發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)

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1、現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)的很多技術(shù)都來(lái)自于航空業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)也是如此。裝備增壓器的車(chē)型正在逐漸被人所熟知，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)從研發(fā)到大規(guī)模應(yīng)用，走過(guò)了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)根據(jù)工作原理的不同可以分為機(jī)械增壓器、廢氣渦輪增壓器、復(fù)合式增壓器、慣性增壓器、氣波增壓器和沖壓式增壓器。 　　幾種增壓技術(shù)的原理 　　所謂機(jī)械式增壓器是指增壓器的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)齒輪、皮帶或鏈條等傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而將空氣壓縮并送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，達(dá)到增壓的目的。這種增壓器響應(yīng)迅速，但由于需要額外的傳動(dòng)裝置，機(jī)械式增壓器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大，同時(shí)還要消耗一定的發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率，因此燃料經(jīng)濟(jì)性會(huì)受到一些影響。

2、 　　廢氣渦輪增壓器則是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器的渦輪，并帶動(dòng)同軸上的壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，將空氣壓縮并送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。由于廢氣渦輪增壓器利用排氣能量驅(qū)動(dòng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒(méi)有任何機(jī)械傳動(dòng)連接，使得它的機(jī)械效率更好。同時(shí)，它不需要復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而通過(guò)不斷的技術(shù)積累，傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器的渦輪遲滯現(xiàn)象也得到了很好的控制。因此成為目前應(yīng)用最為廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓裝置。 　　復(fù)合式增壓器也就是把機(jī)械增壓器與廢氣渦輪增壓器聯(lián)合起來(lái)工作的增壓裝置，主要用于某些二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上，借以保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速負(fù)荷時(shí)有必要的掃氣壓力。復(fù)合式增壓器還適合于排氣背壓較高的場(chǎng)合（如水下），但它的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，體積過(guò)大

3、，多用于固定式機(jī)器，并不適合小型乘用車(chē)輛。 　　慣性增壓器是利用空氣在進(jìn)氣歧管中的慣性效應(yīng)、脈沖波動(dòng)效應(yīng)及其綜合效應(yīng)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸充氣效率的方法。慣性增壓器通過(guò)特殊幾何形狀的凸輪軸控制氣門(mén)的開(kāi)啟角度及時(shí)間：氣缸在前半個(gè)進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣門(mén)只開(kāi)啟很小的通過(guò)截面，使氣缸中形成一定的負(fù)壓，當(dāng)活塞走過(guò)半個(gè)進(jìn)氣行程后，進(jìn)氣門(mén)迅速開(kāi)啟，很快達(dá)到最大通過(guò)截面，此時(shí)空氣以很高的速度沖入氣缸。 從某種意義上來(lái)說(shuō)，慣性增壓器在很大程度上推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前的可變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度技術(shù)及可變氣門(mén)控制系統(tǒng)（如豐田的VVT-i技術(shù)）均得益于這一原理。 　　氣波式增壓器通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)子使廢氣與空氣接觸，利用高壓廢氣對(duì)

4、低壓空氣產(chǎn)生的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進(jìn)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(yōu)點(diǎn)。但由于它的特殊結(jié)構(gòu)，氣波式增壓器同樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點(diǎn)。另外，空氣壓力波對(duì)進(jìn)、排氣阻力過(guò)于敏感，要求進(jìn)氣濾清器及排氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸并減小阻力。由于存在許多問(wèn)題，氣波式增壓器目前仍處于研究試驗(yàn)階段。 　　沖壓式增壓器利用儲(chǔ)氣筒內(nèi)的高壓誘導(dǎo)空氣，通過(guò)噴管將周?chē)目諝庖淙雵娚淦髦?，并在噴射器?nèi)混合，然后通過(guò)擴(kuò)壓管，把空氣壓縮到所需的壓力進(jìn)入氣缸。雖然沖壓式增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但該系統(tǒng)需要高壓空氣泵、儲(chǔ)氣筒等部件，由于其連續(xù)工作時(shí)間較短，因此在應(yīng)用方面受到

