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涡轮增压器演变之路反环保到节能王牌

发布时间:2020-07-13 10:17:42 阅读: 来源:岩棉彩钢厂家

[第一车市 新闻/涡轮增压器] 涡轮增压器原来曾是跑车装备的代名词,同时可以增强小型发动机的动力并减少油耗和排放,涡轮增压器在全球的市场快速扩大,现在生产涡轮增压器前几位的企业有,霍尼韦尔、博格华纳、三菱重工、IHI。

涡轮增压器是通过送入压缩空气来增大发动机功率的增压器装置。现在涡轮增压器市场转向了快速增长,2011年的涡轮增压器全球需求为2200万台,2015年将会达到3500万台。

有效利用排气能量

涡轮增压器最初是在2000年前后得到复苏机会的。欧洲厂商当时迫切需要应对严格的环保规定,于是发动机小型化成为减排有害物质的有力方法。但是,如果只单纯地减小排量,发动机的输出功率也会降低,由此可能丧失乘坐舒适性。欧洲厂商想到了使用涡轮增压器,在保持燃效性能的同时,弥补输出功率的不足。

2006年,德国大众推出了为低排量汽油发动机安装增压器的汽车。数量多于柴油发动机的汽油发动机的小型化步伐由此开始加快,涡轮增压器市场呈现爆炸性扩大。

涡轮增压器的基本构造十分简单。主要部件是将废气流转变为旋转运动的涡轮机,以及为发动机提供压缩空气的压缩机。这两个旋转体通过轴连接在一起。首先,利用发动机汽缸排放的废气,驱动涡轮机旋转。通过轴来带动压缩机旋转并吸入空气,然后对其压缩,再强力送入汽缸。如果空气量多,燃烧就会变得剧烈,并相应地输出强大的功率。因为能够有效地利用排气能量,所以效率比较高。

改善爆震及响应延迟现象

但如果将为柴油发动机开发的涡轮增压器直接安装在汽油发动机上,就无法发挥作用。原因是必须解决汽油发动机特有的爆震(异常燃烧)现象。

提高发动机效率的王道是提高压缩比。汽缸内的混合气体压缩程度越高,就越能使燃料一次性燃烧,并在瞬间产生巨大的功率。不过,压缩比过高的话,容易发生爆震。本来应该由火花塞选择恰当的时机使混合气体燃烧,但混合气体却在没有预料到的时候自然点火。这也会导致发动机出现故障。

为解决爆震问题,业界开发出了直喷方式。传统型汽油发动机在汽缸前将汽油混入空气并送入汽缸。而直喷方式直接向汽缸喷射燃料。燃料在汽缸内气化时,因为会抢夺周围的热量,所以不容易发生爆震。柴油发动机之所以与涡轮增压器比较相配,是因为很早以前就开始采用直喷方式,爆震也比较少。欧洲厂商在发动机小型化方面处于领先地位的原因也在于此。

解决了最大问题爆震之后,涡轮增压器开始在低燃耗技术中占据重要位置,但这种装置也存在弱点。那就是踩下油门之后到发挥增压效果之前存在响应延迟,也就是涡轮迟滞(Turbo Lag)。

即便排气量增加,具有一定重量的涡轮机的转速也不能马上提高。请想象一下风车,估计就容易理解了。刚开始即便向风车用力吹气,也不会使其马上开始全速旋转。要解决涡轮迟滞问题,光是涡轮机、压缩机及轴等的轻量化就存在限制。

由此诞生的是,在向涡轮机吹入排放气体时缩小间隙的构造。就像为了让水在挤压软管时强力流出而缩小喷口直径的做法那样,在排气量较少时缩小喷出孔来加快流速,从而使涡轮机高速旋转。通过进行多种改进,使原来长达两秒钟左右的涡轮迟滞缩短到了一秒钟左右。

还有一种不存在响应延迟的增压方式。那就是使用机械增压器。利用经由皮带等从发动机的输出轴取出的动力来压缩空气。因为与发动机直接相连,所以可在踩下油门的同时发挥增压效果。

机械增压器不会发生响应延迟的特点获得好评,并被超小型化汽车所采用。最具有代表性的就是日产汽车全面改进、将排量从1.5升减小至1.2升的NOTE。该车配备了装有机械增压器的HR12DDR新型直喷发动机,每升燃效最高可达到25.2km(JC08模式),比上一代车型提高了四成。

对实现如此高的燃效作出贡献的是名为米勒循环的机制。可为防止吸气量过多而进行调节,从而成功减少了名为泵气损失的内部阻力。

另一方面,因限制了吸气量,输出功率也会降低,这是米勒循环的缺点。在日产开发HR12DDR的岸一昭介绍说,低转速区的实际排量与900cc发动机同等。

如果吸气时送入压缩空气,会产生功率,但估计采用这一实际排量时,涡轮增压器的涡轮机无法充分转动。因此,日产采用了美国伊顿(Eaton)的机械增压器。机械增压器内部设有螺旋状转子,转子旋转时,会向汽缸推出空气。据日产介绍,装载较重的行李或者爬坡时,可启动机械增压器立即增压,从而输出与1.5升发动机相当的功率。

因机械增压器从发动机取出动力,所以工作时燃效效率会降低。因此,日产还准备了不使用时可断开机械增压器和发动机动力的机构。

涡轮增压器和机械增压器虽同为增压器,但擅长领域不同。因此,大众公司还推出了同时配备机械增压器和涡轮增压器的汽车。尽管这样部件重量会增大,但可在低速区使用机械增压器,在高速区使用涡轮增压器,同时发挥二者的优势。

三菱重工及IHI等打算通过在新一代涡轮增压器上安装电动压缩机,来消除涡轮迟滞现象。不仅可产生与大众配备两种增压器的汽车相同的效果,而且能够减轻部件重量。

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