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涡轮增压浅析

增压器的由来自然吸气发动机从来都没有吃饱过大家都知道F1比赛是全球最高规格的赛事,目前使用的是2.4升V8自然吸气引擎。不过其实早在1977年,雷诺车队就引入了涡轮增压引擎,F1从此出现了涡轮增压式与自然进气式发动机并存争霸的局面,后因涡轮增压马力太大,被国际汽联在1989年停用,以自然吸气引擎取代。以上例子就是最对增压发动机最直接的理解,其作用就是增加马力。我们知道汽车发动机需要将空气吸到气缸里面,压缩后燃烧,但问题是发动机真能吸满一气缸的新鲜空气吗?事实上是不可能的。首先是空气滤清器的阻力。发动机的空气滤清器就好比我们戴上一个口罩,呼吸的时候自然难受了不少,吸入的空气自然也没有那么多了。此外就是油门。所谓的油门就是横在进气管的一块板,这块板被称为“节气门”板张开的角度越大,允许通过的空气就越多。不过由于这块“板”本身就占据了进气管的一定面积,因此即使开度再大也有不少损失。所有这些因素加起来导致发动机能够吸入空气的实际比例只有气缸实际容量的7-8成,也就是说自然吸气发动机一直都没有吃饱。汽油机对油门的控制是通过“节气门”控制进入发动机的空气量,从而控制发动机功率输出的。由于这个“节气门”增加了进气阻力而且产生了负压,让发动机始终不能吸饱氧气,同时还因为吸气阻力而消耗了一部分功率。因为自然吸气发动机一直不能吃饱,所以增压也就很自然地被工程师想到用来挖掘发动机的潜力。从这个角度上来说,增压并不是硬往气缸里塞空气,只不过是帮助发动机充分发挥其能力而已。增压有什么好处增压首先的好处就是解决了自然吸气发动机本身固有的缺陷——永远吃不饱。因此,在相同的排量下,增压发动机能够发出更大的功率,满足更多的需要。这是从功率输出的角度上说的。反过来说,就是可以用更小排量,更轻的发动机代替以往更大排量发动机才能做到的工作,由于更小的发动机各种摩擦面积小,重量轻,本身运转起来消耗的能量自然就少,效率也就提高了,完全顺应了当下节能环保的潮流增压的坏处首先由于发动机燃烧压力增大,排气温度高,对缸体结构和耐热材料要求更高。空气被压缩后温度会升高,这是我们一般人都知道的常识。对于增压发动机来说,被加压的空气温度会急升70-100度,被燃烧后的排放温度也会更高,高温导致机件失效和耐用性急剧下降,早期材料则难以解决这个问题。此次是噪音,增压器都有高速转动的转子。转子速度从几千到十几万都有,高速转动的转子会产生很大的噪音。废气的能量发动机在燃烧后的混合气体叫做废气,不过这个废气其实其实还是蕴藏很大能量的。正常发动全负荷工作时的排气温度大概在750-900摄氏度。排气压力视乎发动机的工作状态而定,但往往具有数倍的的大气压力值。这些废气在排气门打开的瞬间,流速可以达到500-700m/s,这个动能是相当大的,不利用可就浪费了。涡轮增压器 原理很简单 工艺极复杂一,发动机排出的废气,推动涡轮排气端的涡轮叶轮(Turbine Wheel),并使之旋转。由此便能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮(Turbine Wheel) 也同时转动。二,压气机叶轮把空气从进风口强制吸进,并经叶片的旋转压缩后,再进入管径越来越小的压缩通道作二次压缩,这些经压缩的空气被注入汽缸内燃烧。三,有的发动机设有中冷器,以此降低被压缩空气的温度、提高密度,防止发动机产生爆震。四,被压缩(并被冷却后)的空气经进气管进入汽缸,参与燃烧做功。五,燃烧后的废气从排气管排出,进入涡轮,再重复以上(一)的动作。

涡轮的作用是将废气的动能转化为转轴的高速旋转,叶轮的作用是对空气进行压缩,因此两者的形状是完全不同的的,气流的运动方向也完全不一致。由于涡轮承受的是发动机高温高压的废气,所以对材料的要求极高。涡轮增压真的有“迟滞”吗“涡轮迟滞”曾经是最为用户诟病的缺点。所谓的迟滞是我们踩下油门踏板那一刻,到发动机输出相应功率所需要的时间。实际上所有的发动机都会存在这个迟滞,只是多少而已。因为如果您仔细感觉的话,都可以感觉出来。我们在踩下油门踏板的瞬间,发动机需要吸入更多的空气、调整喷油量,这些都需要时间。因为早期的涡轮增压发动机在“迟滞”方面表现突出,因为被广为认知。那么涡轮的迟滞是从哪里来的呢?一是涡轮转动的惯性、要将其加速需要时间;二是转轴和轴承之间的摩擦;最后就是因为叶轮搅动空气所形成的阻力了。在这三个因素里,叶轮搅动空气所产生的阻力是最为主要的。正是因为整个涡轮转子的转速提升需要时间,叶轮越大,增压值越大,所需要的加速时间就越长,形成的“迟滞”就越明显。改善涡轮迟滞的方法有很多,一方面可以借助直喷技术,间接提升低速时的扭矩特性,从而使发动机转速快速上升,增加废气能量推动涡轮,减少涡轮迟滞。另一方面,可以通过减少增压值,减少整个涡轮转子的尺寸和重量,一方面可以减少惯性和摩擦,更为重要的是减少了叶轮阻力。

早期的涡轮增压发动机由于没有直喷的帮助,加上为了追求性能而采用高增压大涡轮,迟滞现象相当明显。现在的涡轮增压发动机普遍采用直喷技术,另外采用低增压技术,涡轮迟滞现象已经得到很大改善,在日常普通驾驶几乎难以察觉,唯有在急加速时方能有所察觉,但这种迟滞现象和自然吸气发动机在加速时的动力提升缓慢又有多大区别呢?(除非你开大排量自然吸气)目前的低增压直喷涡轮发动机的“迟滞”现象根本不能和早期的高增压发动机相比,只不过由于迟滞的说法已经存在多年,先入为主而已。涡轮介入的说法准确吗我们经常会在听到“涡轮介入”的说法,例如大众1.8T发动机在1500转的时候能够达到最大扭矩250牛米,通常的说法是“涡轮在1500转的时候介入”。事实上这一说法并不准确。其实只要涡轮达到一定转速,叶轮产生的进气压力高于自然吸气时的压力,就可以说涡轮介入工作了,而1500转则是达到了最大的增压压力状态,我们可以称为涡轮全开。因此,涡轮介入工作的时间远远比我们看到的最大扭矩出现的时间要早,但具体在什么转速开始介入则要视乎不同的发动机而定。

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2013-07-12

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