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增压
我们一般见到的汽车发动机用的是汽油内燃机,就是把空气和汽油混合以后放到一个空腔里,这个空腔叫做气缸,当然空气最早是常压的,就是差不多一个大气压吧,他通过一些系统自然地被“吸”到发动机里。
另一边,汽油是通过化油器或者电子喷注系统,弄成颗粒很细小的油雾,当空气和雾化的汽油在气缸里面集合以后,火花塞出场了。
一声令下关门放狗,火花塞就在这个密闭、阴暗的空间里弄了个火星,这下可不得了,汽油雾加上助燃的空气(里面含有很多氧气),一下子燃烧起来,燃烧产物是各种各样的高温气体,这些气体剧烈膨胀,怎么样呢?
就像一个针筒(实际上气缸也跟针筒构造很像),本来里面有半管子气体,膨胀以后存不下,自然就推动活塞向外顶。
这活塞一顶,就把一个叫曲轴的东西转起来了,曲轴转,…【著名的黑盒子出场】…车轮也转。
大多数情况下,两冲程的气缸里面燃烧一次,活塞就动一次,曲轴也转一次。
所以我们说到转速的时候,每分钟3000转,说的就是曲轴。
每分钟3000下,就是气缸里面燃烧了3000次啊。
也就是每秒烧了50次。
(事实上,最常见的四冲程发动机远不止这么简单,四个冲程,应该是燃烧一次实际曲轴转了两圈。
但是这里用1:
1比较形象吧。
)
假如我们需要让你车子跑快一点,理论上可以增加转速,也就是踩油门,通过踩油门给车子下一个指令,于是车子给空气管道,汽油管道,火花塞都下一个命令:
你们给我加把劲!
于是每秒烧50次的变成了60次,70次……但是凡事有个上限,你总不能让发动机一分钟燃烧100万次吧?
那这时候我要继续提高车速,或者车子装了很多东西,需要加大力量呢?
人们最早想到的方法就是增加气缸容量,本来一公升容积的气缸,加到两公升,或者把两个一公升气缸的放到一起用,这样就相当于原来一匹马给你拉车,现在变成两匹,三匹……发动机的排气量增加了,每次燃烧的空气和燃料多了,吃得多就有力了,跑得更快了。
这个方法现在也是在用着的。
1.3升排量的夏利爬坡没劲了,我换个2.0的桑塔纳,有钱了再换个3.0的宝马……但是这个方法也是不能无限制使用的,首先,气缸不能无限的增大,数量也不能无限的增加,不然弄个100气缸的发动机,每个气缸像煤气罐那样大……那就不是汽车了。
其次,人们同时遇到了另一个问题。
在一次打仗的时候,(有人把那场战争称为第二次世界大战)当时飞机已经在天上砰砰地互相开火,或者往地上扔炸弹了。
飞行员们发现,飞得越高,飞机就越没力气,甚至有时候发动机还会莫明其妙地熄火。
就这么摔了好几架飞机以后,工程师弄明白了。
原来越到高空,空气越稀薄,进入气缸里跟汽油一起燃烧的氧气也变得稀少,发动机就抗议了,本来么,多少汽油配多少空气混着烧,那人家是早就定好的,无端端少了空气,燃烧效率降低,发动机就没了劲。
怎么办啊?
工程师只能用毛巾缠头,不断地想办法,总不能让飞机不到高空作战吧。
当时全世界都在为这个问题头疼,如果找不到很好的解决办法,飞机性能就要大打折扣。
终于,有个聪明的家伙想出了一个办法:
用压缩空气!
你高空空气不是稀薄么?
氧含量不是低么?
我就给你往气缸里直接送压缩空气,本来气缸能吞一升的,我把两升气压缩了给你灌进去,这下子没意见了吧。
要是不够,我再给你灌三升,4升。
反正我专门弄个配件不干别的,就给你供应压缩空气,你带着它一起飞,也不重。
于是,飞机就带着一个专门压缩空气的黑家伙飞上了天,飞到500米,给你增加一个大气压,飞到1000米,增加两个大气压,反正我保证你空气绝对够烧。
当然,说着容易做着难,压缩空气在什么时机给,怎么给,给多大量,跟汽油怎么保证配合,那可让工程师头疼了好多年。
不过头疼是工程师的事。
反正飞行员可就高兴了,飞机再也不咳嗽了,飞到高空,人都得戴上氧气面罩,可发动机一样好使。
这就是最早的内燃发动机增压技术,为什么先在飞机上出现呢?
