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2942023-2-18
(涡轮增压器三维模型)
我们日常所见到的发动机,通常除了自然吸气,就是涡轮增压了。难道增压就只有涡轮增压一种方式吗?下面我们一起来学习一下
其实,发动机增压有三种方式:涡轮增压、机械增压和气波增压。
气波增压是什么鬼?完全没听说过,咱也不敢问啊!
气波增压,是利用排气的冲击将新鲜空气压成气波(纵波)进入气缸的一种增压方式。
(气波增压原理)
机械增压,则是通过发动机输出轴(曲轴)直接驱动压气机进行增压的方式,由于是曲轴直接驱动,所以发动机的响应特别快,加速效果特别好。
(机械增压)
而最常用的涡轮增压,相信很多人都懂,就是利用废气推动涡轮机,涡轮机本身又与进气管的压气机同轴相连,所以就相当于驱动了压气机,进气就得到了压缩增压了。
虽然发动机有三种增压方式,但是却只有涡轮增压应用得最广泛,而气波增压甚至已经被淘汰,为什么呢?
首先说气波增压,由于气波增压时,气波是以音速传播压缩进气的(为什么一定是音速呢?因为气波要突破音障需要极大的能量),所以,会伴随着极大且刺耳的噪音,因此很难被广泛应用到民用产品上。
其次是机械增压。其实现在还有很多发动机在使用机械增压,比如路虎捷豹多个车系以及大众的若干个车系,使用的都是机械增压。这些车都有一个共同点,那就是贵!为什么贵呢?
两个原因:其一是由于是发动机额外分配一部分功率用来驱动压气机,所以油耗远高于其他增压方式!其二是由于急速响应带来的热负荷太大,需要更加强大的冷却系统,这样就需要更多的成本,且发动机体积要大大增加,因此只能应用于大型车上!这也是布加迪宁可用4个涡轮增压器,也不用机械增压,其实也是很无奈的!
而涡轮增压,则是合理利用废气的能量来实现增压,是一种比较理想的增压方式,因此得以广泛应用。
增压方式主要有四种,分别为机械增压,气波增压,废气涡轮增压,复合增压。
增压技术就是一种提高发动机的进气能力的方法。
从原理上讲,增压并无神秘之处。它就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩,提高进入气缸的气体密度,减小气体的体积,这样,在单位体积里,气体的质量就大大增加了,进气量即可满足燃料的燃烧需要,从而达到提高发动机功率的目的。
增压过程中采用的压气机又叫做增压器。
废气涡轮增压是进气增压的一种方式。
发动机的增压方法根据驱动增压器所用能量来源的不同,基本上可以分为三类:第一类是机械增压系统,
增压器由发动机曲轴通过齿轮(或链条等)直接驱动。第二类是废气涡轮增压系统,增压器是由发动机工作时排出的废气带动的。第三类是复合增压系统,即在发动机上,既采用废气涡轮增压器,又同时应用机械驱动式增压器。此外还有惯性增压、气波增压等其他增压方式。
应用在汽车发动机上的主要是废气涡轮增压系统。奥迪A61.8T采用的就是这种系统,T即代表涡轮增压(Turbocharged)。
涡轮增压的优缺点
涡轮增压的最大优点是可提高发动机的功率和扭矩。
涡轮增压的优点是显而易见的,它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后,其输出的最大功率与未装增压器的相比,可增加大约40%甚至更多。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率,或者说,一台小排量的发动机经增压后,可以产生较大排量发动机相同的功率。另外,发动机在采用了增压技术后,还能提高燃油经济性和降低尾气排放。
汽油机采用涡轮增压技术有一定难度。
凡事有利就有弊,涡轮增压也不例外。发动机在采用废气涡轮增压技术后,工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅度提高,从而使发动机的机械性能、润滑性能都会受到影响。
为了保证增压发动机在较高的机械负荷和热负荷条件下,能可靠耐久地工作,必须在发动机主要热力参数的选取、结构设计、材料、工艺等方面作必要的改变,而不是简单地在发动机上装一个增压器就行了。由于这个改变过程在实行中难度颇大,而且还要考虑增压器与发动机的匹配问题,因此在一定程度上也限制了废气涡轮增压技术在发动机上的应用。
相对来说,废气涡轮增压器与柴油机配合运行时,涡轮机允许工作的范围较广,高效率范围也较宽,在配合运行中产生的问题较少,所以废气涡轮增压技术在柴油机应用的比较多。而对于汽油机在增压后,提高了缸内混合气压缩和燃烧气体的温度和压力,提高了燃烧室受热零件的热负荷,很容易产生爆震。这也就是至今为止,增压技术在汽油机上得不到广泛应用的主要原因。
在汽车市场上,各家厂商都因为排放法规的收紧,陆陆续续走上了增压的道路,目前的主流厂商采用的增压技术主要是涡轮增压以及少量的机械增压。
为此就会有些比较标新立异,角度新奇的消费者提出了问题,以当前汽车工业技术,涡轮增压会有辞职,机械增压排量要求大造价贵,除了这两种主流的增压方式之外,还有其他方法能够驱动涡轮转动吗?
