发动机增压技术.docx
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发动机增压技术
现代汽车工业的很多技术都来自于航空业,发动机增压技术也是如此。
装备增压器的车型正在慢慢被人所熟知,发动机增压技术从研发到大规模应用,走过了一个漫长的历史进程。
这项技术依照工作原理的不同能够分为机械增压器、废气涡轮增压器、复合式增压器、惯性增压器、气波增压器和冲压式增压器。
几种增压技术的原理
所谓机械式增压器是指增压器的压气机转子由发动机曲轴通过齿轮、皮带或链条等传动装置来驱动旋转,从而将空气紧缩并送入发动机气缸,达到增压的目的。
这种增压器响应迅速,但由于需要额外的传动装置,机械式增压器的结构比较复杂,体积较大,同时还要消耗必然的发动机有效功率,因此燃料经济性会受到一些阻碍。
废气涡轮增压器那么是利用发动机排出的废气能量来驱动增压器的涡轮,并带动同轴上的压气机叶轮旋转,将空气紧缩并送入发动机气缸。
由于废气涡轮增压器利用排气能量驱动,与发动机之间没有任何机械传动连接,使得它的机械效率更好。
同时,它不需要复杂的传动机构,而通过不断的技术积存,传统废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象也取得了专门好的操纵。
因此成为目前应用最为普遍的发动机增压装置。
复合式增压器也确实是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装置,要紧用于某些二冲程发动机上,借以保证发动机起动和低速负荷时有必要的扫气压力。
复合式增压器还适合于排气背压较高的场合(如水下),但它的结构过于复杂,体积过大,多用于固定式机械,并非适合小型乘用车辆。
惯性增压器是利用空气在进气歧管中的惯性效应、脉冲波动效应及其综合效应来提多发动机气缸充气效率的方式。
惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴操纵气门的开启角度及时刻:
气缸在前半个进气行程中,进气门只开启很小的通过截面,使气缸中形成必然的负压,当活塞走过半个进气行程后,进气门迅速开启,专门快达到最大通过截面,现在空气以很高的速度冲入气缸。
从某种意义上来讲,惯性增压器在专门大程度上推动了发动机技术的进展,目前的可变进气歧管长度技术及可变气门操纵系统(如丰田的VVT-i技术)均得益于这一原理。
气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触,利用高压废气对低压空气产生的压力波,迫使空气紧缩,从而提高进气压力。
气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大,加速性好等优势。
但由于它的特殊结构,气波式增压器一样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。
另外,空气压力波对进、排气阻力过于灵敏,要求进气滤清器及排气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。
由于存在许多问题,气波式增压器目前仍处于研究实验时期。
冲压式增压器利用储气筒内的高压诱导空气,通过喷管将周围的空气引射入喷射器中,并在喷射器内混合,然后通过扩压管,把空气紧缩到所需的压力进入气缸。
尽管冲压式增压器结构简单,工作靠得住,但该系统需要高压空气泵、储气筒等部件,由于其持续工作时刻较短,因此在应用方面受到限制。
目前,应用最为普遍的是废气涡轮增压器与机械式增压器。
但机械式增压器只有小规模的应用,这与其机械效率不高有必然的关系。
废气涡轮增压器的进展
事实上,发动机增压技术第一来自于德国人的创意,1880年德国人开始着手研究发动机增压技术,并在一战期间应用于飞机上,那时采纳的是机械式增压器,这项技术的发明使得那时的航空发动性能够尽可能的轻量化。
1909年瑞典人AlfredBuchi博士提出采纳废气涡轮增压,但在那时这一概念并非被多数人所同意。