因为当时汽车速度最快也不过一百来公里,人们忙着打仗,没时间发展什么马路飚车的业余爱好。
战后,有家瑞典的飞机制造公司,叫SAAB的,飞机卖不动了搞三产,先把这种给发动机喂压缩空气的技术用在了汽车上,造出了第一辆成熟的,带有废气涡轮增压装置的发动机。
这个发动机实际上就是利用了发动机本身排出的废气,推动一个小型空气压缩机,把压缩空气送到气缸里。
这时候仗打完了,已经有人开始飚车赛车了,动力不够,速度不快么,原先的做法就是增加气缸容积,增加气缸数量,气缸一下就上来8个10个,总排气量给你上到十升八升。
这下好了,车子带着一个巨大无比的发动机,跑是能跑,但都快没位置坐人了。
于是有人发现瑞典人的聪明了。
本来么,在高空的时候发动机喘不上气,给点压缩空气,可是到了地面,气是足够了,还给你气缸里送压缩空气,那不就相当于给正常人吸氧,绝对亢奋啊。
吸多了没准还有点磕白粉的效果——这说的有点过了,反正比方说抽个大麻,那劲头还是有的。
不过光给压缩空气还是不行,前面说了,多少氧气配多少汽油,那是有比例的,这问题好解决。
油么,我油管粗点,流速快点,多往气缸里灌就是了。
于是,内燃发动机的一个新时代来临了,使用增压技术,在较小的气缸空间里,通过增加空气量,增加燃油量,从而增加了油气混合气体的密度,最终实现了更猛烈的燃烧,小小的发动机,实现了比过去普通自然吸气发动机更大的力量输出。
不过这当然是以消耗更多的燃料为代价的,空气不要钱,随便用。
燃料可是要钱的。
当然,技术发展以后,人们发现要往发动机里送压缩气体,不止一种方法,现在成熟的一般有两种,废气涡轮增压和机械增压。
简单来说,废气涡轮增压,就是利用发动机排出的废气,推动一个涡轮带动压缩装置,进行空气的压缩,然后把压缩好的气体送到气缸里,这个很明显是要发动机运转起来后,喷出的废气有了一定的力量,才能启动压缩工序的。
而机械增压就是把压缩机跟发动机曲轴连接起来(原理如此,当然不是直接连在曲轴上),当发动机一开始工作,就能马上往里头送压缩空气。
两种压缩方法各有千秋,这个我们以后再讲。
有人要问了,这增压技术这么好,为什么没有普遍使用呢?
首先,这增压技术确实好,它可以在较小的发动机上,榨取出更大的发动机马力,按照目前一般的技术,增压发动机能够提供额外大约30%的动力,也就是说,1.8T发动机(T就是(Turbocharged 的缩写,一般我们也简称(Turbo)大约相当于普通自然吸气2.34(1.8+0.54)升排量发动机的动力。
不过,这是有条件的。
首先,不管是通过废气涡轮增压也好,机械增压也好,要发动机能够在高压下好好工作,气缸的强度就得更大,这就跟高压锅它的身体比一般的铝锅更结实一个道理。
其次,前面提到过,在输送压缩空气的整个过程中,空气的密度,压力控制,燃油的输送速度,是个不断变化的过程,这个过程以及整个系统的配合,都是一整套复杂的机构。
此外,还记得高中物理的同学应该清楚,空气被压缩的时候是要升温的,温度一升密度就减小,这跟我们的初衷是相左的,所以还要有个专门的冷却机构来把压缩过的空气冷却(这个有点&%$%&%*)……这么多复杂的机构配合在一起,就把本来很简单的发动机搞复杂了。
复杂到什么程度呢?
