涡轮增压发动机能获得更大的功率

最佳答案 - 由投票者2006-09-17 09:02:00选出

说起增压，大家首先可能就会想到许多发动机型号后面的那个“T”。没错，这个“T”指的就是发动机的增压，通过增压来实现小排量发动机获得大排量发动机相同的功率输出。最早在国产车上使用增压发动机的是一汽大众的奥迪200 1.8T车型，当时在这款车上采用了德国大众原装进口的1.8升涡轮增压发动机，在区区1.8排量的发动机上，获得了接近当时2.6 V6发动机的功率，一时间在国内车坛引起了不小的哄动。

其实在国外，增压技术很早就被运用在提高发动机的性能上。这些增压技术有很多种类，我们常见的涡轮增压技术只是其中的一种，也是现在运用最为广泛的发动机增压技术。

在这篇文章里，我们就来共同了解一下形形色色的发动机增压技术。

涡轮增压

这是目前全世界汽车厂商运用最为广泛的发动机增压技术，国内非常常见的国产的奥迪、帕萨特、宝来的1.8T发动机就是采用的这种技术。这种技术的优势很明显，它可以利用发动机排出废气产生的能量，来大幅度提高发动机的动力输出。

这里简单介绍一下涡轮增压的工作原理：发动机排出的废气驱动废气涡轮高速旋转，废气涡轮再带动进气涡轮以同样的速度旋转，进气涡轮将空气压缩到气缸内燃烧，。这种状况下产生的进气压力，要远远高于大气压力；换句话说，通过涡轮增压器产生的进气量，远远超过了自然吸气产生的进气量。

由于大大提升了进气量，一台小排量的发动机在安装了涡轮增压器以后，能输出比他排量大很多的发动机的功率。例如：一台涡轮增压值为1.5bar的2.0排量发动机，它的实际输出功率能够相当于一台3.0排量的自然吸气式发动机。

除了大幅度增加功率输出以外，涡轮增压发动机在获得相等功率的同时，比与它相等功率的自然吸气式发动机的尺寸和重量都要小很多。显而易见，装配涡轮增压发动机的车子，比装配相同功率的自然吸气式发动机的车子提速更快，制动也更快。同时由于发动机的重量减轻还有利于获得更好的操控性能。

除了性能上的提高以外，涡轮增压发动机比同等功率的自然吸气发动机更省油，这在如今能源极度紧张的今天显得尤为重要。

涡轮增压发动机虽然有上述的众多优点，但它也有先天的缺陷：涡轮迟滞。特别是在早期的涡轮增压发动机上，这种情况更加明显，以至于影响到当时涡轮增压发动机的发展和普及。

最早的汽油涡轮增压发动机运用在量产车型是在60年代。当时的通用集团率先在它的量产车型雪佛兰Corvair上采用了涡轮增压发动机。当时，这个车有一个让人很难容忍的缺点，那就是在低转速的时候动力非常差，甚至还比不上一台同等排量的自然吸气式发动机，这种强烈的涡轮迟滞使得这台发动机的动力输出很不流畅。

涡轮迟滞是涡轮增压发动机面临的最大难题。尽管涡轮增压能给发动机带来更强的动力输出，但是作为一台民用汽车，流畅的动力输出也是非常重要的。早期的涡轮增压器，其涡轮迟滞非常严重，发动机要保持在3500转以上才能获得充沛的动力，在低转速时发动机动力输出非常弱。除此之外，涡轮增压发动机的压缩比还得降低到6.5:1以下，来避免气缸过热。即便采用了这些保护发动机的设计，当时的涡轮增压发动机仍然比自然吸气式发动机的可靠性差。

涡轮迟滞会给普通民用车的日常行驶带来很大麻烦：在低转速时，涡轮增压器没有介入，同时废气仍然要驱动涡轮旋转，排气没有自然吸气发动机顺畅，此时的发动机扭力输出比同等排量的自然吸气式发动机还要弱。随着发动机的转速升高，例如突破3500转以后，涡轮增压器突然介入，这个时候的产生的动力将陡增。这种动力的突然“陡增”不但损害了动力输出的平顺性，让开车和坐车的人感觉很不舒服，同时还会使车辆难以控制，因为这个时候产生的扭力的增加是非常大而且非常突然的，在路面湿滑的情况下甚至会出现车轮打滑，对于驾驶员的操作是很大的考验。

