很小，很強(qiáng)大--淺談增壓技術(shù)
在之前幾篇文章中，楊必您已經(jīng)對(duì)增壓器的發(fā)展歷程有了一定了解，接下來，您將看到的是一篇在技術(shù)層面剖析各種增壓器產(chǎn)品的文章，讓明白這個(gè)小設(shè)備是如何讓發(fā)動(dòng)機(jī)變強(qiáng)大的。
上篇文章中已經(jīng)提到，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)基本上從航空工業(yè)沿襲而來，其實(shí)這沒什么可奇怪的，現(xiàn)代汽車工業(yè)的很多技術(shù)都源自于技術(shù)含量更高的航空工業(yè)。當(dāng)然，由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的容量小得多，車用增壓器對(duì)尺寸的要求也更加苛刻。通過眾多工程師的不懈努力，增壓器的體積在最近數(shù)十年內(nèi)已一再縮小，并逐漸衍生出工作機(jī)理基本一致，結(jié)構(gòu)和安裝方式卻千差萬別的多種增壓器。不過從市場(chǎng)占有率來說，渦輪增壓和機(jī)械增壓渤是最主流的結(jié)構(gòu)。
渦輪增壓器(Turbo charger)
渦輪增壓器的全稱應(yīng)該是廢氣渦輪增壓器，顧名思義，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量來驅(qū)動(dòng)渦輪，并帶動(dòng)同軸上的壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，將空氣壓縮并送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。由于廢氣渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒有任何機(jī)械傳動(dòng)連接，機(jī)械損耗更小。理論上只要汽缸壁足夠堅(jiān)固，只需通過增加渦輪的尺寸和激量，就能將動(dòng)力提升到十分驚人的程度。
通過不斷的技術(shù)進(jìn)步，渦輪增壓器的耐高溫性能(剛排出汽缸的尾氣溫度極高)已得到大幅改進(jìn)，但它仍有個(gè)難以完全克服的缺點(diǎn)——渦輪遲滯。壓氣機(jī)葉輪只有在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量到達(dá)一定程度后才會(huì)被推動(dòng)，因此動(dòng)力的響應(yīng)速度也被拖了后腿。此外，突然爆增的動(dòng)力輸出也經(jīng)常讓駕駛?cè)舜胧植患?。盡管近年來出現(xiàn)的可變幾何結(jié)構(gòu)技術(shù)在很大程度上改善了這些問題，但很難從根本上消除。不過由于不需要復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配較容易，它仍是目前應(yīng)用最廣一泛的增壓裝置。
機(jī)械增壓器(Super charger)
所謂機(jī)械式增壓只是一種稱謂，有人也將其直譯為超級(jí)增壓。增壓器的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸獲取工作動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，從而將空氣壓縮并送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。當(dāng)然，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和曲軸無法直接連在一起，而是通過各種齒輪、皮帶或鏈條等傳動(dòng)裝置。由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，汽車廠家通常不太愿意使用該項(xiàng)技術(shù)，而后期自行加裝機(jī)械增壓器的難度很大，極少有人嘗試。
由于驅(qū)動(dòng)力來自曲軸，機(jī)械增壓器在加速時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何遲滯反應(yīng)，可以做到隨叫隨到。此外，增壓器的啟動(dòng)與曲軸的轉(zhuǎn)速同步，所以動(dòng)力輸出也很線性，不會(huì)有渦輪增壓車型常見的突兀感，給人的感覺更接近于一臺(tái)排氣量更大的自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)。不過當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于較高轉(zhuǎn)速下，增壓器消耗掉的發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率也會(huì)相應(yīng)增加，因此燃料經(jīng)濟(jì)性多少會(huì)受到一些影響。
復(fù)合式增壓器
(Compositer supercharger)
復(fù)合式增壓器也就是把機(jī)械增壓器與廢氣渦輪增壓器聯(lián)合起來工作的增壓裝罩,主要用于某些二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上，借以保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速負(fù)荷時(shí)有必要的掃氣壓辦力。復(fù)合式增壓器還適合于排氣背壓較高的場(chǎng)合(如水下)，但它的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，體積較大，多用于固定式機(jī)器，目前只有大眾的1.4升增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了類似結(jié)構(gòu)(本期有詳細(xì)報(bào)道)。
