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增压发动机


机械增压与涡轮增压 机械增压与涡轮增压

将小排量引擎加以增压器之后,动力会有非常明显的提升。而增压对发动机有怎样的促进作用?机械增压、涡轮增压, 有什么样的异同呢?

我们之前介绍过压缩比的意义,为了让发动机努力工作,必须充分压缩。而为了充分压缩,也必须充分进气。 拿一部 2.0 升四缸发动机举例,曲轴每转一圈会有两个气缸进气,也就是 1

升。在每分钟 3000 转时,就需要进气 3 立方米,每秒 50 升,相当于 2.7 个纯净水大桶的容积。这仅仅是 2.0 发动机在 3000 转时的理论进气量,更大排量,更 高转速下,流量会更大。但这些气流要通过管径只有杯子口那么大的进气管道,并被一个刻薄的节气门限制,在进入气 缸之前还要经过进气门一关,所以真正进入汽缸的空气,就没有那么多了。

图中布加迪威龙的 8.0T 发动机,在 6000 转时每分钟进气量高达 24m3

例如,一般自然吸气发动机在怠速时,节气门只是微微打开一个角度(3-5°),进气压力在 0.5bar 左右(为方便 解释,我们使用更直观的 bar 作为本篇压力单位,1bar 约等于 1 个大气压。进气压力值为节气门与进气歧管之间位置测 量),即便是急加速时,节气门开至很大位置为气缸送气,也不过 0.8bar 左右,平稳行驶时,进气压力又回到怠速水 平,而高速区域时,进气压力会更低。 这就表示自然吸气发动机始终在低于大气压的 “负压” 状态下工作, 没有充分的空气投入, 自然不会有更好的动力产出。 所以在不改变进气情况,且保证合理工况的情况下,提高功率,一般做法就是提高压缩比,或是增大排量。

然而压缩比不能无限的提高,排量也与钱有关。因此,一种相对简单且高效的方式——增压技术,广泛运用于发动 机上。刚才讲过,自然吸气发动机进气是不太顺畅的,那么用一个增压器,把空气“打”到汽缸里,其结果自然很让人 满意。

增压对发动机的影响

在进气压力升高之后,输入气缸的空气自然增加了一些,与空气混合的燃油自然也就增加了。所以相比自然吸气发 动机,在基本不改变气缸容积的情况下,增加一个增压器,功率输出就可以升高至 1.5 倍非增压发动机的水平,这要比 增加排量实惠得多,而且因为发动机的重量没有增加太多,操控性也得以保证。

大众的 1.2T 小排量增压发动机

而且小排量增压发动机和等功率的大排量非增压发动机相比,发动机内部的摩擦损耗要少一些,并且最大扭矩输出 早一些,这样的话,油耗会有一定优势。

但是,因为进气量增加了,所以在压缩行程结束时,增压发动机的缸内压力要高出非增压发动机很多,这就等同于 “压缩比”升高了,这对发动机的工况有很大的影响,所以同平台的发动机,在加装增压器之后,压缩比要调教的低一 些,以保证在增压之后,缸内压力不会过高而发生“爆燃”的情况。

在改装领域,将自然吸气发动机加装增压器时,应当增加燃烧室容积,以降低压缩比 最直接的方法就是换装更厚的缸垫

增压种类和概述

我们经常在论坛和淘宝上,看到那种几百块钱的所谓的“汽车增压器”,而且还虚拟车主安装了该种增压器并宣称 动力得到怎样的提升……实际上这种“增压器”是没有效果的,是虚假的,是应该被“315”打掉的,即便有效果也是 因为将进气空滤简化,让阻力变小,这是是不负责任的,是对发动机有损害或隐患的,真正的汽车增压器无外乎以下几 种。

涡轮增压 涡轮增压是目前最常见的一种增压型式,其原理是用利用发动机尾气的动能和内能,推动一个涡轮,并将与该涡轮 相连的另一个涡轮,将空气压缩,吹入发动机气缸。

机械增压 机械增压是另一种常见形式,依然是使用气泵将空气压入气缸内。与涡轮增压不同,机械增压的气泵不是利用汽车 尾气推动,而是直接使用发动机的动力,带动压气机,输出空气。

气波增压 气波增压是使用发动机做功后尾气的动力,借助一系列由发动机带动的转子和定子的调节箱,直接将进气压缩输入 气缸,但该种增压形式噪音很大,增压部件体积很大,通常只用于大型柴油机之上。所以民用汽车不常见。