涡轮迟滞还会破坏汽车的操控精度。对于喜欢玩操控的驾驶者来说，他希望发动机的动力输出是线性的，在每个转速范围扭力都能线性输出，这样才能更精确的控制转向的时点。但是涡轮增压发动机这种迟滞，会让喜欢玩操控驾驶者很难把握其扭力的输出，因为驾驶者经常会遇到踩下油门几秒钟以后发动机才响应的情况，这足以让这位驾驶者抓狂。可以想象，在当时驾驶一台装配这样的涡轮增压发动机的汽车在城市和弯道公路上行驶，是一件多么痛苦的事情！这也就是为什么这种严重迟滞的涡轮增压发动机从来就没有装配在跑车上的原因

第一台装配涡轮增压的跑车出现在1975年，它是保时捷911 Turbo 3.0。为了减小涡轮迟滞，保时捷的工程师们设计了一套机械装置，它能在涡轮增压介入之前允许空气从旁通阀进入到气缸。这样的核心是旁通导管和旁通阀的设计。在废气达到驱动废气涡轮的压力之前，废气通过旁通阀绕过涡轮增压器直接排出。当废气压力升高到足以驱动涡轮时，旁通阀关闭，此时废气才能驱动废气涡轮高速旋转，从而带动进气涡轮高速压缩新鲜空气。这样，就可以解决由于安装了涡轮增压器而导致低转速时发动机的排气阻力大的问题，可以相对提高涡轮增压发动机在低速时的扭力输出，从而适当减小涡轮迟滞，让发动机的输出相对平顺。

中冷器

1978年保时捷911的3.3升涡轮增压发动机问世，它取代了3.0升的涡轮增压发动机。这款3.3升的发动机在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器， 它能减小发动机50-60度的进气温度。由于冷空气的密度大，所以在相同条件下，这种设计可以提高发动机的进气密度，因此发动机工作效率更高。于此同时，由于进气温度的降低，缓解了气缸过热的问题，因此可以适当的提高发动机压缩比，改善低转速时的动力输出。

到了80年代，涡轮增压的公路性能进一步被改进。随着材料和工艺的进步，涡轮的重量被设计的越来越轻，运动惯性惯性也就越来越小。这些改进显著提高了涡轮增压器的响应性，改善了涡轮迟滞。

制造涡轮的材料主要分为不锈钢和陶瓷两种（其中陶瓷的性能更高）。有些车甚至使用钛合金制造涡轮，这种材料使得涡轮的重量更轻，但是造价非常昂贵。


三菱兰瑟GSR的钛合金涡轮
另一个改进的地方是增压器的控制系统。早期的涡轮增压发动机是纯机械的将空气压缩和送入燃烧室。其增压值随着发动机的转速改变而成比例改变（因为涡轮的转速取决于排气的流速，因此与发动机的转速相关）。这样在高转速的时候，发动机的进气压力非常高，如果进气压力过高，发动机就很容易产生暴燃，这种暴燃是对发动机有损害的。要解决这个办法，就需要在进气压力过大的时候，有一个卸压的装置，这种这装置被称作Wastegate。Wastegate是一个安装在进气管上的阀门，一旦压力超过临界值，此阀门打开，可以释放出多余的高压气体，确保发动机不受损害。

在进气管上安装卸压阀门，是80年的增压控制获得的一个伟大进步，它大大提高了涡轮增压发动机的可靠性。早期的卸压阀是纯机械的，控制不是很精确。之后出现了电子控制的卸压系统，通过它可以自动或手动调节涡轮增压器的工作压力。例如：它能设置让发动机在3000转以下产生1.4ba的增压压力，在3000-4500转产生1.6bar的增压压力，在4500rpm以上产生1.8bar的增压压力。在这套系统的帮助下，发动机可以获得更加线性的动力输出。这些电控卸压阀的开闭都是通过ECU来直接控制的。
双涡轮增压：

对于2500cc以上的大排量发动机来说，通常会采用两个较小的涡轮增压器取代一个较大的涡轮增压器。小直径的涡轮增压器拥有更轻的重量和更小的惯性，因此能有效的减小涡轮迟滞。

V型发动机和水平对置发动机更适合使用这种涡轮增压，每一个增压器可以通过一列气缸的排气驱动。与单涡轮增压器相比，双涡轮增压有效减小了进气管的数量，减小了增压器的体积，更重要的是它减小了涡轮迟滞。

双涡轮增压器可以分为两种。一种是并联式的双涡轮，它拥有两个小直径的涡轮增压器，涡轮高低转速，两个涡轮都是同时运转的。这种涡轮增压器通过小而轻的涡轮，可以改善发动机的响应性。另一种是串联式双涡轮增压，它由两个不同尺寸的涡轮构成，低转速时只采用小尺寸的涡轮，高转速时才启动大尺寸的涡轮（此时是两个涡轮同时工作），这种设计的好处是让发动机的输出更线性。