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深度技術(shù):渦輪增壓PK機(jī)械增壓,知識大普及

 AND_AL 2016-02-01

 

導(dǎo)讀:增壓技術(shù)在發(fā)動機(jī)小型化和節(jié)能減排的進(jìn)程中發(fā)揮著巨大的作用,現(xiàn)在常見的主要是廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓,它們的PK誰更強?


為了滿足由于發(fā)動機(jī)小型化帶來的轉(zhuǎn)矩和功率不足等問題,成熟的渦輪增壓技術(shù)逐步成為各個整車廠的技術(shù)之路。對于發(fā)動機(jī)增壓技術(shù),現(xiàn)在常見的主要是廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓技術(shù),也有雙增壓的應(yīng)用,還有廠商推出了三級增壓,增壓技術(shù)正在不斷進(jìn)步。


主要的增壓技術(shù)

1
廢氣渦輪增壓


廢氣渦輪增壓技術(shù)是利用廢氣的能量驅(qū)動渦輪增壓器的渦輪,帶動在進(jìn)氣端的壓葉輪壓縮進(jìn)氣,可以獲得較高的進(jìn)氣歧管壓力,這樣發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣門開啟期間,可以獲得更高密度和更大流量的新鮮空氣,以提高發(fā)動機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩。同時,發(fā)動機(jī)都會在增壓器壓端出口后管道加裝一個中冷器,用來降低被壓縮空氣溫度,以進(jìn)一步提高空氣密度,同時改善發(fā)動機(jī)燃燒,降低排放和油耗。


廢氣渦輪增壓器及其工作原理


2
機(jī)械增壓


機(jī)械增壓是通過皮帶由曲軸帶輪驅(qū)動進(jìn)行空氣壓縮,以獲得更高密度的氣體,進(jìn)一步獲得更高的功率。機(jī)械增壓一般和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有一個固定的傳動比,帶來最大的一個好處就是在任何工況下都能提供即時的增壓響應(yīng),完全不依賴于排氣溫度和壓力,在任何情況下都沒有任何增壓延遲,這將使得機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)具有對應(yīng)油門的極佳的瞬態(tài)響應(yīng)和車輛的極佳的駕駛性能。

機(jī)械增壓器的結(jié)構(gòu)及其工作原理


3
雙增壓


也有發(fā)動機(jī)同時利用廢氣和機(jī)械增壓技術(shù),如大眾1.4 L雙增壓發(fā)動機(jī),其下面部分屬于廢氣渦輪增壓結(jié)構(gòu),上面部分則是機(jī)械增壓。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低速運轉(zhuǎn)時,由于廢氣能量較少,則利用機(jī)械增加獲得較高的低速轉(zhuǎn)矩和加速性能,在發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)時,機(jī)械增壓機(jī)構(gòu)脫離,完全利用廢氣驅(qū)動廢氣渦輪增壓器,獲得較好的高速性能,并降低油耗。

大眾1.4 L混合增壓發(fā)動機(jī)原理


渦輪增壓的優(yōu)勢


1

30%以上的功率提升


廢氣渦輪增壓器能夠使發(fā)動機(jī)比較容易獲得30%甚至更高的功率提升,同時使發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)矩點的轉(zhuǎn)速降低到2 000 r/min以下,甚至可能達(dá)到1 500 r/min。這樣就使小排量的增壓發(fā)動機(jī)輕易達(dá)到更大排量發(fā)動機(jī)的性能,滿足整車使用要求。


2

10%-15%的節(jié)油效果


對于增壓發(fā)動機(jī),雖然由于泵氣損失,相對于相似功率的發(fā)動機(jī),似乎油耗偏高,但是由于其良好的低速轉(zhuǎn)矩,匹配合適的傳動比,能使發(fā)動機(jī)運行大部分工況靠近最低油耗區(qū),從而獲得10%-15%的節(jié)油效果。


3

補償發(fā)動機(jī)高原功率損失


增壓器的使用可以補償發(fā)動機(jī)高原功率損失。高原地區(qū)空氣稀薄,大氣壓偏低,自然吸氣發(fā)動機(jī)因此而進(jìn)氣量減少,導(dǎo)致動力下降。若采用廢氣渦輪增壓器,情況則大為不同。廢氣渦輪增壓器在海平面高速全負(fù)荷時會打開放氣閥,泄掉廢氣不做功,而裝配了增壓發(fā)動機(jī)的整車在高原行駛時,發(fā)動機(jī)ETK會根據(jù)情況減小或關(guān)閉增壓器廢氣旁通閥,以獲得更高的壓縮比,使得發(fā)動機(jī)進(jìn)氣岐管的絕對壓力達(dá)到與海平面行駛時相似或略低的水平,達(dá)到功率不降或只是略微降低的效果。這就是人們常說的“增壓器的高原補償”。


