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“小塊頭,大智慧”——淺談增壓技術

  以下您將看到的是一篇在技術層面剖析各種增壓器產品的文章,讓您明白這個小設備是如何讓發動機變強大的。

“小塊頭,大智慧”——淺談增壓技術

發動機增壓技術基本上從航空工業沿襲而來,其實這沒什麼可奇怪的,現代汽車工業的很多技術都源自於技術含量更高的航空工業。當然,由於汽車發動機艙的容量小得多,車用增壓器對尺寸的要求也更加苛刻。通過眾多工程師的不懈努力,增壓器的體積在最近數十年內已一再縮小,並逐漸衍生出工作機理基本一致,結構和安裝方式卻千差萬別的多種增壓器。不過從市場占有率來說,渦輪增壓和機械增壓渤是最主流的結構。

  渦輪增壓器(Turbo charger)

渦輪增壓器的全稱應該是廢氣渦輪增壓器,顧名思義,它是利用發動機排出的廢氣能量來驅動渦輪,並帶動同軸上的壓氣機葉輪旋轉,將空氣壓縮並送入發動機汽缸。由於廢氣渦輪增壓器與發動機之間沒有任何機械傳動連接,機械損耗更小。理論上只要汽缸壁足夠堅固,只需通過增加渦輪的尺寸和激量,就能將動力提升到十分驚人的程度。

“小塊頭,大智慧”——淺談增壓技術

  通過不斷的技術進步,渦輪增壓器的耐高溫性能(剛排出汽缸的尾氣溫度極高)已得到大幅改進,但它仍有個難以完全克服的缺點——渦輪遲滯。壓氣機葉輪只有在發動機廢氣排放量到達一定程度後才會被推動,因此動力的響應速度也被拖了後腿。此外,突然爆增的動力輸出也經常讓駕駛人措手不及。盡管近年來出現的可變幾何結構技術在很大程度上改善了這些問題,但很難從根本上消除。不過由於不需要復雜的傳動機構,與發動機匹配較容易,它仍是目前應用最廣一泛的增壓裝置。

機械增壓器(Super charger)

所謂機械式增壓只是一種稱謂,有人也將其直譯為超級增壓。增壓器的壓氣機轉子通過發動機曲軸獲取工作動力,驅動其旋轉,從而將空氣壓縮並送入發動機汽缸。當然,壓氣機轉子和曲軸無法直接連在一起,而是通過各種齒輪、皮帶或鏈條等傳動裝置。由於結構相對復雜,汽車廠家通常不太願意使用該項技術,而後期自行加裝機械增壓器的難度很大,極少有人嘗試。

“小塊頭,大智慧”——淺談增壓技術

  由於驅動力來自曲軸,機械增壓器在加速時幾乎不會產生任何遲滯反應,可以做到隨叫隨到。此外,增壓器的啟動與曲軸的轉速同步,所以動力輸出也很線性,不會有渦輪增壓車型常見的突兀感,給人的感覺更接近於一台排氣量更大的自然進氣發動機。不過當發動機處於較高轉速下,增壓器消耗掉的發動機有效功率也會相應增加,因此燃料經濟性多少會受到一些影響。

復合式增壓器

(Compositer supercharger)

復合式增壓器也就是把機械增壓器與廢氣渦輪增壓器聯合起來工作的增壓裝罩,主要用於某些二沖程發動機上,借以保證發動機起動和低速負荷時有必要的掃氣壓辦力。復合式增壓器還適合於排氣背壓較高的場合(如水下),但它的結構過於復雜,體積較大,多用於固定式機器,目前只有大眾的1.4升增壓發動機采用了類似結構(本期有詳細報道)。

慣性增壓器

(Inertia supercharger)

慣性增壓器是利用空氣在進氣歧管中的慣性效應、脈沖波動效應及其綜合效應來提高發動機汽缸充氣效率的方法。慣性增壓器通過特殊幾何形狀的凸輪軸控制氣門的開啟角度及時間:汽缸在前半個進氣行程中,進氣門只開啟很小的通過截面,使汽缸中形成一定的負壓,當活塞走過半個進氣行程後,進氣門迅速開啟,很快達到最大通過截面,此時空氣以很高的速度沖入汽缸。從某種意義上來說,慣性增壓器在很大程度上推動了發動機技術的發展,目前的可變進氣歧管長度技術及可變氣門控制系統(如豐田的VVT-i技術)均得益於這一原理。

氣波式增壓器

(Pressure wave supercharger)

氣波式增壓器通過特殊的轉子使廢氣與空氣接觸,利用高壓廢氣對低壓空氣產生的壓力波,迫使空氣壓縮,從而提高進氣壓力。氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭矩大,加速性好等優點。但由於它的特殊結構,氣波式增壓器同樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點。另外,空氣壓力波對進、排氣阻力過於敏感,要求進氣濾清器及悱氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸並減小阻力。由於存在許多問題,氣波式增壓器目前仍處於研究試驗階段。

沖壓式增壓器(Ramjet Charger)

沖壓式增壓器利用儲氣筒內的高壓誘導空氣,通過噴管將周圍的空氣引射入噴射器中,並在噴射器內混合,然後通過擴壓管,把空氣壓縮到所需的壓力進入汽缸。雖然沖壓式增壓器結構簡單,工作可靠,但該系統需要高壓空氣泵、儲氣筒等部件,由於其連續工作時間較短,因此在應用方面受到很大限制。

中間冷卻系統

(Inter—cooIer system)

雖然增加進氣壓力可以提升發動機的動力性能,但隨著壓力的增加,壓氣機出口的氣溫也會隨之增加,在一定程度上降低了空氣密度,同時使得發動機排氣歧管端的廢氣溫度連鎖提升。此外,高熱也會影響負責潤滑和部分冷卻工作的機油,令其快速氧化甚至焦化。為了解決這些問題.中間冷卻器便應運而生了。

“小塊頭,大智慧”——淺談增壓技術

  大量試驗表明,在增壓壓力保持不變的條件下,增壓空氣溫度每下降1 O攝氏度,密度就增大3%,當空氣燃油消耗率都保持不變時,發動機功率一般能提高3%,同時大幅度降低廢氣中氮氧化合物的含量。而發動機工作效率也會隨著增壓空氣溫度的下降而上升,進氣溫度下降1 0攝氏度,發動機工作效率會相應提高約O.5%左右。因此,在同樣的空燃比下,進氣溫度每下降1 0攝氏度,發動機功率實際上可提高約3.5%。

一般而言,車用發動機的中冷器采用水冷或風冷方式,但由於發動機冷卻液的正常溫度普遍在90攝氏度以上,因此水冷很難達到最佳效果。雖然可以設置獨立的冷卻系統,但散熱器安裝方式和重量控制問題卻又無法回避。依靠風冷方式,可以有效地將發動機進氣溫度降低至60度左右,讓增壓發動機的機械效率得以顯著提升。