|
看過《頭文字D》的朋友都會被其中藤原拓海駕駛買菜神車在秋名山五連發(fā)卡彎道暴虐戰(zhàn)神GT-R的鏡頭深深的吸引。其實片中的AE86的4AGE-U引擎原本是用在AE101上的TRD比賽用引擎，通過調(diào)校以及配件的強(qiáng)化，增加進(jìn)氣機(jī)械增壓最終達(dá)到250Ps。還有它的車身重量，僅有925公斤。對比R32 GT-R雖然采用直列六缸廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)，最大馬力280Ps（當(dāng)時日本限制的最高馬力）。雖然車身重是漂移失敗的一個原因，其實在多彎道漂移比賽中AE86的機(jī)械增壓比GT-R的渦輪增壓也是有很明顯的優(yōu)勢。那么不同的進(jìn)氣增壓對發(fā)動機(jī)動力輸出究竟有什么影響？侃弟今天就給大家把汽車上常見的四種進(jìn)氣增壓類型給大家剖析下。
早在1915年，瑞士工程師就制造出了原型航空器發(fā)動機(jī)增壓器，利用發(fā)動機(jī)廢氣驅(qū)動，主要目的是用來克服高海拔稀薄空氣對動力的負(fù)面影響。在1919年，通用電氣(GE)制造的增壓器將飛行器升到了一萬米高空，當(dāng)時的人們還沒有完全認(rèn)識到增壓器的潛力。到1938年第一款帶增壓的卡車發(fā)動機(jī)面市。到了1961年，小轎車才開始試探性地安裝增壓器。但是由于渦輪增壓會使進(jìn)氣的溫度增加，使排氣中的有害物氮氧化合物上升，所以被暫時限制，直到最近的十多年隨著電控技術(shù)不斷進(jìn)步，渦輪增壓的技術(shù)才普及到家用轎車，同時研制出了更多的增壓類型，如常見渦輪增壓，機(jī)械增壓，復(fù)合增壓，進(jìn)氣諧波增壓。
所謂進(jìn)氣增壓，就是增加進(jìn)氣單位容積的壓力，配合中冷器的降溫處理，從而加大進(jìn)氣質(zhì)量，目的是提高發(fā)動機(jī)的功率，和改善燃油的經(jīng)濟(jì)性。 ▌ 衡量進(jìn)氣增壓有兩個非常重要的參數(shù)： （1） 增壓度———增壓前與增壓后的內(nèi)燃機(jī)功率之比。 （2） 增壓比———增壓器后與增壓器前的空氣壓力之比（低增壓：<1.7bar中增壓：1.7-2.6 bar 高增壓：2.6-3.5bar 超級增壓：>3.5bar） ▌ 中冷器： 說到進(jìn)氣增壓就必須說一說中冷器。當(dāng)進(jìn)氣壓力增加，進(jìn)氣溫度就會升高（與打氣筒原理相同）。所以進(jìn)氣密度也會下降，進(jìn)氣的效率反而會降低，高的進(jìn)氣溫度也會使燃燒室溫度增加，從而使排氣中的有害物質(zhì)氮氧化合物增加（氮氧化合物是形成酸雨的主要來源），所以為了提升進(jìn)氣效率，就必須降低增壓空氣的溫度。因此發(fā)明中冷器，用來降低進(jìn)氣溫度。
1、渦輪增壓 渦輪增壓器又叫廢氣渦輪增壓，主要結(jié)構(gòu)是由泵輪和渦輪組成，其一端為廢氣驅(qū)動端，另一端為進(jìn)氣增壓端。泵輪和渦輪之間由一條剛性軸連接，發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪帶動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪旋轉(zhuǎn)之后，達(dá)到給進(jìn)氣增壓的目的，增壓器安裝在排氣一側(cè)，每分鐘可以達(dá)到幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)，由于渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和溫度極高，所以中間采用全浮動軸承，由機(jī)油潤滑，和專門的冷卻系統(tǒng)冷卻。進(jìn)氣位置有增壓壓力傳感器，測量壓力值，反饋給發(fā)動機(jī)ECU，當(dāng)ECU檢測到壓力值達(dá)到上限，就會控制電磁閥打開廢氣旁通閥，控制進(jìn)氣壓力。 優(yōu)點： （1） 增加發(fā)動機(jī)功率，增加提速性能。 （2） 提高了燃油經(jīng)濟(jì)型。 （3） 補(bǔ)償高原空氣稀薄燃燒不充分現(xiàn)象。 （4） 改善發(fā)動機(jī)排放。 缺點： （1） 響應(yīng)有滯后性。 （2） 低轉(zhuǎn)速扭矩略低。 （3） 熱負(fù)荷嚴(yán)重。 （4） 后期需要維護(hù)。 2、機(jī)械增壓 機(jī)械增壓是最早應(yīng)用到汽車上的增壓方式。與廢氣渦輪增壓不同的是它的驅(qū)動力來自于曲軸，一般是連接曲軸的皮帶輪帶動葉輪旋轉(zhuǎn)壓縮空氣。由于驅(qū)動進(jìn)氣方式不同，機(jī)械增壓有：葉片式(Vane)（也稱為渦流式）、雙螺旋式，魯茲(Roots)（雙葉式，三葉式）、溫克爾(Wankle) 等型式。 ▌ 葉片式機(jī)械增壓 葉片式機(jī)械增壓器的增壓效率是機(jī)械增壓器中最高的，同時增壓后空氣的溫度一般也較高，常常需要加裝中間冷卻器以降低壓縮空氣的溫度。