難以被驅動,因此渦輪遲滯也會更明顯。

這又陷入了另一個矛盾區域,為解決這個矛盾,讓渦輪增壓發動機在高低轉速下都能保證良好的增壓效果,VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可變截面渦輪增壓技術便應運而生。

在說可變截面渦輪增壓之前需要了解一個可變截面渦輪增壓重要的指標那就是A/R值,是渦輪特性的數值。

A:(面積)葉片渦輪接收廢氣的側入口最窄處的橫截面積

R:(半徑)A(橫截面積)的中心點與渦輪本體中心點的距離

對傳統增壓器而言A/R是一個固定值。那對可變界面渦輪增壓來說變的是葉片角度,A/R是一個可調節的值。

對渦輪增壓器而言同品牌、同型號渦輪A/R值越高,空氣流量越高、容量越大,渦輪在高轉表現會更好;但遲滯現象也會增大。

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VGT技術所實現的截面可變就是指改變A值,不過這種改變並不是葉片形狀的改變,而是在原有渦輪增壓器的排氣端外圍加了一圈通過電子系統控制角度的葉片,發動機的的尾氣通過這些導向葉片作用在渦輪葉片上,推動葉片旋轉。

發動機低轉速時,導流葉片成小角度打開,根據伯努利原理,廢氣的流速會增快,推動渦輪快速的轉動;當葉片角度較小時,排氣入口的橫切面積便會相應減小,因此A值會隨之變化,從而擁有小渦輪響應快的特點;所以廢氣氣流流速是改善渦輪遲滯的關鍵。

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當葉片在發動機較高轉速時,廢氣壓力逐漸變大,導流葉片全開,與主體的渦輪葉片形成一個更大型的葉片,A值隨之變大,這時A/R值變大,將最大的廢氣量接收,達到一般大渦輪的高輸出效果;同時也能有效控制渦輪轉速,如果這時導流片角度不打開,渦輪葉片的轉速就會過高,渦輪輪軸承就有可能會損壞。總而言之,通過改變葉片的角度,VGT系統可隨時改變排氣渦輪的A/R值,把單獨一個渦輪變出一個小渦輪加一個大渦輪的效果。

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在柴油發動機領域,VGT可變截面渦輪增壓技術早已得到了很廣泛的應用。由於汽油發動機的排氣溫度要遠遠高於柴油發動機,達到1000°C左右(柴油發動機為400°C左右),而VGT所使用的硬件材質很難承受如此高溫的環境,因此這項技術也遲遲未能在汽油機上應用。

但是,有錢人的快樂是你想象不到的。保時捷為了解決材料問題,與博格華納聯手,直接採用了航空科技的耐高溫材料。從而成功開發出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發動機,保時捷則將這項技術稱為VTG(Variable Turbine Geometry)可變渦輪葉片技術。

第三:機械增壓

機械增壓器通常採用皮帶與發動機曲軸的皮帶輪相連,利用曲軸的旋轉來帶動機械增壓器內部的葉片轉動,旋轉的葉片將產生的增壓空氣送入進氣歧管內。

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機械增壓又可分為三類:

魯式、雙螺旋式、離心式

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魯式機械增壓:

魯氏機械增壓器是機械增壓家族中最先設計的,早在1860年就被髮明出來並且申請專利了,最先的目的是用於礦井內部通道的通風。1900年首次在汽車發動機中安裝了魯氏機械增壓器。

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魯氏增壓機中有兩個凸緣轉子,它們相互齧合。當主動軸齧合被動軸凸緣旋轉時,凸緣之間產生真空或負壓,由此空氣會被吸入,然後在增壓器進氣口和其排氣口之間傳送。但這種設計的增壓器並不是連續不斷地吸入空氣,而是間歇式的吸入(雖然間歇很短),而且轉子凸緣體笨重,需消耗較多的曲軸扭矩,效率並不高。這類增壓器的壓縮空氣排出壓縮機時會發出轟鳴聲,一般需要安裝降噪裝置以降低噪音。

由於魯式機械增壓器通常體積都比較大,一般安裝在發動機的頂部。因為可以裝在發動機蓋的外面,所以在大馬力的汽車中很受歡迎。不過,卻是效率最低的機械增壓器,原因有兩方面:一方面它重量較大,增加了轎車的重量,另一方面則是隻能間歇地吸入空氣,並不能順暢地連續吸入空氣。

雙螺旋式機械增壓器:

雙螺旋式機械增壓器又被稱為羅茨鼓風機,和魯氏機械增壓器十分相似,雙螺旋式機械增壓器通過兩根類似於一組渦輪傳動的齧合凸緣轉子吸入空氣,增壓器中的空氣也是通過轉子凸緣集中起來吸入的。

和魯氏增壓器不同的是,雙螺旋式機械增壓器會不間斷的壓縮轉子殼體內的空氣,而不會像魯氏增壓器間歇式的吸入空氣。其原因在於這些轉子具有一定錐度,這意味著隨著空氣從增壓器進氣口流向排氣口,氣道會變小。隨著氣道的收縮,空氣便被壓入到更小的空間,使得空氣的壓縮可以連續進行,這樣既提高增壓器的壓縮效率,又使得增壓器不需要造得十分龐大。

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由於轉子凸緣的形制的需要,在製造過程中需要進行精密加工,使得這款增壓器的製造成本上升。與魯氏機械增壓器一樣,雙螺旋是增壓器一般都安裝在發動機的上方,也有部分的會選擇安裝在發動機的一側。因其工作原理與魯氏增壓器十分相似,從排氣口排出的壓縮空氣會和魯氏增壓器一樣會發出轟鳴聲,一般都須使用降噪裝置消除這些聲音。

