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给发动机“超频”--解析涡轮增压

http://www.sina.com.cn  2009年09月15日 16:46  新浪汽车综合

  寻求刺激是人的正常本性,而轿车带给你刺激的多少更多程度上则来源于发动机。你希望你的轿车有多大排量,3.0还是6.2?其实排量并不是唯一问题,而且排量增大会引来那些环保人士的不满。但在霸王龙与独角犀牛之间选择,似乎有另外一种方式可以解决――涡轮增压。

  什么是涡轮增压?

  言归正传,首先我们来弄明白什么是涡轮增压。涡轮增压的英文名字为Turbo,一般来说,如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T,即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了。相信大家都在路上看过不少这样的车型,譬如萨博9-5 2.3T、萨博9-3 2.0T、速腾1.8T、荣威505 1.8T等等。

  涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿2.0T涡轮增压发动机来说,经过增压之后,动力甚至可以超过2.5L发动机的水平,但是耗油量却比普通进气的2.0发动机并不高多少,在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。譬如SAAB萨博9-3 Vector 2.0TS就是这么一款车,装备了2.0升强涡轮增压发动机的Saab萨博9-3 Vector 2.0TS可以在5300转时输出惊的155kW的功率,这一指标几乎已经赶上普通轿车3.0排量的自然进气发动机。

  涡轮增压的原理

涡轮增压工作原理图,红色为高温废气,蓝色为新鲜空气
涡轮增压工作原理图,红色为高温废气,蓝色为新鲜空气

  最早的涡轮增压器用于跑车或方程式赛车上的,这样在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面,发动机就能够获得更大的功率。

  众所周知发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的,由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制,因此发动机所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量,从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下,涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。

  我们可以简单的解释为涡轮增压器就是一台“空气压缩机”,通过压缩空气来增加发动机的进气量,一般来说,涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

  大家可能会觉得涡轮增压装置非常复杂,其实并不复杂,涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连,排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上,最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内,二者同轴刚性联接。这样一个整体的涡轮增压装置就做好,你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。

  发动机增压的种类

  1、气波增压系统:利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统增压性能好、加速性好但是整个装置比较笨重,正如我们在郊区工地见到的重卡或者进口的混凝土车,千万不要小看他们,动力输出还是很强大的。但这种增压系统并不适合安装在体积较小的轿车里面,体积太大了。

  2、机械增压系统:这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接,从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转,从而将空气增压吹到进气岐道里。其优点是涡轮转速和发动机相同,很好的控制了滞后现象,动力输出流畅。但是由于装在发动机转动轴里面,因此还是消耗了部分动力,增压出来的效果也有所限制。简单的说这种增压器更适合在起步阶段,让你的车从开始就获得更好的辅助动力,而随着速度的攀升,发动机自身的功率会随即释放出来。但劣势在于机械增压靠皮带带动,驱动力还是引擎,因此很难在经济条件下控制油耗表现。为了改善此现象,并且让增压力道能在最需要时发挥作用,加装电磁阀和离合器,也让增压器在特定的转速以上时离合器才开始接合、拖动机械增压器,但如此一来多少会有一些迟滞感。因此很多技术不完善的厂商不喜欢触及这个领域,免得不小心砸了招牌,久而久之,另一个相对简单的流派自然产生了。

Superchargeo即代表机械增压的,高性能版本的CTS-V发动机得到良好的调校,百公里加速3.9秒
Superchargeo即代表机械增压的,高性能版本的CTS-V发动机得到良好的调校,百公里加速3.9秒

  3、废气涡轮增压系统:这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了(上述的那些带“T”的小车正是装备了这套系统),增压器与发动机无任何机械联系,实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与祸轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言,加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。

  但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方,那就是泵轮和涡轮由一根轴相连,也就是转子,发动机排出的废气驱动泵轮,泵轮带动涡轮旋转,涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧,所以增压器的工作温度很高,而且增压器在工作时转子的转速非常高,可达到每分钟十几万转,如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作,因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承,并由机油来进行润滑,还有冷却液为增压器进行冷却。因此这些也很大程度上限制了普通直喷发动机的私自改装,既便改装成功后原发动机的寿命也会很大程度的缩减。

  4、复合增压系统:即废气涡轮增压和机械增压并用,机械增压有助于低转速时的扭力输出,但是高转速时功率输出有限;而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出,但初始区域转速则力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起,来解决两种技术各自的不足,同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较多,汽油机上采用双增压系统(复合增压系统)的车型还比较少,民用车型上又少之甚少。原因不难理解,虽然发动机输出功率大、燃油消耗率低,但发动机内部结构太复杂,技术含量很高,购买保养费用并非能轻易接收。

  由涡轮增压衍生的新技术

  涡轮增压的确能大幅度提升发动机的动力,目前所见的涡轮增压器已经得到无数的改进。譬如,我们已经不用在长途过后停车怠速静养,涡轮增压器的散热问题已经被很多产商攻破,得到很好的抑制。而另一方面的迟滞问题,正是目前车型厂家关注的焦点。这并非是设计缺陷,而是结构上所造成的实质问题。从前面有关涡轮增压的工作原理很容易理解,由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应延迟,也就是说从你大脚踩油门加大马力,到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差,一般经过改良的涡轮增压也要至少1秒左右来增加或者减少发动机动力输出,这也就是在那些老牌德国涡轮增压车型上经常会出现的在屁股上被踹了一脚的感觉。

  随着技术的进步,虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行研发和改进,目前缩短迟滞时间已经成为几大品牌的技术亮点。譬如 Saab最新型的Trionic8型管理系统已可控制发动机整套启动过程和各部分零件的温度反应,并可同时改进扭矩和油门的反应灵敏度。低转速时,Trionic8技术促使涡轮增压器略微提前工作,同时提前打开油门,以便增压器迅速进入运行状态。此外,Saab萨博还对来自油门踏板本身的信号进行独立编程处理。这样,在泊车或倒车等低转速情况下,虽然踏板移动大但动力却会输出小,便于更好地控制车辆;而在超车等高转速情况下,踏板微小的移动就能输出较大的动力,以便能更迅速地做出反应。上面说的迟滞问题,该管理系统就有效的最大程度降低了这一现象,使得发动机在使用过程中更加平顺,增强了舒适性。

  而且很多厂商在使用成本上也动了很多心思,以前部分德国车型上的涡轮增压器需要特殊指定的涡轮增压机油进行润滑,从而加大了养护成本。经过改进,涡轮增压已经可以和发动机共同使用润滑机油,从而降低了养护成本和特殊养护时间。寿命问题从材质上得到了很好的解决,6万公里必须更换增压器的说法已经不复存在。

(编辑:米贝)
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