中国号称解放后就开始造车,造到现在也没有自己造出一台能用的,装在轿车上的增压汽油发动机。
话说回来了,也不是造不出来,估计造出来了一看,算了,还是老实点用回自然吸气的吧。
如果只是工艺复杂,那倒也不是特别大的问题,现在的轿车已经越来越复杂了,多一堆零件对奔驰奥迪那些大厂来说不算什么,可是,增压技术还有个比较致命的地方没法解决。
这个问题的存在,使得人们意识到:
增压技术虽然有时候能提供大马力,但是就像运动员吃了兴奋剂一样,不可能永远强大,在吃药前后有时候体力会更差。
出来混,迟早是要还的。
这也就是为什么各大汽车生产商没有全面普及增压技术的原因。
要详细解释这个问题,需要从两方面分别来说:
Turbocharged和Supercharged 。
前面我们已经知道,涡轮增压是利用发动机排出的废气来产生压缩空气的,机械增压是直接利用曲轴的转动来压缩空气的。
实际上,气缸里有了空气和油雾以后,还有一个压缩的过程,也就是说,即使是自然吸气的发动机,也要先让活塞向内挤压,把混合气体压缩一下,密度变高,这时候再点火,把活塞向外推,带动曲轴转动。
所以说,虽然通常我们说的是燃烧,但实际上气缸里进行的是一次次的小型爆炸。
而这个压缩的过程,压缩到什么程度,有个专门的名词叫压缩比。
我们只要知道混合气体是经过了一个压缩过程,将气缸空间变小,使混合物压缩到一定浓度以便更好地进行燃烧就是了。
这个压缩比的大小呢,是经过了精密计算的,根据每一款发动机的特点,压缩比有不同,也就是有可能把混合气体压缩到1/10,也有可能压缩到1/9。
但是如果是增压发动机呢?
这就有点乱套了,本来是一个大气压的空气,给压缩到1/10,那进来的如果已经是压缩空气,再怎么压缩呢?
压缩到什么程度比较合适呢?
因为这个压缩过程是通过曲轴上的一个机构实现的,就好像我们打针,针筒的活塞推进拉出多少距离,这是固定死了的。
一款发动机的压缩比,基本上也是固定死的。
而前面我们已经知道,涡轮增压发动机在低转速的时候,排出的尾气力量不够推动涡轮,这时候是没有办法产生增压效果的,所以我们看涡轮增压发动机都有个涡轮介入的范围,这个通常是在发动机转速2500转左右。
这下问题来了。
发动机里面燃烧是很讲究的,一定分量的空气+一定分量的燃料+一定程度的压缩=最优化的燃烧。
那么涡轮增压发动机在2500转以下跟2500转以上,他吃进去的混合物浓度是不同的啊。
对这两种不同的情况,工作条件不同,就必然只能择优录取。
于是,涡轮增压发动机的压缩比,气体燃料配合,点火时间配合,就必然倾向了增压状态,也就是说,所有的配合都是为了满足涡轮开启时的工作要求。
当发动机在2500转一下,没有开启涡轮增压的时候,整个发动机相当于工作在传统状态下,而这时候发动机各个部门的配合一点也不协调,工作效率是很低的。
这就有点像你让一个短跑运动员参加竞走比赛,走是能走,但总有点别扭。
所以我们为什么有时候会听到有人说,涡轮增压发动机在低转速下还不如普通的发动机好使。
这时候这台涡轮增压发动机没有发挥出应有的特长,反而感觉软绵绵的,对于这个现象,有一个专门的名词叫涡轮迟滞(TurboLag)。
不过当发动机到了一定转速,涡轮正常工作状态开启后,带来的变化是巨大的。
举个例子,就像在一个封闭的房间引爆一包炸药,很爽,放两包,更爽!
涡轮增压就能带给你这种更爽的情况。
当然这种更爽的情况,也是有个限度的,这个限度一般来看就是30%,也就是说,一般能为发动机增加30%左右的功率。
为什么是30%呢?
少了,意义不大,多了,也通常就意味着压缩的程度更高,更高的气压就要求涡轮更大的压力,意味着涡轮迟滞的情况更严重,而且有时候意味着燃烧不完全,浪费的燃料更多,经济型变差,而且会对发动机的强度,工作效率带来负面影响
看另一边,机械增压。
我们也说过,机械增压是靠曲轴带动压缩机构,也就是说,不用等到2500转,发动机一开始运转就能为气缸输进压缩空气。
这样好不好呢?
