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浅谈发动机增压技术的前生今世

2019-10-09来源:佛山之声
浅谈发动机增压技术的前生今世

早期的内燃机

说起发动机的增压技术,很多朋友肯定都有所了解,无外乎是时下的主流涡轮增压以及逐渐消失的机械增压而已,相信每个朋友都能说出一番见解;实际上内燃机的增压技术是很古老的研究课题,增压的方式各不相同,但目的都只有一个,那就是在不改变气缸物理容积的情况下增加每个循环的进气量,从而保证在给定燃料和空燃比的情况下,燃烧掉更多的燃油;发动机每个循环烧的燃油多了,燃烧产生的化学能就大了,动力自然就充沛了,这就是相同排量下的涡轮增压发动机为什么比自然吸气发动机的动力更强的原因,因为涡轮增压发动机在建压之后的每循环进气量都比自然吸气发动机多!早在18世纪末,戴姆勒与狄赛尔就研究过内燃机的增压技术,只不过由于那个年代的工业基础薄弱,材料学,加工技术等方面都不过关,所以即便那时存在内燃机增压技术的理论雏形,但很难付诸于实际,换句话说即便强行制造,也仅仅能存活于实验室中,因为寿命难以保证;内燃机增压技术可以分成惯性增压,汽波增压,压缩机增压(机械增压)以及废气涡轮增压四大类,不过伴随着内燃机的发展,只有涡轮增压以及机械增压存活下来(其余的并不是消失了,只是应用面极少)。

很多朋友认为废气涡轮增压技术是日本人所研发?实际上涡轮增压是瑞士人阿弗里德·布希所研发,并于1905年获得专利,这就是现代涡轮增压技术的雏形,所以涡轮增压技术的诞生与日本没什么关系;实际上日系车企的实力强横,但在从无到有的方面表现一般,日系车企更善于把现有技术发扬光大,就好比自动变速箱领域,虽然不是日本车企所研发的,但却是在日本车企手中得到了完善,所以关于涡轮增压技术不必去争到底是哪国研发的,简单点说就是瑞士人研发的专利,然后被各国军工,车企购买进行发展,基本上就是这么个过程,所以在谈及涡轮技术起源的时候,一定要明白不希研发涡轮技术并非打算用于汽车制造,只不过在汽车领域被发扬光大了而已!

浅谈发动机增压技术的前生今世

涡轮增压

内燃机为什么需要增压,意义又是什么?

用最标准的说法来解释就是在不提高内燃机排量的情况下去提高功率,同样也是实现发动机轻量化,低转速化的最好方式;增压技术提高内燃机功率的方式鄙人在第一段其实已经说过,而在内燃机发展的漫长岁月中,采用过类似增压的技术很多,其实在上一世纪自然吸气发动机时代各个车企都在研发的可变气门升程就是一个弱化版的增压系统,可变气门技术以及后期升级版可变气门升程主要是通过改变气门开启,关闭的时间以及开度来增加进气,这与增压技术的本质是一样的,增加每循环进气量就能燃烧更多的油,从而在不改变气缸实际容积的情况下爆发出更大的动力;只不过可变气门升程技术所增加的进气量实在太低,至少对比涡轮增压,机械增压来说,太弱了,所以在涡轮增压技术普及后,可变气门技术VVT得到标配,但可变气门升程却很少有车企再去碰了,因为增加每循环进气量更明显的涡轮增压更加完美!增压技术可以在不增加气缸容积,转速的情况下,每循环可以获得比同排量,同转速的自然吸气发动机更多的进气量,这样一来发动机的排量就可以限制下来,间接可以使发动机变得小型化,比如过去要400匹马力需要至少4.0L的8缸发动机,而现在2.0T发动机即可达到,所以发动机实现了轻量化以及小型化;而自然吸气发动机的进气方式完全靠吸,具体点说就是依靠活塞上下运动产生的负压力来吸气,能吸多少主要受发动机转速的影响,想多吸气就必须转的更快;而增压发动机则不然,通过发动机运转产生的负压来吸一部分气,剩余的由增压系统来提供,这样一来发动机的转速就被限制下来,发动机转速低了,单位时间内的循环次数就变少了,各个部件运转产生的摩擦功损失就降低了,减少了摩擦损失;而增压型发动机由于提高的气缸的实际容积效率(比如0.5升的气缸可以被压入1升的空气,自然按比例可以烧更多的汽油),因为更高的容及效率所以在结束进气冲程时,发动机活塞上的压力就更大,活塞上的压力更大可以令发动机在做功冲程时的活塞下行过程更有爆发力,简单点说就是提高了活塞下行的推动力,这样一来就减少了泵气损失!