5、限制。 　　目前，應(yīng)用最為廣泛的是廢氣渦輪增壓器與機(jī)械式增壓器。但機(jī)械式增壓器只有小規(guī)模的應(yīng)用，這與其機(jī)械效率不高有一定的關(guān)系。 　　廢氣渦輪增壓器的發(fā)展 　　事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)首先來(lái)自于德國(guó)人的創(chuàng)意，1880年德國(guó)人開(kāi)始著手研究發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)，并在一戰(zhàn)期間應(yīng)用于飛機(jī)上，當(dāng)時(shí)采用的是機(jī)械式增壓器，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明使得當(dāng)時(shí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠盡可能的輕量化。1909年瑞典人Alfred Buchi博士提出采用廢氣渦輪增壓，但在當(dāng)時(shí)這一概念并不被多數(shù)人所接受。1911年蘇而壽（Sulzer）兄弟公司在瑞典的Winterthur成立，Alfred Buchi成為該公司的總工程師。 　　直至19

6、17年，這種廢氣渦輪增壓器開(kāi)始獲得實(shí)用。此后又逐漸出現(xiàn)了上面提到的復(fù)合式增壓器、慣性增壓器以及氣波式增壓器和沖壓式增壓器。 　　1925年，兩艘德國(guó)船只上首次成功應(yīng)用了 2000 馬力的渦輪增壓柴油機(jī)，這也促使Buchi博士的廢氣渦輪增壓器很快在歐洲、美國(guó)和日本獲得了生產(chǎn)權(quán)。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，軸流式渦輪增壓器被大量運(yùn)用到船只、有軌機(jī)動(dòng)車(chē)及固定式機(jī)器。二戰(zhàn)期間美軍也將這種廢氣渦輪增壓器應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機(jī)。 　　雖然發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的應(yīng)用能夠在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積的情況下提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限，增壓技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域一直未獲得更大的進(jìn)展。 　　真正使

7、得廢氣渦輪增壓技術(shù)發(fā)展并逐漸成熟的是美國(guó)人。20世紀(jì)40年代后期，航空燃?xì)廨啓C(jī)的出現(xiàn)引起了材料技術(shù)與設(shè)計(jì)方面的重大革新。這對(duì)渦輪增壓的發(fā)展產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的影響，其中包括耐熱材料的發(fā)展、開(kāi)發(fā)高溫材料的精密鑄件技術(shù)等，這引發(fā)了徑流渦輪機(jī)的研究，以及徑流渦輪增壓在小型車(chē)用柴油機(jī)上的應(yīng)用。而滑動(dòng)軸承的發(fā)明，也成為廢氣渦輪增壓技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，借助滑動(dòng)軸承，目前的廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速普遍能夠達(dá)到150000-170000rpm，這樣高的轉(zhuǎn)速是傳統(tǒng)的滾珠軸承所無(wú)法達(dá)到的。 　　接下來(lái)的20世紀(jì)50年代，康明斯、沃爾沃和斯堪尼亞等主要的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商開(kāi)始研究在卡車(chē)上運(yùn)用廢氣渦輪增壓器技術(shù)，這些增壓器由El

8、liot和Eberspacher提供。最初，因增壓器自身體積過(guò)大，這些早期的設(shè)計(jì)并未成功。后來(lái)，德國(guó)工程師Kurt Beirer設(shè)計(jì)出了一臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊的廢氣渦輪增壓器。該專(zhuān)利被Indianapolis的Schwitzer認(rèn)購(gòu)。 　　1952年，使用康明斯廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的賽車(chē)在Indianapolis賽道的比賽中奪得冠軍。1954年康明斯生產(chǎn)出了一系列型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，VT12、6缸NT，NRT‘s和JT‘s 。同年，沃爾沃生產(chǎn)了首臺(tái)使用廢氣渦輪增壓技術(shù)的柴油卡車(chē)TD96AS，額定功率為185馬力，與自然吸氣式D96AS相比提高了35 馬力，同時(shí)還有著不錯(cuò)的燃油經(jīng)濟(jì)性。 　　增壓中冷技術(shù)與可變