有好又不好。
好处是大大减少,甚至基本不会出现涡轮迟滞效应,不好的是,不管转速如何,发动机总得带着机械轮一起做同步转动,这在某些情况下就等于发动机额外带着一个负担,这在高转速情况下,有时候会消耗很大的动力。
涡轮增压和机械增压的大概原理已经说完了,大家知道,他们工作方式不一,互有长短,但根本原理都是要往气缸里送压缩空气,以便让气缸更爽。
但是我们要记得:
一、爽是有限度的,2.0增压的发动机再爽也不能爽出4.0的动力。
二、爽是有条件的,要爽,就要多喝油,而且也不是自始至终的爽,要么是开头(低转速),要么是结尾(高转速),总有不太爽的时候,这有点像吸白粉(对不起我又错了,应该是抽大麻),爽完之后你会更疲倦。
三、增压发动机要比自然吸气发动机多出很多机构,而且它的成本,维护保养功夫,耐久性,经济型都要比自然吸气发动机有差异,总的说来就是比较麻烦。
四、涡轮增压高转速爽,但是在工作过程中有一个突然的发力过程,机械增压低转速好,而且基本上在整个工作过程中动力输出很平均,但高转速就差点。
两者各有所长。
所以呢,有些厂商就宁死不玩增压发动机,比如宝马,比如保时捷,比如本田。
他们在某一阶段有过实验性的增压车型,但是总体来看,他们一直是在坚持开发自然吸气的发动机,并且做出了卓越的成绩。
当马力不够的时候,他们除了按照老方法增加排气量,像弄一些6岗,8缸甚至12缸的引擎,还开发了别的新技术,比如本田的vtec(i-vtec),丰田的vvti,还有三菱的MIVEC技术,都是在自然吸气发动机上追求更高效率的燃烧(发现没有,很多东西是日本人先想出来的)当然这些技术在增压发动机上也有类似的体现,但某些品牌保留自然吸气传统的决心,还是很大的。
玩增压发动机的厂商,也有玩得很好的。
瑞典的saab和volvo就是代表。
大家别忘了,这两家都是造飞机起家的,他们把航空增压技术用在汽车上,玩成了贵族。
(宝马也是造飞机发动机起家的,但是不玩增压……)这两家甚至喜欢同时使用一大一小两个涡轮,小涡轮更早地开启工作,在低转速下提供能量,大涡轮到了高转速再介入。
这样也能达到减小涡轮迟滞的目的。
而且在有些情况下,增压发动机还是比传统发动机有一个优势,那就是小。
某些情况下2.0t发动机要比2.6发动机体积小,重量轻,所以你看大众的小型车,很喜欢做成2.0以下的排量,再加上个T。
而大众比较有特点的一款tsi发动机,就是同时装上了涡轮增压和机械增压系统,这下把两种系统的优点都发挥出来了。
而奔驰一直是把机械增压玩得很转的代表。
而更多的厂商,同时发展自然吸气和涡轮增压发动机,在小型车上使用自然吸气,在追求马力和性能的车上使用增压,达到产品线的平衡。
不过总的来看,涡轮增压技术是比较少用在豪华车上的,像奔驰轿车就喜欢用机械增压。
因为从涡轮迟滞到涡轮工作那一段过程,是个突然的发力过程,飙车族很享受这种推背感,但豪华车的乘客想必不会喜欢。
例外的是saab和volvo,他们的功力就在于把装上涡轮增压的车调教得很舒服。
额外补充的是:
货车大多数采用柴油发动机,柴油发动机本身工作的转速比较低,一般都在两三千转左右就能发挥出很大动力,所以货车,尤其是大型货车,集装箱车,普遍采用了增压技术,在有限的气缸容积内压榨出最大的动力。
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后面没有了,说完了。
这是戏说,目的是给不太了解车,或是对车不感兴趣的朋友做基本启蒙用看的,所以说得越容易理解越好。
如果有不严谨的地方各位老大多多包涵。
谢谢
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