内燃机

内燃机车增压技术多种多样,为何只有涡轮增

发布时间:2024/9/30 12:24:43   
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三种类型:

废气涡轮增压

机械增压

电动增压

这是最常见的内燃机车增压技术。

曾经有些车企使用机械增压,后续出现电动增压,可是用来用去、最终还是废气涡轮增压成了主角,前两种基本都被淘汰喽,这是为什么呢?

搞懂这个问题并不难,前提是搞清楚增压的概念和目的。

不论是哪种增压器,其功能的本质都是“空气压缩机”;都是通过高转速的涡轮增加进气道的吸力,再把“大团的空气压缩变小”,空气中有氮气、二氧化碳、氧气、稀有气体(氦氖氩氪氙氡)组成,各种分子之间有着“相斥又相吸”的特点,在一定的压力状态下,分子的间隙可以扩大或缩小。

比如“高原反应”就是随着海拔的变化导致气压的减弱,可以理解为空气所承受的“压力”随着海拔升高而减小,空气就会随着海拔升高而膨胀,分子之间的间隙扩大,固定空间内的分子数量就会减少;高原反应是因为膨胀导致分子间隙扩大,固定空间内的氧分子数量减少,人的肺活量是基本固定的,吸入的空气中的氧分子数量较少就会缺氧,高原反应其实就是缺氧的反应。

燃油汽车使用的“内燃式热机”是依靠燃油与氧气的化学反应转化机械能(动力),转化的方式就是“燃烧”,燃烧需要空气中的氧气;定量的燃油与不等量的氧气,在固定的时间和其他因素的作用下反应,一定是氧气越多反应速度越快,对应的“反应程度”(燃烧充分性)就会更高。

说句大白话,那就是等量燃油与高氧浓度空气反应,可以释放出更多的能量,车辆的动力就会更强。

涡轮增压技术就是在“玩氧气”,高转涡轮可以把吸入的空气压缩成「高氧浓度空气」,燃油燃烧的充分性就会更高;这就是富氧燃烧,氧浓度越高,单位时间释放出的能量也会越高。

机械增压器的转速很低……这种增压器的转速是在内燃机曲轴转速的基础上进行放大,其动力来自曲轴,曲轴的转速就是“发动机转速”;正常驾驶时的平均转速能有个两三千转,即便机械增压器的转速能够放大,然而又能有多高呢?

转速低则压缩空气的程度小,进气氧浓度当然也会偏低,所以机械增压器的效率很不理想;以某3.0S-V6为例,其最大扭矩只是N·m,并且最大扭矩要到内燃机的转速达到0-转才能达到峰值,在此之前的转速区间里会因为转速低、压气能力弱,导致扭矩不足牛米。

废气涡轮增压与其不同,这种增压器不依靠曲轴带动运转,其动力来自内燃机运行时必然会产生的废气。

家用车的内燃机都是四冲程机,四个运行步骤分别为:

进气喷油

压缩蒸发

膨胀做功

排气进气

吸入多少空气、喷射多少燃油,与空气转化后只会更多,要知道消耗一升汽油可以转化出大约2.4公斤的二氧化碳,还有氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳、油烟、颗粒物等上百种成分。

很显然只要进气做功就要排气,排气量还会非常大;内燃机车正常代步驾驶时,每分钟的排气量也会有几百升之多,试想这些尾气要从狭窄的排气歧管以超高流速排出,排气压力会有多大吧。

那么从排气歧管引出一条排气道,串联上涡轮增压器,高压排气不就能把涡轮驱动到极高的转速了嘛;其转速是可以超过十万转的,而机械增压器的极限也就是几万转,所以3.0T的涡轮增压发动机可以达到N·m以上,并且由于低转速的排气压力就足够大,在1转左右的排气量就能把涡轮驱动到最高转速,从而实现平均1-0rpm维持最大扭矩输出的强劲性能。

然而这还不是重点,重点在于机械增压器是通过连接曲轴获取动力,增压器运行则要损耗动力;也就是说增压技术本就是为了提升扭矩,而机械增压技术是在增压器本身先损耗掉一部分之后,再通过富氧燃烧来补偿损耗后进行一定程度的提升。

但是废气涡轮增压器只是废气再利用,这样就不会损耗动力,动力提升的幅度也会更大。

所以最终机械增压器被淘汰,涡轮增压器成为主流。

电动增压器为什么不能成为主流呢?

原因有两点。

其一是高转速电机的成本很高,某些改装店所谓的高转电机,其转速连一万转都很难突破,还不如机械增压器。

其二是使用电机给内燃机增压毫无意义,因为增压也需要有大容量的动力电池组,再有内燃机发电给电池组充电;那这就不如直接用电机连接发动机,让电机在行驶中输出动力,输出的动力作为内燃机可缩减的部分,提升的效果会更加理想。

所以内燃机最终只会有涡轮增压机,但最终也会被电驱系统取代,毕竟电机的效率远超内燃机,低扭爆发力也有绝对领先优势;简而言之就是不需要什么附加技术,就能实现“充分性”超过97%,起步即可爆发最大扭矩,这都是内燃机不能比拟的。

编辑:天和Auto-汽车科学岛

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