9、幾何結(jié)構(gòu)技術(shù) 　　雖然通過(guò)增加進(jìn)氣壓力可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的方式來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，但隨著進(jìn)氣壓力的增加，壓氣機(jī)出口的氣溫也會(huì)隨之增加，在一定程度上影響了空氣密度的提高，而進(jìn)氣溫度的提高，還會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管端的廢氣溫度進(jìn)一步提升。要解決這一問(wèn)題，就要通過(guò)降低空氣溫度的方式來(lái)提升空氣密度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，于是發(fā)動(dòng)機(jī)增壓中冷技術(shù)出現(xiàn)了。 　　大量的試驗(yàn)表明，依靠中冷器，在增壓壓力保持不變的條件下，增壓空氣溫度每下降10攝氏度，它的密度就增大3%，當(dāng)空氣燃油消耗率都保持不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一般能夠提高3%，同時(shí)大幅度降低廢氣中氮氧化合物的含量。而發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率也會(huì)隨著增壓空氣溫

10、度的下降而上升，進(jìn)氣溫度下降10攝氏度，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率會(huì)相應(yīng)提高約0.5%左右。因此，在同樣的空燃比下，進(jìn)氣溫度每下降10攝氏度，發(fā)動(dòng)機(jī)功率實(shí)際上可提高約3.5%。這項(xiàng)技術(shù)不僅可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而且還可降低發(fā)動(dòng)機(jī)在相同額定功率下的熱負(fù)荷和排氣溫度以及最大爆發(fā)壓力。在熱負(fù)荷保持不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)由于增壓空氣溫度下降而提高的功率，較空燃比保持不變時(shí)的更高。 　　一般發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷器采用水冷或風(fēng)冷的方式工作，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫度普遍在90攝氏度以上，因此水冷的方式并不能達(dá)到最佳效果，雖然可以依靠獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)工作，但獨(dú)立的散熱器安裝方式和重量控制的問(wèn)題卻又無(wú)法回避。而依靠風(fēng)冷方式，可以有效地

11、把發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度降低至60度左右，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率得以顯著提升。 　　另一個(gè)困擾廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的原因被稱(chēng)作渦輪遲滯。渦輪增壓器必須在轉(zhuǎn)子達(dá)到一定轉(zhuǎn)數(shù)后才能達(dá)到最佳工作狀態(tài)，但在轉(zhuǎn)數(shù)提升的過(guò)程中，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子反應(yīng)會(huì)相應(yīng)的滯后于駕駛者的操作動(dòng)作，而在進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)突然出現(xiàn)過(guò)于暴躁的動(dòng)力表現(xiàn)，往往使人難以適從?？紤]到車(chē)輛對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)扭矩和運(yùn)轉(zhuǎn)平順性的問(wèn)題，可變幾何結(jié)構(gòu)技術(shù)被工程師應(yīng)用于廢氣渦輪增壓器上。通常情況下，流體的流量與流速成反比。在壓力大小保持不變的情況下，通過(guò)控制流體的通過(guò)截面大小，可以很好的控制氣流的速度，可變幾何結(jié)構(gòu)技術(shù)正是基于這樣的原理，通過(guò)

12、控制廢氣渦輪外圍的一組導(dǎo)流葉片的角度來(lái)控制廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。這樣，廢棄渦輪增壓器就可以在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，從而使搭載廢氣渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)域都有良好的扭矩、功率輸出。 　　廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用 　　20世紀(jì)70年代以前，廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)多用于大功率柴油機(jī)及部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)上，在小型民用乘用車(chē)上一直沒(méi)有大規(guī)模使用。或許不會(huì)有人想到，歐洲第一部使用廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的民用車(chē)型出自寶馬旗下，這與今天寶馬堅(jiān)持的NA路線(xiàn)大相徑庭。1973年面世的寶馬 2002 Turbo采用直列4缸設(shè)計(jì)，這部2.0L排氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在5800rpm時(shí)輸出170匹的最大馬力，配合