谐波增压 与气波增压不同,谐波增压与排气无关,只是通过进气管路的优化设计,将动态的进气气流调节出脉冲的效果,分 别冲入各气缸。比如丰田的 ACIS 就用了这种技术,奔驰宝马等可变进气歧管长度技术,也与之相近。

谐波增压说起来很唬人,其实就是通过改善进气歧管中气流的惯性和反弹,形成进气压力

因为气波增压并不常见,谐波增压的结构形式与实际效果也并不引人入胜,所以在下篇文章里会着重介绍涡轮增压 和机械增压的一些知识。

涡轮增压和机械增压,是发动机增压的两大方式。不同的结构类型,让两种发动机有着不同的性格。两者的工作原 理有着怎样的异同?在下面的文章里会给予详细的解析。 涡轮增压篇 上篇文章讲过,涡轮增压以废气为动力带动两个涡轮为发动机提供更多的空气,或者我不说你也知道。但是涡轮增 压这种形式又有什么样的特点亮点优点缺点呢?往下看。

充分压榨发动机动力 提到发动机提升动力,首先想到的就是涡轮增压。没错,这是最常见的形式。加一个涡轮,民用车上的涡轮可以将 进气压力提升至 0.5-1bar,将动力大幅度甚至成倍的提升,这个诱惑力很大。而赛车上的涡轮增压值则更高,可以几倍 提升原始排量发动机的动力。

一定程度的节油功效 而涡轮增压最大亮点即是将尾气动力充分利用,在做功行程之后,发动机排出的尾气仍有一定动能和热量,直接排 出未免有些浪费,涡轮增压器正好可以吸收这部分能量,以弥补进气时的“泵气损失”。而且尾气在经过涡轮之后,温 度会有一定幅度下降,这不单纯是将内能传递给涡轮,很大程度是将内能向动能转化的过程。这就进一步利用了燃油产 生的能量,优化了能耗。

性格有点分裂 涡轮增压发动机上,涡轮不是始终运转的,在低速时,涡轮不介入,相当于相同排量的自然吸气发动机(甚至更低

一些,因为压缩比降低了)。而在 1500-2000 转速时介入,强大扭矩随即输出,所以在 2000-3000 转时就会得到最大扭 矩,相当于排量增加,此时发动机就会很“有劲儿”,不用深踩油门,超车和加速依然也可以很容易,而且因为此时转 速并不高,活塞往复次数也不多,摩擦降低,油耗自然表现优异。而涡轮增压的节油效果不仅于此,在涡轮不介入时的 低转速下,发动机处于相对较低的功率,这在怠速运转,低速起步和中速巡航时,相当于一台小排量发动机,油耗自然 可以控制了。

小脾气与大问题 正因为涡轮不是一直在工作,所以有无涡轮,发动机是两个性格的,尤其是在低转速加速时,不会立即得到最大动 力,而是经过短暂的转速提升后,涡轮介入,动力陡增,显得很突兀,让人觉得不是很舒服,这就是涡轮增压发动机的 一大通病——“涡轮迟滞”,这在早期涡轮增压发动机,以及采用了大号涡轮的赛车、改装车上非常明显。 而且涡轮增压器的工作环境可以用水深火热来形容。 发动机排出的尾气有 700-900℃, 不假思索, 全部吹到涡轮上, 而另一端压气涡轮那边也不容乐观,每分钟十几万甚至更高的转速的涡轮强烈搅动空气,除将空气压缩而产生的热量之 外,空气摩擦产生的热也不容小觑,加上另一边废气的热量,整个涡轮的温度都非常高,而且因为这种六位数的转速, 涡轮轴承不同于一般滚珠轴承而采用在润滑油中浮动的行驶,如果没有良好的散热和润滑,这只涡轮很快就会挂掉,并 且因为早期涡轮油封不够理想而烧机油。这些诸多因素都影响了涡轮增压在当年的口碑,这就是是为什么涡轮增压车型 要用高级别的机油,为什么早期车型在冷启动和停车时要低速运转的原因,也是很多人觉得涡轮增压“伤不起”的原因 了。

不要太过紧张 其实当前的涡轮增压发动机已经没有那么“矫情”了,汽车工程师绞尽脑汁想尽一切解决的方法,VGT 可变涡轮截 面技术、小惯量涡轮的使用,让这种感觉不再明显,停车冷却循环,更高级别的加工工艺等,让这些常见的弊病都已经 大为改观。涡轮增压已经完全适应了这个社会,而不是孤傲的杵在风口浪尖了。