離心式機械增壓器:

離心式機械增壓器通過利用葉輪的旋轉,將空氣高速吸入狹小的壓縮機殼體。其葉輪的形狀與渦輪增壓器壓縮機的轉子十分相似,它的轉速透過輸入軸變速器的放大,可達每分鐘5-6萬轉。空氣在葉輪輪轂處被吸入,葉輪旋轉產生的離心力會導致空氣向外擴散。這些空氣會使葉輪處於高速低壓狀態。

擴壓器是一組環繞葉輪的固定葉片,它會將高速低壓的空氣轉換成低速高壓的空氣。當空氣分子碰到這些葉片時,會減慢速度,從而降低氣流速度以及增加壓力。和任何離心式增壓器一樣,在發動機低轉速的時候提供很小範圍的增壓來輔助發動機進行工作,並且在發動機減速的時候,空氣會旁通。在發動機的任何工作速度下都能提供有效地增壓值。

離心式實際上在低轉速區間不能和魯氏、雙螺旋式機械增壓器一樣供給足夠的氧氣去提供燃燒,所以離心式機械增壓器被考慮用在大排量的發動機上,而且在啟動階段不需要過多的強制進氣的發動機進行匹配,這樣也可以避免了輪胎在發動機啟動階段的打滑。

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機械增壓優點

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機械增壓缺點

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相比於機械增壓的優點而言,機械增壓的缺點是不是就沒那麼明顯了?明顯渦輪增壓的缺點比機械增壓的缺點更大。實際市場情況呢?

機械增壓的製造受制於葉片的設計和整體的強度,除了驅動齒輪之外,所有零部件都需要高強度合金造成,成本非常高,現在市面主要是奧迪、捷豹、路虎的車型上有使用機械增壓。

不僅僅製造成本高,機械增壓因為其結構原因,在高速運轉時會產生大量摩擦,噪音和震動會比渦輪或者自然吸氣車型大,所以同時還要兼顧隔音和震動方面的處理,在NVH方面就要下更多的功夫。

同時在發動機高負荷運轉時會消耗較多動力,這樣到了高轉速反而會“拖累”發動機。

歸於製造成本、機械增壓的本身特性、噪音震動等原因,註定機械增壓並不適用於大部分普通家用車,只適合為大排量、性能車加持動力,而普通老百姓只能玩玩渦輪了。

以上只是發動機的三種進氣方式,自然吸氣、渦輪增壓、機械增壓。

但是你一定還聽過另一個詞:雙增壓

雙增壓技術常見有兩種:

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  • 二級增壓系統

對要求升功率較大的柴油機,需要採用高壓比增壓系統,某些特種發動機需要達到的壓比(壓氣機的出口總壓與進口總壓之比)甚至要達到6以上。於是就引進了二級可調增壓技術。在實際使用中,雙渦輪增壓發動機通常都裝備在直列6缸或V型等排量較大的發動機上。

二級可調增壓技術即在一臺發動機上安裝兩臺渦輪增壓器。

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高壓級增壓器為一個小增壓器,低壓級增壓器為一個大增壓器。

廢氣流量分配閥能夠對低壓級和高壓級增壓器渦輪級的流量進行分配。在柴油機的低轉速工況,廢氣流量分配閥把廢氣全部分給較小的低壓級增壓器,二級增壓器的渦輪級處於串聯工作狀態。

在柴油機中高轉速工況,廢氣流量分配閥開啟,把一部分廢氣分給低壓級渦輪,隨著廢氣流量的增加,分配給低壓級的廢氣流量加大,在這種工況下低壓、高壓二級增壓器的渦輪機處於並聯工作狀態。二級增壓器的壓氣機不論在柴油機的低速區還是高速區始終處於串聯工作狀態。

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二級增壓系統優點

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二級增壓系統缺點

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  • 複合式雙增壓渦輪系統


前文說到渦輪增壓器在低轉速時有遲滯現象,但高速時增壓值大,發動機動力提升明顯,而且基本不消耗發動機的動力;而機械增壓器,是發動機運轉直接驅動渦輪,沒有渦輪增壓的遲滯,但是是損耗部分動力、增壓值較低。

複合式雙增壓發動機就是把機械增壓器與渦輪增壓器結合在一起。將機械增壓器安裝到發動機進氣系統上,渦輪增壓器安裝在排氣系統上,從而保證發動機在低速、中速和高速時都能有較好的增壓效果。

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混合式增壓發動機在大功率柴油機上採用比較多,汽油機上採用雙增壓系統(複合增壓系統)的車型較少,大眾的1.4 TSI發動機採用了了這一系統。該款發動機兼顧了低速扭力輸出和高速功率輸出。在低轉速時,由機械增壓提供大部分的增壓壓力,在1500rpm時,兩個增壓器同時提供增壓壓力。

隨著轉速的提高,渦輪增壓器能使發動機獲得更大的功率,與此同時,機械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機械增壓通過電磁離合器控制,它與水泵集合在一起。在轉速超過3500rpm時,由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力,此時機械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發動機分離,防止消耗發動機功率)其發動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小,但是由於其結構太複雜,技術含量高,維修保養不容易,因此也很難普及。

雙增壓系統,其實遠不止常見的已經投入使用的二級增壓與複合式增壓兩種。還有電輔助+渦輪增壓系統、基於VGT二級渦輪可調增壓系統。而主流的研究方向也是電輔助+渦輪增壓系統(又分為電驅動壓氣機增壓器、電動渦輪增壓器)就不再細說了。


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