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汽油发动机的机械增压与涡轮增压技术

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摘要:大家知道,目前的增压式发动机分为两种:第一是通过废气驱动的涡轮增压式发动机,第二是通过皮带驱动的机械增压发动机。但你知道这两种不同增压技术的优缺点各是什么吗?对车辆来说具体会有什么影响?看完本文找找答案吧!

引言 

大家知道,目前的增压式发动机分为两种:第一是通过废气驱动的涡轮增压式发动机,第二是通过皮带驱动的机械增压发动机。但你知道这两种不同增压技术的优缺点各是什么吗?对车辆来说具体会有什么影响?看完本文找找答案吧!

世界上绝大多数汽油乘用车均采用了自然吸气式发动机,也就是说发动机完全依赖大气压力将燃烧空气送入气缸,整个过程不涉及增压。对比之下,几乎所有柴油轻负荷车辆则均采用了增压式发动机。一般来看,汽油增压发动机通常面向注重性能的公路用车。

近几年来,汽油增压发动机在美国新车市场中的比例一直在5%左右,但最近这一比例却开始快速提升,博世(Bosch)和马勒(Mahle)等供应商均已进入该领域,协助汽车厂商应对车辆燃料经济性提升和减排的需求。简单来说,增压式发动机分为两种:

第一是通过废气驱动的涡轮增压式发动机,也称为涡轮增压机(如图一);

第二是通过皮带驱动的机械增压发动机,比如罗茨式机械增压发动机(如图二)或更加昂贵的螺杆式机械增压发动机(可提供更高的压力比)。

在汽车改装次级市场中,由皮带驱动的离心式增压器的应用非常广泛。

由于日益严苛的燃料经济性法规、大幅提高的燃料经济性目标,以及严格控制的温室气体尾气排放要求,增压式发动机已经从一种仅见于高性能车型的高端技术逐步进入大量更加平价的经济车型。现阶段,世界各地的汽车厂商均在积极缩小发动机的尺寸(程度小于柴油发动机)。美国厂商正在积极使用2.0L的小排量I-4燃气发动机取代3.5L自然吸气V6发动机。欧洲市场的2.0L I-4发动机也可能会被厂商替换为排量更小的1.4L1.3L I-3发动机。在这种背景下,为了弥补排量降低而造成的峰值功率和扭矩输出损失,汽车厂商开始将目光转向增压进气技术。

简单来说,增压进气技术可以压缩空气,为进入燃烧室的空气提供更大的压力,进而使得发动机在进入剧烈的爆震前产生更多的动力。增压发动机一般还会搭配一款中间冷却器(也就是增压空气冷却器)冷却空气压缩中产生的热量。

此外,事实证明这种增压技术非常适合与另一种日益流行的发动机优化解决方案:汽油直喷系统(GDI)搭配使用。从成本来看,汽车厂商的“降尺寸/增压力”战略通常会带来成本上的增加。比如:尺寸更小的I-4增压发动机在单车装配费用上比尺寸较大的自然吸气V-6发动机大约贵1500美元。

驾驶员也许仍可以获得与过去类似的整体性能和加速体验,但他们必须意识到,小型增压发动机的声音和给人的感觉肯定会有所不同。这种发动机的转速更高,会带来一种“嗡嗡”的声音并产生振动,运转时更加费力、运行温度更高,但特定性能数据也更高,比如 hp/L kW/L 等。在这种情况下,小型增压发动机更易发生负载过大的状况而产生故障,因此也更加需要高性能的合成机油,且换油周期也需要更加频繁。此外,车辆可能还必须设计一个专用机油冷却回路,保证机油温度处于合理范围之内。

为了充分享受车辆的功率性能,增压车型的车主每次加油时都必须使用更加昂贵的高辛烷值汽油。一般来说,92号高辛烷值汽油的售价比87号标准汽油高0.20美元/每加仑。但如果车主使用低辛烷值汽油,增压发动机的震爆传感器将驱动发动机控制器,阻碍点火定时器的工作,从而降低功率输出,影响车辆性能。

原始设备制造商可以在涡轮或机械增压发动机中做出选择。对比来说,机械增压器在低转速下性能更好、使用寿命更长,但成本也更高,而且在空间有限的发动机舱中封装不如涡轮增压器灵活。因此,涡轮增压器在市场中的应用更为普遍。然而,由于涡轮发动机在低速时的增压性能有限,且边际瞬时响应不佳,市场上也会有一些厂商选择机械增压发动机。通常来说,柴油机发动机会借助可变截面涡轮(VGT)技术,优化发动机在转速较低时的表现。但由于汽油发动机的尾气温度太高(超过1000摄氏度),事实证明这种 VGT 技术并不适合汽油增压发动机。

目前,仅有保时捷(Porsche)一家汽车厂商正在进行 VGT 汽油增压发动机项目。除了 VGT 技术,另一种优化发动机响应的方法将排气歧管紧密耦合在涡轮的热端部件,将其变成系统整体的一部分。此外,涡轮增压器的双涡道设计也可以进一步优化发动机在整个转速范围内的性能。

虽然罗茨型机械增压器的使用寿命基本可以与汽油发动机(假设为24万公里)持平,但涡轮增压器的使用寿命却很难保证,在发动机的生命周期内至少需要更换一次,而且这个费用可能相当昂贵。目前,没有任何厂商会为涡轮提供终身保修。早些时候,涡轮轴承经常因发动机熄火后润滑油焦化影响转子转动,而过早发生故障。但如今由于高效合成润滑油的出现,以及针对涡轮轴承的持续水/乙二醇冷却系统,这种情况已经不再常见。在柴油发动机等压力比更高的涡轮应用中,由于循环弯矩造成的铝制叶轮片疲劳断裂是导致涡轮发动机故障的首要原因。然而,乘用车中汽油发动机的歧管增压基本较低(基本在812个大气压),仅有较短时间会达到15个大气压,因此并不需要担心叶轮片疲劳断裂的问题。

一些厂商经常声称,涡轮发动机可以回收废气中的“免费能量”,为车辆提供增压。尽管如此,所有汽油涡轮发动机均增加了额外的排气背压设计,虽然这会抵消一部分功率,但幸运的是进气流带来的功率提升可以弥补这部分损失。

 
 
 
 
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