1911年苏而寿(Sulzer)兄弟公司在瑞典的Winterthur成立,AlfredBuchi成为该公司的总工程师。
直至1917年,这种废气涡轮增压器开始取得有效。
尔后又慢慢显现了上面提到的复合式增压器、惯性增压器和气波式增压器和冲压式增压器。
1925年,两艘德国船只上第一次成功应用了2000马力的涡轮增压柴油机,这也促使Buchi博士的废气涡轮增压器专门快在欧洲、美国和日本取得了生产权。
从20世纪30年代开始,轴流式涡轮增压器被大量运用到船只、有轨机动车及固定式机械。
二战期间美军也将这种废气涡轮增压器应用于作战飞机。
尽管发动机增压技术的应用能够在不改变发动机工作容积的情形下提多发动机功率及扭矩,并降低油耗及排放,但由于那时的技术条件所限,增压技术应用于汽车领域一直未取得更大的进展。
真正使得废气涡轮增压技术进展并慢慢成熟的是美国人。
20世纪40年代后期,航空燃气轮机的显现引发了材料技术与设计方面的重大革新。
这对涡轮增压的进展产生了意义深远的阻碍,其中包括耐热材料的进展、开发高温材料的周密铸件技术等,这引发了径流涡轮机的研究,和径流涡轮增压在小型车用柴油机上的应用。
而滑动轴承的发明,也成为废气涡轮增压技术进一步进展的基础,借助滑动轴承,目前的废气涡轮增压器转速普遍能够达到rpm,如此高的转速是传统的滚珠轴承所无法达到的。
接下来的20世纪50年代,康明斯、沃尔沃和斯堪尼亚等要紧的发动机制造商开始研究在卡车上运用废气涡轮增压器技术,这些增压器由Elliot和Eberspacher提供。
最初,因增压器自躯体积过大,这些初期的设计并未成功。
后来,德国工程师KurtBeirer设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增压器。
该专利被Indianapolis的Schwitzer认购。
1952年,利用康明斯废气涡轮增压发动机的赛车在Indianapolis赛道的竞赛中夺得冠军。
1954年康明斯生产出了一系列型号的发动机,VT1二、6缸NT,NRT‘s和JT‘s。
同年,沃尔沃生产了首台利用废气涡轮增压技术的柴油卡车TD96AS,额定功率为185马力,与自然吸气式D96AS相较提高了35马力,同时还有着不错的燃油经济性。
增压中冷技术与可变几何结构技术
尽管通过增加进气压力能够提多发动机充气效率的方式来提升发动机的动力性能,但随着进气压力的增加,压气机出口的气温也会随之增加,在必然程度上阻碍了空气密度的提高,而进气温度的提高,还会使得发动机排气歧管端的废气温度进一步提升。
要解决这一问题,就要通过降低空气温度的方式来提升空气密度,从而提多发动机充气效率,于是发动机增压中冷技术显现了。
大量的实验说明,依托中冷器,在增压压力维持不变的条件下,增压空气温度每下降10摄氏度,它的密度就增大3%,当空气燃油消耗率都维持不变时,发动机的功率一样能够提高3%,同时大幅度降低废气中氮氧化合物的含量。
而发动机工作效率也会随着增压空气温度的下降而上升,进气温度下降10摄氏度,发动机工作效率会相应提高约%左右。
因此,在一样的空燃比下,进气温度每下降10摄氏度,发动机功率事实上可提高约%。
这项技术不仅可提多发动机的功率,而且还可降低发动机在相同额定功率下的热负荷和排气温度和最大暴发压力。
在热负荷维持不变的情形下,发动机由于增压空气温度下降而提高的功率,较空燃比维持不变时的更高。
一样发动机的中冷器采纳水冷或风冷的方式工作,但由于发动机冷却水的温度普遍在90摄氏度以上,因此水冷的方式并非能达到最正确成效,尽管能够依托独立的冷却系统工作,但独立的散热器安装方式和重量操纵的问题却又无法回避。
而依托风冷方式,能够有效地把发动机进气温度降低至60度左右,增压发动机的机械效率得以显著提升。
另一个困扰废气涡轮增压发动机应用的缘故被称作涡轮迟滞。
涡轮增压器必需在转子达到必然转数后才能达到最正确工作状态,但在转数提升的进程中,涡轮增压器的转子反映会相应的滞后于驾驶者的操作动作,而在进入工作状态时,废气涡轮增压发动机遇突然显现过于暴躁的动力表现,往往令人难以适从。