浅谈发动机增压技术的前生今世

配备日产可变气门升程VVEL技术的经典自然吸气发动机VQ37

自然吸气发动机为什么逐渐被遗忘

“自然吸气发动机的终点,往往是增压型发动机的起点”,其实这是一句源于增压技术萌芽时代的推论,但就目前的实际情况来看,这个推论还是比较准确的;对于自然吸气发动机而言并不乏提升功率的手段,比如增加排量,提高转速,增加排量+提高转速,但无论采用何种方式都增加了生产成本,增加了车主的使用成本,换句话说以上几种提高功率的方式并没办法给车主以及车企带来更多的实惠;举一些实际的例子来说明,就拿民用车2.0升自然吸气发动机来说,以现有最先进的技术能达到180匹就很不错了,达到200匹已经是极限;虽然本田早期的几款红头2.0升自然吸气引擎可以达到接近240匹的马力,但那已经属于竞技级别的发动机,无论是价格还是使用维护成本都不是普通老百姓所能承受的,所以民用车的2.0升自然吸气的动力就被限制住了,很可能永远被限制在200匹以内;但这个动力对于机械增压,涡轮增压来说都是儿戏,一款2.0T发动机的动力最低也要200匹以上,高一些的可以接近300匹,而且达到这个动力的2.0T发动机老百姓买的起,而达到300匹的2.0升自然吸气发动机普通老百姓根本就买不起,所以增压型发动机的好处各位就能看明白了吧?自然吸气发动机爆发更强的动力对于转速的要求太高,过高的转速增加了摩擦损耗,泵气损失,也使得排放更加的恶化,因为进气量总是很勉强,即便拥有可变气门升程起到的提升作用也很少;而大排量化,高转速化都会大幅度提高研发,生产的成本,而这个成本最终会转嫁到消费者身上;消费者想要一款动力很强而价格又适中的车子在自然吸气时代几乎不可能,大排量带来的税就不是一般消费者所能够承受的,但涡轮增压的到来解决了这个问题,花二十几万买一款2.0T的车子,就能获得接近300匹的马力,而自然吸气达到300匹马力的车子至少要30几万,而且油耗更高,所以涡轮增压发动机提升了动力,降低了价格,同样也让更多喜欢大马力而预算不足的朋友可以承受得住;所以自然吸气发动机注定要逐渐得凋零,没落!

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维持压缩机的运转需要发动机的力量

曾经很流行得增压方式—机械增压

其实鄙人想写一些关于惯性增压以及气波增压的内容,不过应用面太窄,也没有哪位朋友会感兴趣,所以也就不写了,只说说比较主流的机械增压以及涡轮增压;机械增压其实属于压缩机增压,可以实现机械增压的压缩机目前有三种,分别是罗茨式,螺杆式,涡旋式三种,而车用比较常见的为罗茨式压缩机(增压器),与其它两种压缩机相比较,罗茨式压缩机的增压压力更理想,而成本造价也相对低廉,故而罗茨式压缩机成为车用增压型内燃机的首选;机械增压具有较陡的特性曲线,这一点具体的表现为发动机在转速比较低的情况下即可获得很充足的增压压力(白话:低转速下进气量足,烧的燃料多,释放的能量大,动力足,简单点说就是机械增压极低转速下的扭矩很充足),这种特性对于发动机的动态性能是有很好的意义的(发动机的曲轴旋转,即开始增压,增压压力与发动机转速成正比,体现到实际就是动力的释放更线性而不突兀);优点鲜明而缺点也很直接,由于压缩机为燃烧室所提供的进气量(压缩空气)是需要利用发动机的动力来实现的,也就是说压缩机需要从发动机处取力,才能完成提供压缩空气的工作,取的力少还没啥事,如果从发动机处取的力太多,就将导致发动机自身的功率受到损失;简单点说就是拿一个手摇的风扇,适当的那手转转可以带来凉爽,而如果拼命的转那么给我们带来凉爽的同时,还会让我们体内产生更多的热量,这种用扇方式就没必要了;所以由于机械增压的压缩机运转需要从发动机处取力,取的多则损耗发动机自身的功率,所以注定了机械增压能提高的动力很少,虽然它很线性,但更适合一些大排量的发动机;对于实现内燃机的低排量化,轻量化,低转速化有促进作用,但不大!

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直接用燃烧后的废气来驱动增压器运转

时下的主流增压方式—废气涡轮增压

涡轮增压究竟好在哪?实际上就是实现增压的方式更具有优势,要想让机械增压的压缩机工作必须分担发动机的力,而要使涡轮增压器运转只需要废气(燃料燃烧后的气体),而这废气要不然也要排放到大气中去,间接的等同于维持涡轮增压运转的力是白来的,这就是涡轮增压可以取代机械增压的原因,机械增压有些7伤拳的感觉。。。废气涡轮增压所遵循的是热力学驱动的原理,增压能量原至于发动机的废气,它的最大优势在于可以充分利用这些燃烧废气所残余的热能(刚从排气门排除的气体接近900度左右,这部分热量没有浪费,直接用于驱动废气涡轮运转了,所以说涡轮运转依靠的力是白来的),废气是通过在涡轮机中的膨胀来实现能量的转化的,废气在涡轮机叶轮前进行加速,从而使叶轮蕴含的动量传递到涡轮机的转轴上,从而实现增压;优势在于结构尺寸更小,比较容易布置;增压效果显著,现在的废气涡轮几乎可以达到20万转/分;而缺点同样是存在的,主要的一点就是饱受诟病的迟滞现象,因为涡轮增压器在建压时不可避免的要面临流动迟滞,不过随着技术的不断发展,民用车涡轮技术已经将迟滞变的难以发掘,彻底消除不可能,但能够更好的掩饰住;其次就是由于更加恶劣的工作环境(高温,高压)导致的寿命问题,硬拼自然吸气发动机肯定拼不过,但是正常使用个20几万公里问题不大,而开到20几万公里的车子也该更换了。。。

浅谈发动机增压技术的前生今世

总而言之内燃机增压是个很古老的课题,不要觉得现在自然吸气逐渐凋零很令人难过,如果不是因为一百多年前的技术水平不达标,增压型发动机早就普及了,因为那个时代的专家早已发现增压型内燃机的优势,但没办法那个时候造不出来,所以才给了自然吸气发动机一百多年的生命周期,实际上不必难过,轻量化,低排化,低转速化,涡轮直喷化是内燃机发展最终的进化方式,这不是情怀所能阻止的,这就是大势所趋;内燃机发展的这百十年都在不停的为提高发动机的容积效率而努力,前有可变气门升程,后有增压型发动机的大行其道,其实目的都只是为了提高容积效率,只不过增压型发动机提高的容积效率更可观而已,所以从这一点上来看自然吸气与涡轮增压其实很相似。。。

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涡轮增压器

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