第1/2两节为技术解析,第3节为三类涡轮增压技术(涵盖电子涡轮)优缺点解析,建议学习了解技术特点后再阅读第三节。
技术解析:「涡轮增压」技术是内燃式热机的里程碑式的技术!燃油动力汽车装备的是所谓的“内燃式热机”,其功能是通过燃烧燃油产生热能,通过活塞连杆曲轴等机械结构,将热能转化为机械能的发动机。这种机器的能量转化率是非常低的,因为在运行过程中会因冷却循环系统、进排气影响以及自身复杂的机械结构运动而消耗很多能量,真正能转化为动能的热能占比极低。(参考下图)
知识点1:内燃机的「热效率」平均在35%左右,也就是说燃烧一升燃油有“350毫升”(概念)能转化为动力。由此可见此类发动机的能耗会有多高,那么想要提升车辆的性能则会有更高的油耗,因为只有燃烧更多的燃油才能产生更多的热能——除非能在不增加耗油量的前提下,提升燃油反应(燃烧)时的运动强度,这种概念能够实现吗?
知识点2:燃油燃烧的本质是「氧化还原反应」(化学反应),指燃油在被点燃的瞬间与空气中的氧气反应开始运动。分子的运动是无规则的强烈运动,内燃式发动机活塞的上下往复运转依靠的正是分子的“推动力”;产生高温则是分子运动摩擦的结果,那么只要让运动的强度得以提升,消耗等量的燃油似乎就能产生更强的“推动力”——实现的方式正是增压。
「涡轮增压器」的本质为空气压缩机,在进气管路中会有一组能够高速旋转的涡轮,空气在涡轮的高速运转中会被压缩体积。常温常压下的空气中含有约20.95%的氧气,普通的「NA自然吸气」初级发动机吸入的正是常压空气;氧气是燃油化学反应的催化气体,理论上氧浓度越高则分子运动的强度越大,常压空气助燃的效果只能是“平常水平”,但是压缩空气后就完全不同了。(下图为富氧燃烧的火焰状态)
「富氧」的概念指固定体积的空气中氧浓度更高(氧气更多),内燃机实现富氧的方式则为增压“压缩”。假设1m³(立方米)的空气中有“2095个氧分子”,通过增压器把1.5m³的空气压缩成1.0m³的体积(大小)——压缩的只是空气中各种分子之间的间隙,分子数量并没有减少;那么在体积层面「1.5=1.0」后,压缩空气的氧分子数量就会变成:(2095÷2)+2095=3142.5个。
知识点:更多的氧分子在相同的时间内为燃油助燃,燃烧时分子就像吸入了“运动饮料”变成更强,运动产生的推动力(扭矩)就会更大。决定汽车性能强弱的核心参数为马力,而马力的计算公式为(扭矩×转速÷9549)×1.36=马力(PS),从公式中可以看出扭矩才是提升性能且不升高油耗的核心,因内燃机的转速越高喷油量越大,能通过提升扭矩也不改变转速的方式提升马力则是最理想的结果——这与增压器的类型有什么关系呢?
在不同阶段中,内燃机尝试过各种类型的增压器。技术门槛最低的是「S_机械增压」,其增压器是由发动机曲轴通过皮带连接而带动运转;这种结构的优势为增压器全时介入压缩空气,缺点为内燃机的转速太低(平均转速极限为6500rpm),增压器涡轮即使通过结构放大也无法实现很高的转速,结果造成了压缩空气的强度不够理想。以2.0升的机械增压发动机为参考,峰值扭矩不过只有“300/350N·m”的低标准。
「T_废气涡轮增压」是现阶段主流的类型,其驱动涡轮运转的动力不再是发动机曲轴,而是内燃式发动机正常运行时必然产生的高压排气。利用排气的“高压推动力”可以轻松的让涡轮达到数万转,与涡轮刚性连接的叶轮自然会有更强的空气压缩能力,也就是空气中的氧浓度程度更高,燃烧等量燃油产生的扭矩会更大。同样以2.0升涡轮增压机为例,优秀量产机型的峰值扭矩可达到“400N·m”的高标准。
关键点:电子涡轮增压器是否可用?这种技术在赛车上还真的有使用,不过仅仅是作为「废气涡轮增压器」的辅助增压。其功能是在起步加速的极低转速区间运转,在废气涡轮没有达到高转速之前“辅助压缩”。这一模式对于追求极限性能的汽车而言是有些价值的,然而单纯依靠电子涡轮就会很差了;因为这些电机的转速比机械增压器还要低,甚至某些改装「电子涡轮」的转速还不如“CPU散热风扇”。
电子涡轮在起步的低转速区间还有些增压作用,但在高转速范围内因转速过低无法有效,且快速的压缩大量进入内燃机的空气。结果会造成进气不畅导致空燃比失调(氧气不足),扭矩反而会下降。所以电子涡轮是不建议使用的,改装增压器的最低标准也应该是「机械增压」,懂了吧。