與其他幾款機(jī)械增壓器一樣，工作時，它也會產(chǎn)生與眾不同的轟鳴聲，如有需要也應(yīng)加裝降噪裝置。由于這款機(jī)械增壓器與渦輪增壓器高度相似，不少人會以為這是一款渦輪增壓器。但從壓縮機(jī)的驅(qū)動方式上講，它是不折不扣的機(jī)械增壓器。 ▌ 雙螺旋式機(jī)械增壓 雙螺旋式機(jī)械增壓器，和魯茲氏機(jī)械增壓器十分相似，雙螺旋式機(jī)械增壓器通過兩根類似于一組渦輪傳動的嚙合凸緣轉(zhuǎn)子吸入空氣，增壓器中的空氣也是通過轉(zhuǎn)子凸緣集中起來吸入的。和魯茲增壓器不同的是，雙螺旋式機(jī)械增壓器會不間斷的壓縮轉(zhuǎn)子殼體內(nèi)的空氣，而不會像魯茲增壓器間歇式的吸入空氣。其原因在于這些轉(zhuǎn)子具有一定錐度，這意味著隨著空氣從增壓器進(jìn)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(xù)進(jìn)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。 ▌ 魯茲式機(jī)械增壓
魯茲式機(jī)械增壓器通常體積都比較大，安裝在發(fā)動機(jī)的頂部。因為可以裝在發(fā)動機(jī)蓋的外面，所以它們在大馬力的汽車中很受歡迎。不過，它卻是效率最低的機(jī)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，另一方面則是只能間歇地吸入空氣，并不能順暢地連續(xù)吸入空氣?，F(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。 優(yōu)點： （1） 相比渦輪增壓的突兀與遲滯，機(jī)械增壓非常線性，而且響應(yīng)快。 （2） 相比廢氣渦輪增壓，機(jī)械增壓結(jié)構(gòu)緊湊，容易布置，后期維護(hù)方便。 缺點： （1） 由于是發(fā)動機(jī)曲軸帶動，因此會消耗發(fā)動機(jī)動力。 （2） 增壓度有局限性，機(jī)械增壓目前最高值在1.5bar左右，但是渦輪增壓的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它，超級增壓大于3.5bar。 （3） 高轉(zhuǎn)速提速性能比渦輪增壓稍遜。 3、諧波增壓 利用進(jìn)氣管內(nèi)氣流慣性產(chǎn)生的壓力波，即“慣性氣流波動效應(yīng)”來提高充氣效率。使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率增大，稱“諧波進(jìn)氣系統(tǒng)”。結(jié)構(gòu)是通過改變進(jìn)氣歧管的長短或者容積，使得進(jìn)氣的壓力波長短發(fā)生變化，稱“諧波效應(yīng)”。諧波進(jìn)氣增壓控制系統(tǒng)的工作原理是在進(jìn)氣管的中部增設(shè)了進(jìn)氣控制閥和大容量進(jìn)氣室，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，同一氣缸的進(jìn)氣門關(guān)閉與開啟的時間間隔較長，此時進(jìn)氣控制閥關(guān)閉，使進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的傳遞距離為進(jìn)氣門至空氣濾清器的距離，這一距離較長，壓力波反射回到進(jìn)氣門附近所需的時間也較長；當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，進(jìn)氣控制閥開啟，大容量空氣進(jìn)入氣室，使進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的傳遞距離縮短為進(jìn)氣門到進(jìn)氣室之間的距離，與同一氣缸的進(jìn)氣門關(guān)閉與開啟的時間間隔較短相適應(yīng)，從而使發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時得到較好的進(jìn)氣增壓效果。
優(yōu)點： （1） 造價低。 （2） 后期免維護(hù)。 缺點： （1） 增壓的效果不是很明顯。 （2） 占用引擎艙位置比較大。 4、復(fù)合增壓 如果說渦輪增壓技術(shù)提升了發(fā)動機(jī)的動力，減少油耗。那么新的復(fù)合增壓技術(shù)將更進(jìn)一步的“壓榨”發(fā)動機(jī)的性能，從而獲得更極端的燃油效率。復(fù)合增壓技術(shù)其實是一種更高效利用發(fā)動機(jī)廢氣的設(shè)計。我們都知道，傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓技術(shù)低轉(zhuǎn)速的表現(xiàn)并不是非常突出，而低轉(zhuǎn)速表現(xiàn)突出的機(jī)械增壓，在高轉(zhuǎn)速又不如渦輪增壓。所以發(fā)明出了復(fù)合增壓技術(shù)。 目前常見的復(fù)合渦輪增壓技術(shù)有三種不同形式，一種是串聯(lián)式，一種是并聯(lián)式，還有一種是 廢氣能量回收。 ▌ 廢氣能量回收 目前的廢氣能量回收技術(shù)有兩種不同形式，一種是直接利用廢氣驅(qū)動曲軸上的附加渦輪，帶動曲軸的運(yùn)動，直接利用廢氣驅(qū)動曲軸這種純機(jī)械形式能為發(fā)動機(jī)降低5%左右的燃油消耗。還有一種是在渦輪增壓器上集成電動機(jī)，電動機(jī)吸取渦輪端過剩的動力，產(chǎn)生動力可由電力系統(tǒng)靈活分配。兩種形式都是基于回收廢氣端產(chǎn)生的多余能量實現(xiàn)的。