考虑到车辆关于发动机低转扭矩和运转平顺性的问题,可变几何结构技术被工程师应用于废气涡轮增压器上。
通常情形下,流体的流量与流速成反比。
在压力大小维持不变的情形下,通过操纵流体的通过截面大小,能够专门好的操纵气流的速度,可变几何结构技术正是基于如此的原理,通过操纵废气涡轮外围的一组导流叶片的角度来操纵废气涡轮增压器转子的转数。
如此,废弃涡轮增压器就能够够在发动机转速较低时进入工作状态,从而使搭载废气涡轮增压器的发动机在各个转数区域都有良好的扭矩、功率输出。
废气涡轮增压器的应用
20世纪70年代以前,废气涡轮增压发动机多用于大功率柴油机及部份汽油发动机赛车上,在小型民用乘用车上一直没有大规模利用。
或许可不能有人想到,欧洲第一部利用废气涡轮增压发动机的民用车型出自宝马旗下,这与今天宝马坚持的NA线路截然不同。
1973年面世的宝马2002Turbo采纳直列4缸设计,这部排气量的发动性能够在5800rpm时输出170匹的最大马力,配合5速手动变速箱,昔时的宝马2002能够在秒内完成0-60英里/小时的加速,最高车速为130英里/小时。
宝马2002只提供了白色和银灰色两种涂装,从1973年7月到1975年7月,仅有1672辆这一型号的宝马车型在美国市场售出。
真正让废气涡轮增压技术名声大噪的首推1974年的保时捷911Turbo。
昔时,装备废气涡轮增压发动机的911CarreraRSRTurbo凭借壮大的马力和超卓的操控性能,横扫勒芒24小时耐力赛。
而第一代一般版本的保时捷911Turbo那么采纳废气涡轮增压水平对置风冷发动机,最大输出功率能够达到260匹。
尔后接踵推出的数代保时捷911Turbo也都成为世人追捧的传世之作。
或许以后人们在评论保时捷关于汽车工业的奉献时会毫不犹豫地提到“甲虫”式的流线车身、风冷水平对置发动机、超卓的操控性能,还有确实是赫赫有名的Turbo。
让咱们把目光退回20世纪70年代末的瑞典,萨博这家从航空工业进展而来的汽车公司,在废气涡轮增压技术的民用进展进程中扮演了推行者的角色。
1976年,萨博公司凭借长期在涡轮增压发动机方面的研究,使得他们的涡轮增压发动机具有自然吸气发动机一样的响应灵敏度。
1977年的法兰克福车展上,萨博公司的3门掀背车款萨博99的废气涡轮增压器版本正式发布,并引发了媒体和市场的普遍关注,从此以后,萨博差不多成了Turbo的代名词。
1978年,萨博900车型上市,该车型基于萨博99的长轴距版本设计,分为3门和5门版本,尽管以今天的发动机技术来衡量,萨博900的直列4缸涡轮增压发动机的动力性并非算超卓,108Kw的最大功率即即是今天的自然吸气发动机也能够轻易达到,但在20几年前,这一数字仍然值得世人的尊重。
昔时的萨博900凭借废气涡轮增压发动机的迅速响应和良好的低转扭矩特性,仍然制造了0-100Km/h9秒的加速成绩和196千米的最高车速。
一样来讲,大厂商为了追求车辆的靠得住性,并非会过度依托增压器压榨出更壮大的动力。
若是说上面几款车的表现用超卓来形容,那么在民间改装领域,增压器的表现就能够够用惊人来描述了。
一些专业改装师能够通过打磨气缸壁、修改中央电控单元ECU,同时加装废气涡轮增压器,把一具排气量的直列4缸引擎(如三菱的4G63)的最高功率提升至500匹马力以上,通过氮氧催化剂更可压榨出高达700匹马力以上的最高功率。
要想达到1000匹马力在他们眼中也并非什么难事儿。
只是在高转速区域,发动机的扭矩输出会大幅度的降低,至少这种极端做法缺少实际意义,而1000匹马力的洪水猛兽也并非寻常人能够驾驭。
终止语
目前的发动机废气涡轮增压技术已经超级成熟,但从利用保护本钱动身,假设非特殊需要自然吸气发动机仍旧是最好的选择。
从理论上来讲,气波式增压的工作效率大大高于其他几种增压方式,但在解决一些实际的技术问题之前,它离实际应用还有一段距离。
技术总在不断的进步,或许气波式增压器能够成为下一个能够取得普遍应用的增压技术。
今天的灵感在明天可能就会成为改变世界的力量。
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