发动机增压技术

现代汽车工业的很多技术都来自于航空业，发动机增压技术也是如此。装备增压器的车型正在逐渐被人所熟知，发动机增压技术从研发到大规模应用，走过了一个漫长的历史过程。这项技术根据工作原理的不同可以分为机械增压器、废气涡轮增压器、复合式增压器、惯性增压器、气波增压器和冲压式增压器。几种增压技术的原理所谓机械式增压器是指增压器的压气机转子由发动机曲轴通过齿轮、皮带或链条等传动装置来驱动旋转，从而将空气压缩并送入发动机气缸，达到增压的目的。这种增压器响应迅速，但由于需要额外的传动装置，机械式增压器的结构比较复杂，体积较大，同时还要消耗一定的发动机有效功率，因此燃料经济性会受到一些影响。废气涡轮增压器则是利用发动机排出的废气能量来驱动增压器的涡轮，并带动同轴上的压气机叶轮旋转，将空气压缩并送入发动机气缸。由于废气涡轮增压器利用排气能量驱动，与发动机之间没有任何机械传动连接，使得它的机械效率更好。同时，它不需要复杂的传动机构，而通过不断的技术积累，传统废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象也得到了很好的控制。因此成为目前应用最为广泛的发动机增压装置。复合式增压器也就是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装置，主要用于某些二冲程发动机上，借以保证发动机起动和低速负荷时有必要的扫气压力。复合式增压器还适合于排气背压较高的场合（如水下），但它的结构过于复杂，体积过大，多用于固定式机器，并不适合小型乘用车辆。惯性增压器是利用空气在进气歧管中的惯性效应、脉冲波动效应及其综合效应来提高发动机气缸充气效率的方法。惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴控制气门的开启角度及时间：气缸在前半个进气行程中，进气门只开启很小的通过截面，使气缸中形成一定的负压，当活塞走过半个进气行程后，进气门迅速开启，很快达到最大通过截面，此时空气以很高的速度冲入气缸。 从某种意义上来说，惯性增压器在很大程度上推动了发动机技术的发展，目前的可变进气歧管长度技术及可变气门控制系统（如丰田的 VVT-i 技术）均得益于这一原理。气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触，利用高压废气对低压空气产生的压力波，迫使空气压缩，从而提高进气压力。气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大，加速性好等优点。但由于它的特殊结构，气波式增压器同样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。另外，空气压力波对进、排气阻力过于敏感，要求进气滤清器及排气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。由于存在许多问题，气波式增压器目前仍处于研究试验阶段。冲压式增压器利用储气筒内的高压诱导空气，通过喷管将周围的空气引射入喷射器中，并在喷射器内混合，然后通过扩压管，把空气压缩到所需的压力进入气缸。虽然冲压式增压器结构简单，工作可靠，但该系统需要高压空气泵、储气筒等部件，由于其连续工作时间较短，因此在应用方面受到限制。目前，应用最为广泛的是废气涡轮增压器与机械式增压器。但机械式增压器只有小规模的应用，这与其机械效率不高有一定的关系。废气涡轮增压器的发展事实上，发动机增压技术首先来自于德国人的创意，1880 年德国人开始着手研究发动机增压技术，并在一战期间应用于飞机上，当时采用的是机械式增压器，这项技术的发明使得当时的航空发动机能够尽可能的轻量化。1909 年瑞典人 Alfred Buchi 博士提出采用废气涡轮增压，但在当时这一概念并不被多数人所接受。