慣性增壓器
(Inertia supercharger)
慣性增壓器是利用空氣在進(jìn)氣歧管中的慣性效應(yīng)、脈沖波動(dòng)效應(yīng)及其綜合效應(yīng)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸充氣效率的方法。慣性增壓器通過特殊幾何形狀的凸輪軸控制氣門的開啟角度及時(shí)間：汽缸在前半個(gè)進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣門只開啟很小的通過截面，使汽缸中形成一定的負(fù)壓，當(dāng)活塞走過半個(gè)進(jìn)氣行程后，進(jìn)氣門迅速開啟，很快達(dá)到最大通過截面，此時(shí)空氣以很高的速度沖入汽缸。從某種意義上來說，慣性增壓器在很大程度上推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前的可變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度技術(shù)及可變氣門控制系統(tǒng)(如豐田的VVT-i技術(shù))均得益于這一原理。
氣波式增壓器
(Pressure wave supercharger)
氣波式增壓器通過特殊的轉(zhuǎn)子使廢氣與空氣接觸，利用高壓廢氣對(duì)低壓空氣產(chǎn)生的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進(jìn)氣壓力。氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭矩大，加速性好等優(yōu)點(diǎn)。但由于它的特殊結(jié)構(gòu)，氣波式增壓器同樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點(diǎn)。另外，空氣壓力波對(duì)進(jìn)、排氣阻力過于敏感，要求進(jìn)氣濾清器及悱氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸并減小阻力。由于存在許多問題，氣波式增壓器目前仍處于研究試驗(yàn)階段。
沖壓式增壓器(Ramjet Charger)
沖壓式增壓器利用儲(chǔ)氣筒內(nèi)的高壓誘導(dǎo)空氣，通過噴管將周圍的空氣引射入噴射器中，并在噴射器內(nèi)混合，然后通過擴(kuò)壓管，把空氣壓縮到所需的壓力進(jìn)入汽缸。雖然沖壓式增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但該系統(tǒng)需要高壓空氣泵、儲(chǔ)氣筒等部件，由于其連續(xù)工作時(shí)間較短，因此在應(yīng)用方面受到很大限制。
中間冷卻系統(tǒng)
Inter—cooIer system)
雖然增加進(jìn)氣壓力可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，但隨著壓力的增加，壓氣機(jī)出口的氣溫也會(huì)隨之增加，在一定程度上降低了空氣密度，同時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管端的廢氣溫度連鎖提升。此外，高熱也會(huì)影響負(fù)責(zé)潤(rùn)滑和部分冷卻工作的機(jī)油，令其快速氧化甚至焦化。為了解決這些問題.中間冷卻器便應(yīng)運(yùn)而生了。
大量試驗(yàn)表明，在增壓壓力保持不變的條件下，增壓空氣溫度每下降1 O攝氏度，密度就增大3%，當(dāng)空氣燃油消耗率都保持不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率一般能提高3%，同時(shí)大幅度降低廢氣中氮氧化合物的含量。而發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率也會(huì)隨著增壓空氣溫度的下降而上升，進(jìn)氣溫度下降1 0攝氏度，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率會(huì)相應(yīng)提高約O.5%左右。因此，在同樣的空燃比下，進(jìn)氣溫度每下降1 0攝氏度，發(fā)動(dòng)機(jī)功率實(shí)際上可提高約3.5%。
一般而言，車用發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷器采用水冷或風(fēng)冷方式，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的正常溫度普遍在90攝氏度以上，因此水冷很難達(dá)到最佳效果。雖然可以設(shè)置獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，但散熱器安裝方式和重量控制問題卻又無法回避。依靠風(fēng)冷方式，可以有效地將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度降低至60度左右，讓增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率得以顯著提升。
撰文：立平