汽車百科知識:機械增壓技術為什麼被淘汰,廢氣渦輪「遲滯」嗎?
內燃機增壓系統可分為三類:
- 廢氣渦輪增壓_T
- 機械渦輪增壓_S
- 電動渦輪增壓_E
在普通乘用車型領域「Turbo_廢氣渦輪增壓技術」是主流選項,Mechanical supercharging_機械增壓器已經基本被淘汰,上千款量產車中使用這種技術的車輛掰掰手指就能數完,這是為什麼呢?原因在於機械增壓器的效率太低,而且會增加油耗,下圖為結構特點。
動力源_曲軸
機械增壓器的動力由發動機曲軸供給,通過皮帶與曲軸連接。而曲軸是輸出「扭矩」的結構,那麼增壓器的運行阻力則會損耗部分扭矩,這就帶來了【怠速轉速高】的核心缺點。普通燃油動力汽車的怠速轉速僅為800rpm左右,該轉速的輸出功率足以克服運行阻力實現自運轉;但是機械增壓器的運行阻力損耗了部分功率,結果必然會造成機器熄火——想要不熄火就得提高轉速與噴油量,以高油耗為代價產生更多的熱能,以同時滿足怠速和增壓器的動力需求。
重點1:由於機械增壓器與曲軸是剛性結合,所以啓動後就會升高轉速(油耗)。然而這並不是最重要的,重要的是裝備機械增壓器的車輛在怠速時也在以“富氧狀態”燃燒,這會增加缸內壓力導致機體零部件老化的加速,同時偏高的怠速轉速也會增加磨損。所以大多數性能車與小排量汽車都不再選擇這種低成本的技術,前者要穩定使用壽命、後者要考慮油耗問題。
重點2:機械增壓器的「增壓程度」相當不理想,因為增壓器即使能夠通過齒輪組放大渦輪轉速,但是曲軸的轉速畢竟是很低的。普通代步車的發動機極限轉速大多在“6500rpm”左右,增壓器渦輪的增長只能依靠轉速的提升,所以這種機器的極限轉速也不過是幾萬轉;相對低的轉速無法在中高轉速區間有效壓縮空氣以提升進氣氧濃度,扭矩相比廢氣渦輪增壓系統就會低的多。比如3.0S的發動機峯值扭矩不過450N·m,而3.0T卻能達到600N·m左右。
T_動力源
- 高壓排氣
不論使用哪種增壓系統的發動機或者自然吸氣發動機,其運行過程中都會產生壓力非常高的排氣。Turbo正是利用了氣流衝擊渦輪使其運轉,這種“廢氣利用”的模式不會增加運行負荷(油耗)。而且發動機怠速時的排氣壓力很小,其力量不足以驅動廢氣渦輪運轉,所以在怠速時並不會加速發動機的老化。
知識點1:廢氣渦輪增壓器被普遍認定為「遲滯」,因為參數標準往往是“2000~5000rpm”,然而這只是【峯值扭矩】的持續標準,也是增壓器渦輪達到最高轉速、所需要內燃機達到的轉速範圍。在2000rpm轉速節點之前渦輪也是運轉增壓的,因為增壓器不可能直接從“0轉”跳到數萬甚至十幾萬轉;正常的增壓器都會在1000rpm左右開始運轉,也就是踩下油門的瞬間就會開始增壓,所以廢氣渦輪增壓並不遲滯。
知識點2:渦輪的慣性質量有很大的差異,有些低慣量在1250轉既可達到最高轉速,也就是讓發動機輸出峯值扭矩。而中大排量追求加速平順的發動機則多選擇高慣量的增壓器,在1000/3000區間為增壓壓力的線性提升,在3000/5000rpm區間可以輸出峯值。這種調校適合排量基數足夠大,峯值扭矩在400N·m左右的機器;而追求極限性能則以大扭矩配合低慣量增壓器,或者使用兩組廢氣增壓器配合;亦或者在低轉速區間使用轉速也不高的電渦輪,高轉速以廢氣渦輪增壓,比如F1賽車。
總結:機械增壓器由於會增加油耗,而且增壓效果遠不如廢氣增壓,所以這種技術基本被淘汰了。廢氣渦輪增壓技術是內燃機“最後的掙扎”,用增加氧濃度的方式要比其他提升所謂的熱效率更能直接有效的提升扭矩,供參考。