1911 年苏而寿（Sulzer ）兄弟公司在瑞典的Winterthur 成立，Alfred Buchi 成为该公司的总工程师。直至 1917 年，这种废气涡轮增压器开始获得实用。此后又逐渐出现了上面提到的复合式增压器、惯性增压器以及气波式增压器和冲压式增压器。1925 年，两艘德国船只上首次成功应用了 2000 马力的涡轮增压柴油机，这也促使 Buchi 博士的废气涡轮增压器很快在欧洲、美国和日本获得了生产权。从 20 世纪 30 年代开始，轴流式涡轮增压器被大量运用到船只、有轨机动车及固定式机器。二战期间美军也将这种废气涡轮增压器应用于作战飞机。虽然发动机增压技术的应用能够在不改变发动机工作容积的情况下提高发动机功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于当时的技术条件所限，增压技术应用于汽车领域一直未获得更大的进展。真正使得废气涡轮增压技术发展并逐渐成熟的是美国人。20 世纪 40 年代后期，航空燃气轮机的出现引起了材料技术与设计方面的重大革新。这对涡轮增压的发展产生了意义深远的影响，其中包括耐热材料的发展、开发高温材料的精密铸件技术等，这引发了径流涡轮机的研究，以及径流涡轮增压在小型车用柴油机上的应用。而滑动轴承的发明，也成为废气涡轮增压技术进一步发展的基础，借助滑动轴承，目前的废气涡轮增压器转速普遍能够达到 150000-170000rpm，这样高的转速是传统的滚珠轴承所无法达到的。接下来的 20 世纪 50 年代，康明斯、沃尔沃和斯堪尼亚等主要的发动机制造商开始研究在卡车上运用废气涡轮增压器技术，这些增压器由 Elliot 和Eberspacher 提供。最初，因增压器自身体积过大，这些早期的设计并未成功。后来，德国工程师 Kurt Beirer 设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增压器。该专利被 Indianapolis 的 Schwitzer 认购。1952 年，使用康明斯废气涡轮增压发动机的赛车在 Indianapolis 赛道的比赛中夺得冠军。 1954 年康明斯生产出了一系列型号的发动机，VT12、6 缸NT，NRTs 和 JTs 。同年，沃尔沃生产了首台使用废气涡轮增压技术的柴油卡车 TD96AS，额定功率为185 马力，与自然吸气式 D96AS 相比提高了 35 马力，同时还有着不错的燃油经济性。增压中冷技术与可变几何结构技术虽然通过增加进气压力可以提高发动机充气效率的方式来提升发动机的动力性能，但随着进气压力的增加，压气机出口的气温也会随之增加，在一定程度上影响了空气密度的提高，而进气温度的提高，还会使得发动机排气歧管端的废气温度进一步提升。要解决这一问题，就要通过降低空气温度的方式来提升空气密度，从而提高发动机充气效率，于是发动机增压中冷技术出现了。大量的试验表明，依靠中冷器，在增压压力保持不变的条件下，增压空气温度每下降 10 摄氏度，它的密度就增大 3%，当空气燃油消耗率都保持不变时，发动机的功率一般能够提高 3%，同时大幅度降低废气中氮氧化合物的含量。而发动机工作效率也会随着增压空气温度的下降而上升，进气温度下降 10 摄氏度，发动机工作效率会相应提高约 0.5%左右。因此，在同样的空燃比下，进气温度每下降 10 摄氏度，发动机功率实际上可提高约 3.5%。这项技术不仅可提高发动机的功率，而且还可降低发动机在相同额定功率下的热负荷和排气温度以及最大爆发压力。在热负荷保持不变的情况下，发动机由于增压空气温度下降而提高的功率，较空燃比保持不变时的更高。一般发动机的中冷器采用水冷或风冷的方式工作，但由于发动机冷却水的温度普遍在 90 摄氏度以上，因此水冷的方式并不能达到最佳效果，虽然可以依靠独立的冷却系统工作，但独立的散热器安装方式和重量控制的问题却又无法回避。而依靠风冷方式，可以有效地把发动机进气温度降低至 60 度左右，增压发动机的机械效率得以显著提升。