机械增压篇 同涡轮增压一样,机械增压也是通过增加发动机的进气量而提升引擎的动力。不过没有涡轮增压那么暴躁,是一种 很稳健的力量。

压榨归压榨, 压榨归压榨,但合作亲密无间 机械增压的压气机直接取自发动机的动力,也就是说只要发动机一启动,机械增压就在运转, 机械增压的压气机直接取自发动机的动力 ,只要车辆开始前进, 驱动车辆的就是已经被机械增压增强了的动力,此时的发动机,相当于扩大了排量,在低速时,机械增压比涡轮增压 驱动车辆的就是已经被机械增压增强了的动力 机械增压比涡轮增压有 更好的表现。 而且动力提升幅度,是和节气门的开度同步的 是和节气门的开度同步的,不会像涡轮增压一样,有个明显的发力点。这就可以通过油门精确 这就可以通过油门精确 的控制车速,在操控表现上机械增压更占优势 在操控表现上机械增压更占优势。

不温不火,悠然自得 不温不火, 由于机械增压器没有排气的事儿,所以工作环境温度不高,也因为没有高速涡轮形成的扰流, 由于机械增压器没有排气的事儿 ,增压后的空气温度也 不高。而且压气机最高转速“仅”为 20000-30000 转,且没有太高的温度,所以对润滑和冷却也没有太高的要求 为 所以对润滑和冷却也没有太高的要求,工况 也就更稳定。 不过机械增压是要消耗引擎动力的,所以从这方面看,经济性略低一些。而且单级压气机增压幅度有限 不过机械增压是要消耗引擎动力的 机增压幅度有限,在高转速 时增压的难度几何增加,形成瓶颈。 。一般机械增压器增压幅度在 0.6-1.2bar 左右,最高不过 1.5bar 1.5bar,而涡轮增压很容 易达到 1.5bar。但这不算什么问题,使用机械增压的民用车型往往都突出平顺性而对动力的提升没有过分的要求,1bar ,使用机械增压的民用车型往往都突出平顺性而对动力的提升没有过分的要求 的增压已经足足够够了,很多车型都在 0.5 左右,而且机械增压只不过是为了改善进气环境充分发挥发动机性能而已 很多车型都在 而且机械增压只不过是为了改善进气环境充分发挥发动机性能而已。 虽然浪费一些动力,但是让动力提前输出也可以将功补过 但是让动力提前输出也可以将功补过,平衡油耗。

机械增压家族哥仨 机械增压器的压气机有罗茨、双螺杆和离心式三种形式 双螺杆和离心式三种形式,其中离心式压气机造型和原理非常类似半个涡轮增压器 心式压气机造型和原理非常类似半个涡轮增压器, 除了实时响应之外其他效果与涡轮增压无疑,接下来着重介绍罗茨与双螺杆压气机的异同。 除了实时响应之外其他效果与涡轮增压无疑 早年间机械增压器使用的是罗茨鼓风机,采用容积泵结构设计作为压气形式。身形重,噪声高是它的一大特点 早年间机械增压器使用的是罗茨鼓风机 噪声高是它的一大特点,所 以只用在大型柴油机,以及追求起步加速的 0-400 加速比赛上。 以及追求起步加速的

后来诞生了双螺杆结构的压气机,较小的造型和噪音使其成为机械增压阵营中的新生力量,良好的密闭性和内部压 后来诞生了双螺杆结构的压气机 良好的密闭性和内部压 缩特点使其性能表现优异,但较为精细的结构 和运行时的摩擦也制约了双螺杆式机械增压的发展。 但较为精细的结构,和运行时的摩擦也制约了双螺杆式机械增压的发展

目前的压气机大有将罗茨式与双螺杆式统一的趋势, 罗茨压气机的转子采用了双螺杆的式样, 让气流更平缓一些 (相 当于之前介绍的直齿齿轮和斜齿齿轮的区别),双螺杆压气机也采用了罗茨式的同步运转方式,降低直接接触带来的摩 擦。但两者仍有区别。 罗茨压气机的气流是由上部进入, 然后流入缸壁和转子下方组成的相对密闭的气室, 两个转子旋转并减小气室空间, 将空气向下挤出。这个过程中,气室内压力与压气机后方一致,故属于外压缩方式,有时会因气压的波动引起喘振,并 因为两个转子并不是紧密结合,压气效率不高。 而双螺杆压气机的空气是进入两个螺杆轴与缸壁密封的空间后,随着两个螺杆的啮合(非直接接触但缝隙极小),空间 逐渐减小,当压缩到一定程度时,由另一侧的出口排出,这个过程中,空气已经明显压缩,所以属于内压缩方式,气流 在排出时更为顺畅。 目前大部分机械增压车型多为罗茨式压气机,而部分高性能车及改装零件厂商则倾向双螺杆压气机。

