压缩机是怎么影响汽车涡轮增压的发展的?

在目前的汽车市场上,很多的汽车都搭配了涡轮增压技术。那么除了涡轮增压之外,还有什么增压技术吗?又是如何增压的?这其中压缩机又扮演着什么样的角色呢?

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一般来说,汽车发动机的工作步骤为:进气-压缩-燃烧(产生动力)-排气。

为了提高引擎动力,工程师们增加了引擎的缸数(排气量),但是根据热力学第二定律,这样做的同时也就是浪费了更多的能量。

而且近几年由于环保法规日益健全,汽车厂商们不得不采用小排量发动机。排量缩小了,动力不就也减少了吗?所以就有了另一个加强动力的办法,那就是发动机增压

一般来说,发动机增压就是增加进气量,一般来说有涡轮增压机械增压这两种。

一、涡轮增压技术的原理

简单的来说,涡轮增压(Turbo Boost),是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作转产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术。

其实,涡轮增压的原理很简单:我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加发动机的进气量。

一般来说,涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮带动同轴的叶轮,叶轮压缩输送由空气滤清器管道来的空气,使之增压之后进入气缸。

当发动机转速增快,废气的排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮又压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以使更多的燃料充分燃烧,相应的增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以实现增加发动机的输出功率了。

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涡轮增压工作原理图:红色为高温废气,蓝色为新鲜空气。

在这其中,右边蓝色部分的涡轮,实际上就是一个以空气为驱动力的回转式压缩机

二、涡轮增压技术的发明与发展

这种涡轮增压技术,最早从1905年,由一位瑞士工程师Alfred Büchi所发明,并取得了相关专利。

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Alfred Büchi关于涡轮增压器的专利简图

但是实际上,由于当时技术水平和工艺、材料的限制,所以一直到1912年,世界上第一台废气驱动的增压器正式问世,因为体型的限制,这种增压器被首先安装在船舶行业。

1926年,瑞士人A·J·伯玉希(A.J.BUchi)才第一次设计了一台带排气涡轮增压器的增压内燃机。

之后由于世界大战的到来,发动机增压技术在军事领域得到了巨大的发展。包括美国的通用电气,为大量美军飞机匹配了带涡轮增压器的发动机。

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使用R2800型航空引擎的P-47战斗机所使用的涡轮增压系统

三、涡轮增压发动机的成熟与应用

在第二次世界大战之后,空气压缩机的制造技术水平和工艺取得长足进步,增压技术在民用领域的研究和应用得到大力的推进。

1950年增压技术才开始在柴油机上采用并作为产品提供市场。

1962年,通用集团的雪佛兰Corvair Monza Spyder Coupe和Corvair Monza Spyder Convertible作为首款配备涡轮增压器的量产车而发布。

几周后,同属通用集团旗下的奥兹莫比尔推出了Cutless车系的一个衍生车型,F-85 Jetfire。通用汽车在Oldsmobile Cutlass Turbo Jetfire作为乘用车首次应用了涡轮增压器。

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通用集团的F-85 Jetfire成为首款采用涡轮增压技术的乘用车。

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此后20世纪70年代,保时捷911搭载涡轮增压器,但因为瞬间产生的巨大压力和热量,使安装后的效果并不理想。

涡轮增压技术在发动机上的应用,最大的瓶颈是缸内压力过大、出现不安全因素

1977年Saab萨博99汽车,采用一个废气阀门,在发动机缸内压力过大时,泄掉部分压力,使这项技术的应用成为了可能。

从现在来看,历史的发展总让人唏嘘:概念的提出可以很早,技术的实现则是困难无比。

在借助战争对生产技术的推动作用下,涡轮压缩机的制造技术与稳定性,也同步带动了汽车增压技术的发展。

四、机械增压技术

机械增压技术与涡轮增压类似,都是通过将空气进行增压,注入发动机内帮助燃烧,以提供更充沛的动力。

而与涡轮增压技术不同的是:机械增压是由发动机带动皮带,来为空气压缩机提供动力进行工作的。

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机械增压技术一般采用的就是螺杆压缩机,它具有可靠性高、动力平衡性好、适应性强的特点。

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在60到70年代的美国,还有一种叫做鲁兹式机械增压(Roots Superchargers)的方式。在它的前引擎盖上有两个涡轮压缩机通过皮带与发动机相连。这一形式也成为当时美国肌肉车的符号象征。

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采用鲁兹式机械增压的汽车。

五、涡轮增压与机械增压的优缺点

一般来说,涡轮增压的特性是利用排放废气,装置本身基本不消耗发动机动力,增加进气效率提高动力。

但是缺点是通常要发动机超过2000转后才介入,不利于起步加速,涡轮的惯性让加速还有一个响应时间的延迟

机械增压优点是发动机启动运转就开始介入,起步加速有力,没有涡轮的工作延迟,即时响应。

缺点是通过发动机的动力输出来让增压器工作,消耗部分发动机动力。

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所以现在也有采用TSI技术的发动机。TSI是Twincharged(双增压:涡轮增压器Turbocharger+机械增压器Supercharger)Stratified Injection的简写,T指双增压, S指分层,I 指喷射。

TSI燃油直喷技术在同等排量下实现了发动机动力性和燃油经济性的完美结合,是当今汽车工业发动机技术中最为成熟、最先进的燃油直喷技术,并引领了汽油发动机的发展趋势。

当然了,这与压缩机的发展与进步,也是离不开的。

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