13、5速手動(dòng)變速箱，當(dāng)年的寶馬2002可以在6.9秒內(nèi)完成0-60英里/小時(shí)的加速，最高車(chē)速為130英里/小時(shí)。寶馬2002只提供了白色和銀灰色兩種涂裝，從1973年7月到1975年7月，僅有1672輛這一型號(hào)的寶馬車(chē)型在美國(guó)市場(chǎng)售出。 　　真正讓廢氣渦輪增壓技術(shù)名聲大噪的首推1974年的保時(shí)捷 911 Turbo。當(dāng)年，裝備2.1L廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的911 Carrera RSR Turbo 2.1憑借強(qiáng)大的馬力以及出色的操控性能，橫掃勒芒24小時(shí)耐力賽。而第一代普通版本的保時(shí)捷911 Turbo則采用3.0L廢氣渦輪增壓水平對(duì)置風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率可以達(dá)到260匹。此后相繼

14、推出的數(shù)代保時(shí)捷911 Turbo也都成為世人追捧的傳世之作。也許以后人們?cè)谠u(píng)論保時(shí)捷對(duì)于汽車(chē)工業(yè)的貢獻(xiàn)時(shí)會(huì)毫不猶豫地提到“甲蟲(chóng)”式的流線(xiàn)車(chē)身、風(fēng)冷水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)、出色的操控性能，還有就是大名鼎鼎的Turbo。 　　讓我們把目光退回20世紀(jì)70年代末的瑞典，薩博這家從航空工業(yè)發(fā)展而來(lái)的汽車(chē)公司，在廢氣渦輪增壓技術(shù)的民用發(fā)展過(guò)程中扮演了推廣者的角色。1976年，薩博公司憑借長(zhǎng)期在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究，使得他們的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)一般的響應(yīng)靈敏度。1977年的法蘭克福車(chē)展上，薩博公司的3門(mén)掀背車(chē)款薩博99的廢氣渦輪增壓器版本正式發(fā)布，并引起了媒體和市場(chǎng)的廣泛關(guān)注，從此之

15、后，薩博差不多成了Turbo的代名詞。1978年，薩博900車(chē)型上市，該車(chē)型基于薩博99的長(zhǎng)軸距版本設(shè)計(jì)，分為3門(mén)和5門(mén)版本，雖然以今天的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)來(lái)衡量，薩博900的2.0L直列4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性并不算出色，108Kw的最大功率即便是今天的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠輕易達(dá)到，但在20幾年前，這一數(shù)字仍然值得世人的尊敬。當(dāng)年的薩博900憑借廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的迅速響應(yīng)以及良好的低轉(zhuǎn)扭矩特性，仍然創(chuàng)造了0-100Km/h 9秒的加速成績(jī)以及196公里的最高車(chē)速。 　　一般來(lái)說(shuō)，大廠(chǎng)商為了追求車(chē)輛的可靠性，并不會(huì)過(guò)分依賴(lài)增壓器壓榨出更強(qiáng)大的動(dòng)力。如果說(shuō)上面幾款車(chē)的表現(xiàn)用出色來(lái)形容，那么

16、在民間改裝領(lǐng)域，增壓器的表現(xiàn)就可以用驚人來(lái)描述了。一些專(zhuān)業(yè)改裝師能夠通過(guò)打磨氣缸壁、修改中央電控單元ECU，同時(shí)加裝廢氣渦輪增壓器，把一具2.0L排氣量的直列4缸引擎（如三菱的4G63）的最高功率提升至500匹馬力以上，通過(guò)氮氧催化劑更可壓榨出高達(dá)700匹馬力以上的最高功率。要想達(dá)到1000匹馬力在他們眼中也并非什么難事兒。只是在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出會(huì)大幅度的降低，至少這種極端做法缺少實(shí)際意義，而1000匹馬力的洪水猛獸也并非尋常人能夠駕馭。 　　結(jié)束語(yǔ) 　　目前的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但從使用維護(hù)成本出發(fā)，若非特殊需要自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)仍舊是最好的選擇。 　　從理論上來(lái)講，氣波式增壓的工作效率大大高于其他幾種增壓方式，但在解決一些實(shí)際的技術(shù)問(wèn)題之前，它離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。技術(shù)總在不斷的進(jìn)步，也許氣波式增壓器能夠成為下一個(gè)能夠得到廣泛應(yīng)用的增壓技術(shù)。今天的靈感在明天可能就會(huì)成為改變世界的力量。