伊顿 TVS 机械增压器转子,虽为双螺旋式样,但仍为罗茨结构

双螺杆机械增压器,两个转子啮合非常紧密

别忘了两个功臣

泄气阀 为了不让增压器的压力过大而造成发动机的失控,必须有一个部件来限制最大压力,这就是泄气阀,目前的泄气阀 可以通过 ECU 的信号来调节增压值。而在涡轮增压车型上,泄气阀还兼顾另外的作用,当发动机在高转速时收油,此时 节气门开度变小,但涡轮因为惯性不能立即停止因而继续向发动机输入高压空气,如果不将这种情况加以控制,会损害 涡轮和发动机,所以必须将此时产生的增压效果予以疏散,这就是泄气阀在涡轮增压发动机上的必要性。

左下方圆柱形装置及连杆即泄气阀

中冷器 由理想气体定律得出, 气体在压缩时内能会增加, 也就是温度升高, 而同样气压下, 气体密度会因温度升高而降低, 所以将压缩后的高温气体降温,可以进一步的增加空气流量,而中冷器的作用就是将空气在进入气缸前降温,使发动机 更多的吸入空气,并避免爆燃。经过机械增压之后的空气温度可以达到 100℃,经过涡轮增压之后的温度就更高了,所 以中冷器是个很有必要的部件。

谁能跑过谁? 谁能跑过谁? 增压,增加了很多动力,但是否可以大幅提升车速呢?我们分析下: 机械增压从一开始就将动力放大,所以起步时机械增压胜; 涡轮增压一开始有点懒,但转速足够大时,暴躁的涡轮绝不示弱,凭着较高增压值在中段扳回一局; 而自然吸气就不行了吗?当然不是。在转速较高时,机械增压的压气机的阻力会变大,变得很大,非常大,乃至要 消耗 1/4 的动力,提升出来的动力此时也被自身消耗了;涡轮增压也不容乐观,虽然不需发动机的动力,但废气涡轮和 扭曲的排气线路大大增加了排气压力,一样拖了后腿。而此时,自然吸气发动机在此时没有太大的负担,终于笑到了最 后。 当然,以上三种情况只是虚拟的场景并非绝对情况,但同样功率的三种发动机确实有着上述的趋势。不过正常情况 下很少有人踩到红线玩儿命跑,合理的使用扭矩区域,配以合适的档位,老老实实的行驶才是真正的生活,这也是增压 装置真正带来的便利。

美日欧车系使用增压情况 曾经很长一段时间,很多欧系车出于经济性的考虑,乐于使用涡轮增压,典型代表即为大众-奥迪、沃尔沃、萨博。 其中萨博是涡轮增压汽车的鼻祖,而大众-奥迪则较早的让国人体验了涡轮增压的喜怒哀乐。 美国人一直推崇大排量,对增压不太感冒,即便是选择,也更倾向直来直往的机械增压。 日系车型有着岛国特有的极端,民用车型使用五花八门的进气技术却偏偏不加增压,准赛车和改装界则重型涡轮大 行其道,经常将动力翻倍。 而目前的增压形式已经没有“流派”的划分,一向看重机械增压的奔驰转向涡轮,看重自然吸气的宝马在世界形势 下不免长叹息,也玩儿起了涡轮,而每天都把涡轮挂在嘴边恨不得叼着涡轮说话的大众,最近却将转向机械增压,并和 宝马涡轮增压发动机一起获得十佳发动机称号。

奔驰曾经是机械增压的拥趸者

奔驰 C 级车尾,KOMPRESSOR 为机械增压德文翻译,而目前广泛装备的 CGI 发动机都采用了涡轮增压

宝马也进入了涡轮时代

而今时的大众-奥迪开始追求机械增压了

因此我们不能说那种增压形式更好,不同的定位会有不同的选择。但增压发动机在车辆中比重的增加确是客观存在 的。随着汽车技术的发展,增压发动机那些娇气的毛病已经减轻或者治好了,所以用户大可不必对其心惊胆战,毕竟现 在很少有人会抱怨涡轮增压曾经的那些问题了。


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