4

提升整車操縱性能


由于增壓器提升了發(fā)動機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩,使得整車在低速時有較高的儲備轉(zhuǎn)矩,這樣能獲得較好的加速性能,從而使用戶體驗到良好的整車操縱性能。

需要說明的是,由于機(jī)械增壓消耗的是發(fā)動機(jī)的輸出功率,而廢氣渦輪增壓則合理利用了發(fā)動機(jī)廢氣能量,即使會由于排氣端背壓略高,導(dǎo)致部分復(fù)合泵氣損失略為增加,但也比機(jī)械增壓綜合油耗降低10%以上。另外,為了滿足發(fā)動機(jī)瞬態(tài)加速性能和較高的低速轉(zhuǎn)矩,廢氣渦輪器渦輪和壓輪越來越小,轉(zhuǎn)動慣性也隨之更小,或者采用雙流道,可變截面渦端技術(shù),性能更加優(yōu)越,使得廢氣渦輪增壓技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。


機(jī)械增壓的優(yōu)勢



1
瞬態(tài)響應(yīng)的比較


從瞬態(tài)響應(yīng)上來比較,機(jī)械增壓具有渦輪增壓無可比擬的優(yōu)勢。從瞬態(tài)響應(yīng)圖中可以看出,在中、低速超車工況,機(jī)械增壓在0.5 s以內(nèi)就可以建立90%的絕對壓力,而渦輪增壓要用5 s才能達(dá)到相同的壓力,這種增壓的延遲足以對整車的駕駛感操控感產(chǎn)生很大影響。

兩種增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)比較


2
油耗的比較


渦輪增壓器利用廢氣能量并非“免費的午餐”。渦輪排氣能量主要來源于排氣背壓的升高。排氣背壓的升高也會使發(fā)動機(jī)泵氣損失增大,從而消耗部分發(fā)動機(jī)功率。而機(jī)械增壓系統(tǒng)不提高排氣阻力,在整個轉(zhuǎn)速范圍外特性工況進(jìn)氣壓力大于排氣壓力,這個壓力差對活塞做正功。

另外,得益于機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)即時的瞬態(tài)響應(yīng)和優(yōu)秀的低速扭矩,可以在發(fā)動機(jī)小型化的同時支持低速化。低速化降低了發(fā)動機(jī)的摩擦功,可有效降低整車油耗。一般規(guī)律,在同樣的車速時,發(fā)動機(jī)運行轉(zhuǎn)速降低300轉(zhuǎn),可使整車油耗降低5%,發(fā)動機(jī)運行轉(zhuǎn)速降低900轉(zhuǎn),可使整車油耗降低10%。

發(fā)動機(jī)運行轉(zhuǎn)速降低900轉(zhuǎn)可使整車油耗降低10%



3
可靠性和耐久性


機(jī)械增壓器是自潤滑的機(jī)械裝置,無需與發(fā)動機(jī)的油路進(jìn)行連接;機(jī)械增壓器也不會產(chǎn)生極端的高溫,不需與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)連接提供額外冷卻。因此,機(jī)械增壓器比渦輪增壓器有先天的可靠耐久性優(yōu)勢,在整車應(yīng)用中也已證明了機(jī)械增壓器和發(fā)動機(jī)具有同壽命的耐久性,與此同時,機(jī)械增壓器系統(tǒng)周邊零件少,成本更低。

機(jī)械增壓器系統(tǒng)簡單



4
其他方面的優(yōu)勢


機(jī)械增壓系統(tǒng)不從排氣汲取能量,使發(fā)動機(jī)冷啟動工況三元催化器很快達(dá)到起燃溫度。同時得益于更好的燃燒室掃氣,使發(fā)動機(jī)可以適當(dāng)提高壓縮比或增大點火提前角。另外,不依賴于排氣能量,使得機(jī)械增壓器在Miller循環(huán)或Atkinson循環(huán)發(fā)動機(jī)及上也會更為適用。此外,機(jī)械增壓器還能夠允許 EGR 進(jìn)入增壓器進(jìn)氣端,對汽油機(jī)或柴油機(jī)都能提供EGR泵的功能,而渦輪增壓器一般不能允許EGR進(jìn)入進(jìn)氣端。


應(yīng)對挑戰(zhàn)不斷創(chuàng)新


渦輪增壓和機(jī)械增壓各有優(yōu)勢,各位專家也各有見解。終端客戶對汽車的要求越來越高,對舒適性、駕駛性、油耗、耐久性以及各種不同的駕駛環(huán)境的適應(yīng)能力等,加上法規(guī)對排放和油耗越來越嚴(yán)格的要求,不斷驅(qū)動著增壓技術(shù)的進(jìn)步。期待它們都有更加出色的性能表現(xiàn)!(來源:AI汽車網(wǎng))


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