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涡轮增压与机械增压

分类:
技术专区
作者:
新盛安动力
发布时间:
2019/04/02

随着社会生产力和科技的不断进步,人们对于交通工具要求的不断提高,如何能让一台小排量的发动机爆发出大排量的发动机的动力呢?增压技术是最为行之有效的方法之一。

我们目前在车用发动机上使用的进气增压技术,最早源于飞机高空飞行的需要,我们都知道一般发动机是利用气缸活塞下移形成真空,吸入空气而实现进气的过程,这就是所谓的自然吸气发动机。而自然吸气方式因“被动”地实现进气动作,所以在高空中由于空气稀薄进气效率不高,大大影响发动机的功能发挥。为提高发动机进气效率,于是发明了增压进气技术。

涡轮增压(Turbochanger)与机械增压 (supercharger)是进气增压的两种不同方式,主要的不同在于增压器的驱动方式。最早的增压器全部都是机械增压,在刚发明时被称超级增压器(Supercharger),后来涡轮增压发明之后为了区别两者。起初涡轮增压器被称为Turbo Supercharger,机械增压则被称为Mechanical Supercharger,久而久之,两者就分别被简化为Turbocharger与Supercharger了。德国人由于德语的关系把机械增压叫做Kompressor,这就是为什么奔驰的1.8L机械增压发动机叫做200K的原因,而且Kompressor这一德语词汇还印在了其他的装有机械增压器的德国车上。

●涡轮增压器(Turbochanger)的机构与工作原理: 无论增压由发动机的排出的废气驱动。涡轮由两部分组成,一是新鲜空气增压端(压缩泵轮)、另一部分为废气驱动端(废气涡轮),两端各有一个叶轮,在同一轴上的两边涡轮之间还有一个泄压触发器(Wastegate)设在废气涡轮那边,当压缩涡轮压力过大,压力便会推动触发器将废气涡轮的阀门打开,降低气压,以防止增压过度。 涡轮轮轴的支承为轴套轴套里边的轴承设计可以分为滚珠轴承和浮动轴承。涡轮增压器叶轮的旋转动力来自于废气。废气带动涡轮,在涡轮的另一边,叶片压缩空气。涡轮增压器壳体为镍、铬和硅合金材料,轴为铬和钼合金材料。更重要的是,涡轮增压器是在高温、高速条件下工作的,为保证其正常工作,在涡轮增压器中通入了机油和冷却液,以保证有效的润滑和冷却,改善工作条件。 发动机排出的具有高温和一定的压力的废气进入增压器中,推动轴的叶轮以每分钟高达数万甚至几十万转的高速度旋转,怠速时,叶轮转速为12000转/分,当全负荷时,叶轮转速可超过135000转/分,普通的轴承是无法承受如此高速而产生的高温和磨损的,所以在涡轮增压系统里边机油的润滑和冷却作用至关重要。柴油发动机也有不少装配涡轮增压系统的,而且柴油发动机的最大增压值普遍比汽油发动机的最大值高。也正是为了涡轮增压器良好的散热需要,一般装有涡轮增压器的车辆要求熄火前怠速运行片刻。

●涡轮增压器的A/R值: A/R值在改装市场的涡轮增压器销售册上常有标明,用以表达涡轮的特性,A是Area(面积)的意思,指的是叶片涡轮接受废气的侧入口最窄处的横截面积,R是Radius(半径),指的是A(横截面积)的中心点与涡轮本体中心点的距离,面积与两中心点距离的比值,就是A/R值。 A/R值越小,表示入口相对较小而涡轮叶片的起动惯性低,流速相对高,低转反应比较好,涡轮迟滞效应不明显。反之,A/R值越大入口较大,叶片惯性高,低转反应比较迟钝,涡轮迟滞较明显,但在高转时表现则刚烈得多。简单而言,较注重高转功率输出的涡轮,A/R值可以达到0.7左右,而注重低转扭力输出的涡轮,A/R值大约为0.2。保时捷的VTG可变涡轮几何叶片技术则是通过改变涡轮的A/R值达到不同的涡轮特性。

●机械增压(supercharger)的结构与工作原理: 机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴,一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮,间接将曲轴运转的扭力带动增压器,达到增压目的。依构造不同,机械增压会经出现过许多种类,包括叶片式(Vane)、罗兹(Roots)、温克尔(Wankle)等型式,而活塞运动最早也被认为是一种机械增压,时至今日,则以罗兹增压器最被广泛使用,更是改装的大热门。罗兹增压器有双叶与三叶转子两种型式,目前以双叶转子较普遍,其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子,转子之间保有极小的间隙而不直接相连,藉由螺旋齿轮连动,其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连结,转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器,在不需要增压时即放开离合器以停止增压,离合器则由计算机控制以达到省油的目的。 机械增压的优点:除了在低转速便可获得增压外,增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例,即机械增压发动机的油门反应随着转速的提高,动力输出随之增强,因此机械增压发动机的操作感觉与自然吸气极为相似,却能拥有较大的马力与扭力。缺点在于始终是损耗了发动机本身的动力,在高转时效率没有Turbo高等。 最后要说的是,无论那种增压方式,增压后的空气都要送到中冷器(intercooler)去降温(增压等于对空气做功,气压增加到1bar的时候温度会升到80度左右,温度上升后空气体积会增加,同体积时进入燃烧室的空气质量减少,对增压不利,所以要用中冷器进行冷却),过高的气压会在泄压阀(Blow-off Wastegate)放掉,所以有时我们可以听到涡轮增压车子上有“吱吱”的泄气声,增压后的空气最终再送入燃烧室。