另一个困扰废气涡轮增压发动机应用的原因被称作涡轮迟滞。涡轮增压器必须在转子达到一定转数后才能达到最佳工作状态，但在转数提升的过程中，涡轮增压器的转子反应会相应的滞后于驾驶者的操作动作，而在进入工作状态时，废气涡轮增压发动机会突然出现过于暴躁的动力表现，往往使人难以适从。考虑到车辆对于发动机低转扭矩和运转平顺性的问题，可变几何结构技术被工程师应用于废气涡轮增压器上。通常情况下，流体的流量与流速成反比。在压力大小保持不变的情况下，通过控制流体的通过截面大小，可以很好的控制气流的速度，可变几何结构技术正是基于这样的原理，通过控制废气涡轮外围的一组导流叶片的角度来控制废气涡轮增压器转子的转数。这样，废弃涡轮增压器就可以在发动机转速较低时进入工作状态，从而使搭载废气涡轮增压器的发动机在各个转数区域都有良好的扭矩、功率输出。废气涡轮增压器的应用20 世纪 70 年代以前，废气涡轮增压发动机多用于大功率柴油机及部分汽油发动机赛车上，在小型民用乘用车上一直没有大规模使用。或许不会有人想到，欧洲第一部使用废气涡轮增压发动机的民用车型出自宝马旗下，这与今天宝马坚持的 NA 路线大相径庭。1973 年面世的宝马 2002 Turbo 采用直列 4 缸设计，这部 2.0L 排气量的发动机可以在 5800rpm 时输出170 匹的最大马力，配合 5 速手动变速箱，当年的宝马 2002 可以在 6.9 秒内完成 0-60 英里/小时的加速，最高车速为 130 英里/小时。宝马 2002 只提供了白色和银灰色两种涂装，从 1973 年 7 月到 1975 年 7 月，仅有 1672 辆这一型号的宝马车型在美国市场售出。真正让废气涡轮增压技术名声大噪的首推 1974年的保时捷 911 Turbo。当年，装备 2.1L 废气涡轮增压发动机的 911 Carrera RSR Turbo 2.1 凭借强大的马力以及出色的操控性能，横扫勒芒 24 小时耐力赛。而第一代普通版本的保时捷 911 Turbo 则采用 3.0L 废气涡轮增压水平对置风冷发动机，最大输出功率可以达到 260 匹。此后相继推出的数代保时捷 911 Turbo也都成为世人追捧的传世之作。也许以后人们在评论保时捷对于汽车工业的贡献时会毫不犹豫地提到“甲虫”式的流线车身、风冷水平对置发动机、出色的操控性能，还有就是大名鼎鼎的 Turbo。让我们把目光退回 20 世纪 70 年代末的瑞典，萨博这家从航空工业发展而来的汽车公司，在废气涡轮增压技术的民用发展过程中扮演了推广者的角色。1976 年，萨博公司凭借长期在涡轮增压发动机方面的研究，使得他们的涡轮增压发动机具有自然吸气发动机一般的响应灵敏度。1977 年的法兰克福车展上，萨博公司的 3 门掀背车款萨博 99 的废气涡轮增压器版本正式发布，并引起了媒体和市场的广泛关注，从此之后，萨博差不多成了 Turbo 的代名词。1978 年，萨博 900 车型上市，该车型基于萨博 99 的长轴距版本设计，分为 3 门和 5 门版本，虽然以今天的发动机技术来衡量，萨博 900 的 2.0L 直列 4 缸涡轮增压发动机的动力性并不算出色，108Kw 的最大功率即便是今天的自然吸气发动机也能够轻易达到，但在 20几年前，这一数字仍然值得世人的尊敬。当年的萨博900 凭借废气涡轮增压发动机的迅速响应以及良好的低转扭矩特性，仍然创造了 0-100Km/h 9 秒的加速成绩以及 196 公里的最高车速。一般来说，大厂商为了追求车辆的可靠性，并不会过分依赖增压器压榨出更强大的动力。如果说上面几款车的表现用出色来形容，那么在民间改装领域，增压器的表现就可以用惊人来描述了。一些专业改装师能够通过打磨气缸壁、修改中央电控单元 ECU，同时加装废气涡轮增压器，把一具 2.0L 排气量的直列 4 缸引擎（如三菱的 4G63）的最高功率提升至500 匹马力以上，通过氮氧催化剂更可压榨出高达700 匹马力以上的最高功率。要想达到 1000 匹马力在他们眼中也并非什么