▌ 串聯(lián)式有雙渦輪增壓技術(shù)（大小渦輪）和渦輪增壓搭配機(jī)械增壓式。
串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，低轉(zhuǎn)時推動反應(yīng)較快的小渦輪，使低轉(zhuǎn)扭力豐厚。高轉(zhuǎn)時大渦輪介入，提供充足的進(jìn)氣量，功率輸出得以提高。或者低轉(zhuǎn)速機(jī)械增壓，高轉(zhuǎn)速渦輪介入工作。 ▌ 并聯(lián)式一般是渦輪增壓和機(jī)械增壓并聯(lián)。 使用電磁離合器控制工作狀態(tài),由曲軸和皮帶來驅(qū)動機(jī)械增壓系統(tǒng)。機(jī)械增壓系統(tǒng)的正常工作范圍在0-3500rpm（左右）,由電控調(diào)節(jié)閥的旁通進(jìn)氣回路中的張開角度來調(diào)節(jié)所需增壓壓力,可以對廢氣渦輪增壓系統(tǒng)和機(jī)械增壓系統(tǒng)進(jìn)行無級變換。因為低轉(zhuǎn)速狀態(tài)無法提供充足的增壓壓力,所以將廢氣渦輪增壓系統(tǒng)正常工作范圍設(shè)計在高效率區(qū)。在超過3500rpm時,機(jī)械增壓系統(tǒng)將會全部的脫開,不再提供增壓作用,這個時候就靠渦輪增壓系統(tǒng)將助力運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行過渡為全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),為發(fā)動機(jī)提供所需要的空氣流量以及增壓壓力,從而保證圓滑平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。 優(yōu)點： （1） 無加速“遲滯”現(xiàn)象，反應(yīng)快； （2） 增壓壓力是連續(xù)供給的，且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，動力增長均勻； （3） 增壓空氣并非一定被冷卻過度； （4） 極限壓榨發(fā)動機(jī)的動力； （5） 發(fā)動機(jī)扭矩增大快，提前可達(dá)到最大扭矩值，因此起步性能好； （6） 壓縮空氣到汽缸的路徑非常短，空氣體積小，因此反應(yīng)非常快； （7） 廢氣特性好。原因: 催化凈化器可以更快地達(dá)到工作溫度。對于使用廢氣渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)來說，一部分熱能要用于驅(qū)動廢氣渦輪增壓器（這部分熱能就損失掉了）。 缺點： （1） 生產(chǎn)成本更高： （2） 對純凈空氣管道內(nèi)混入的異物敏感性過高； （3） 重量相對大些； （4） 降噪音的費(fèi)用高； （5） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要后期更多的保養(yǎng)成本。 侃弟總結(jié)現(xiàn)在的進(jìn)氣增壓技術(shù)非常復(fù)雜和精確，隨著發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)氣增壓的類別也是越來越多。機(jī)械增壓和渦輪增壓已經(jīng)在家用轎車快速普及。諧波增壓是大眾的技術(shù)，但是布局空間要求太高，而且增壓效果也不是非常明顯，所以現(xiàn)在應(yīng)用的車型已經(jīng)比較少了。對于復(fù)合增壓，雖然比較先進(jìn)，但是由于復(fù)雜的控制技術(shù)和昂貴的造價成本，對于后期的維護(hù)也有較高的專業(yè)要求，所以只有高級轎車或者跑車上應(yīng)用的比較多。從自然吸氣到增壓的普及，汽車發(fā)動機(jī)確實經(jīng)歷了一次飛躍，無論是能耗效率、動力輸出還是排放，都得到相應(yīng)的提高，對于人類的可持續(xù)發(fā)展做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)。（由于機(jī)械結(jié)構(gòu)用語言描述比較復(fù)雜，感興趣的朋友可在留言區(qū)與侃弟交流） 了解更多逗趣的交通及汽車相關(guān)新聞，歡迎大家關(guān)注“每日侃車”微信公眾號！ |
|
|
