涡轮增压器—小型发动机的神器

2015-3-20 14:18| 发布者: 高华华| 查看: 1851| 评论: 0|原作者: 范韬|来自: 译言网

摘要: 涡轮增压器是缩小汽车发动机尺寸，提高发动机性能和节能减排必不可少的设备。

小型发动机的能力

得益于最新涡轮增压器的应用，用较小发动机来缩小汽车尺寸变得越来越容易。涡轮增压器能将一台标准四缸发动机的动力变得更加强劲。

       以前，经济型四缸发动机只会安装在最便宜的汽车上；现在，四缸发动机甚至已经被安装到了豪华车上。是什么让四缸发动机的认可度，或者说的准确一点，是喜爱度，变得越来越好？答案是得益于先进涡轮增压器的发展，在发动机的气缸的尺寸在保持不变的条件下，涡轮增压器能向气缸输入更多的空气，相应地，发动机就能燃烧更多的燃油。得益于此，安装了涡轮增压器的汽车发动机结构变得紧凑，但输出功率和扭矩还高于同等重量的普通发动机。发动机的输出扭矩是指发动机在低速旋转时，能转变成输出功率的旋转力；此类发动机具备更好的燃油经济性和较低的污染物排放。

       涡轮增压器以发动机排放的热废气为动力源来驱动一个小型涡轮，这个小型涡轮随即带动一个小型空气压缩机运转。为了提高涡轮增压器的性能，有时会将一台中冷器安装在空气压缩机和发动机进气总管之间。中冷器能降低压缩空气的温度，能进一步提高输入气缸压缩空气的密度。一般而言，一台1.8升排量涡轮增压四缸汽油发动机的输出功率和扭矩与一台3.0升排量自然吸气的六缸汽油发动机相当。同样地，一台涡轮增压V6发动机的输出功率和扭矩能高过一台自然吸气的V8发动机。

       涡轮增压器和机械增压器不可相互混淆。在20世纪20年代，宾利汽车公司率先将机械增压器安装到4.5升排量宾利汽车上。涡轮增压器和机械增压器的作用大致相同，都是将空气压缩后输入发动机，但他们的运行方式完全不同。机械增压器不依赖发动机热废气来驱动涡轮，而是直接被发动机驱动。机械增压器有一个优点：机械增压器不会有“涡轮迟滞”现象（即涡轮增压器要一段时间才能到达运行速度）；涡轮增压器的缺点就是它需要发动机为其提供动力才能运行，从热力学的角度来看，这降低了发动机的输出功率。

       在2010年，美国政府公布了公司平均燃油经济性标准（CAFE）；该标准要求：2016年的车型必须达到每美制加仑燃油行驶35.5英里（即百公里耗油6.63升）；从那时起，各个汽车制造厂商开始重视涡轮增压器。在输出基本相当的情况下，与尺寸更大的自然吸气发动机相比，涡轮增压四缸发动机能节省15%的燃油。此外，由于涡轮增压器提供了更多的氧气来支持燃烧，气缸内的油气混合物也燃烧得更完全，整体尾气排放量也降了下来。

       在欧洲，柴油发动机型轿车和卡车占到了汽车销量的一半，涡轮增压技术带来的好处就不言而喻了。由于柴油机利用压缩热来点燃燃油（不是使用火花塞），必须具有较高的压缩比才能点燃燃油。为了应对更高的内部压力，柴油发动机的机体、气缸盖及其他往复运动部件和旋转运动部件都被制造得更坚固，因此也变得更重。

       遗憾的是，一旦转动质量变重，旋转速度就不能转得很快。因此，柴油发动机的工作转速较低，其转速变化范围较小。柴油发动机转速相对较低，在吸气行程过程中，其无法吸入足够的空气；正因如此，涡轮增压器很早就被安装到柴油发动机上，以弥补其吸气能力的不足。

       现代涡轮增压汽油发动机从柴油发动机那里移植了不少技术。但二者之间存在的重大不同，有必要对相关技术进行重新设计。例如，汽油的挥发性要高于柴油，其燃烧速度快，燃烧温度高，只需较低的空燃比；汽油发动机还能在较宽的转速范围内运转，对驾驶员的操控反应更灵敏。如果涡轮滞后的时间长达数秒，车辆的可操控性将大为降低——驾驶员做出操控动作时，发动机没有响应，随后突然有了突发式响应。

       反过来一样。如果驾驶员将脚从油门踏板上移开，涡轮增压器不能很快地将速度降下来，这将导致油门关闭，空气气流无法进入发动机，由此造成的压力波将涌回涡轮增压器，导致空气压缩机损坏。为了防止这种情况发生，一个冲放阀被安装在了涡轮增压器和进气管之间。冲放阀的作用就是将多余的压缩空气释放到空气里。

       在发动机的排气管处，一个废气旁通阀被用来调节涡轮增压器的输出，废气旁通阀能将热废气放掉一部分，从而保证适量的热废气进入涡轮。废气旁通阀保证了涡轮接受的能量与空气压缩机需要的能量一致，以保证涡轮增压器输出的压缩空气与发动机的需求一致。柴油发动机本身具有的特点，使其无需装备上述复杂设备。

       技术人员采用了多种技术手段来提高涡轮增压器的反应灵敏度。显而易见，涡轮增压器的旋转部件变得越轻巧，涡轮增压器对油门装置变化的反应也就变得越快。可惜，小型涡轮增压器产生的压缩空气气量很快就会被耗光。尺寸大一些的涡轮增压器倒是能产生出足够的压缩空气，但要一点时间才能达到正常运转的速度。多个综合了多种技术的涡轮增压器被设计出来，具有大型和小型涡轮增压器的优点。

       两个比一个强

       现在，双涡壳涡轮增压器成为了主流产品。双涡壳涡轮增压器的工作方式像是将一对涡轮增压器并排连在一起，每个涡轮增压器单独接受两个排气管供气。虽然使用一对涡轮增压器能减少涡轮迟滞，但也让成本成倍增加，安装也变得更加复杂。双涡壳设计采用两路废气进气口和两个喷嘴为单个涡轮供气的设计；一个喷嘴与涡轮叶片的倾角较大，以提高涡轮增压器的反应速度，而另一个喷嘴与涡轮叶片的倾角较小，以保证涡轮增压器达到最佳性能。

       为四缸发动机安装两个排气歧管自然会导致成本增加，但与其相匹配的各个气缸的动力行程不会相互干扰，两股尾气也能各自进入涡轮增压器的隔离涡壳，让涡轮旋转更加平稳。这种工作方式除了能提高涡轮的效率，还能清除气缸内的燃油燃烧后残留的废气，降低废气排放温度（减少了氧化氮的排放量），进一步降低涡轮迟滞。小型涡轮增压发动机意味着发动机尺寸的缩小并不会造成性能降低，这对开汽车的人而言，是个惊喜。