实际上是有的!
比如电子涡轮。
在当前的汽车发展趋势是电气化、轻量化、智能化、自动化的四化要求,在发动机的涡轮增压中少见的电子增压系统,相比起涡轮增压和机械增压实际上是有着非常不错的优点的,例如电子增压不存在涡轮增压系统的迟滞性,也不想机械增压系统一样对发动机的排量有着较高的要求,同时也不会损耗发动机的功率,但是这种有着如此优点的技术为什么不被厂商所青睐,没有在市场上大面积普及开来呢?
电子涡轮,相比比较广为人知的废气涡轮增压和机械增压,由于该驱动方式有别于涡轮增压的废气增压和机械增压的机械能驱动增压,而电子增压在驱动方式上并不依赖发动机本身的动能和热能来驱动,而是另外采用了一个单独的电机带动涡扇提升发动机的进气效率。
发动机上配备的进气增压系统,不管是以何种手段达成的,其最终目的都是为了通过提升发动机气缸的进气效率,以此提升发动机的功率输出。电子涡轮相比起依赖发动机本身热能和动能驱动的涡轮增压系统和机械增压系统而言,电子涡轮采用的是电动增压,因此电动涡轮在发动机附带的各种伺服机构中被划分到了电气化系统中去了。
单一采用电子涡轮技术在汽车发动机领域上的应用是比较少见的,虽然电子涡轮能够做到在250毫秒之内的时间快速起压,不存在废气涡轮增压系统先天性的涡轮迟滞和涡轮介入问题,在驱动上也不需要像机械增压方案一般损耗发动机自身的功率,并且在增压的上限过程中电子涡轮也能够轻易将进气增压系数提升到很高的程度。
不过在电子涡轮的驱动方式的布局上,厂商在考虑成本之余,还需要考虑技术上的难度,比如电子涡轮的电路布局以及电子涡轮的电机重量和电机的散热问题,在此前提之下,就极为容易使得发动机变得更加复杂,在后期维护难度提升,这并非是厂商愿意看到的一点。
在当前的增压时代中,汽车厂商在开发发动机的时候,在当前的大潮流之下,基本上都是优先考虑采用涡轮增压方案,一方面是涡轮增压技术比较成熟,另一方面涡轮增压对于排放控制上表现得更加优异,次之则是选择机械增压方案。
相比之下虽然电子涡轮有着非常不错的优势,但是只需要给发动机多添置一套增压电机的供电系统和控制系统,因此在技术和成本上相对而言优势并不明显,更何况在当前各家厂商都已经有了自己的混动技术,在很多人看来,发动机配备了电动增压系统远不如采用轻混模式来的实在。
不过由于电子涡轮系统的优点近年来已经慢慢被各大厂商所重视,一来是不需要考虑发动机的转速,只要启动就能够进入工作状态,这一点相对于发动机的冷机启动和发动机低速工况非常有好处,能顾大大降低涡轮介入的顿挫和优化低速(怠速)的排放。
于是电子涡轮凭借着这些优点,在近年来慢慢出现在消费者的眼前,博格华纳、格瑞特等老牌技术厂商通过废气涡轮搭配上电动涡轮,开发出了电动涡轮技术,使得两者间相互弥补,相辅相成。
所谓电动涡轮,其实基本工作原理和普通涡轮增压器类似,同样是拥有涡轮机和压缩机,只是在两者之间加入了一台小型高转速电机。当发动机转速较低不足以推动涡轮时,其电机就会介入工作驱动涡轮,并且可以在怠速状态下就让涡轮建立正压;当发动机的排气量足以推动涡轮的时候,电动机则是停止工作,让涡轮系统发挥其应有的效果,同时避免在增压过程中,排气歧管内因出现气流紊乱的现象以及避免了电机在高转速时效率下降的问题。
在某种意义上看来,电动涡轮技术也算是涡轮增压技术中的一种"混动"方式,在发动机的低速和怠速的时候采用电子涡轮推动涡轮增压叶片,能够在一定程度上消灭涡轮迟滞的问题。
对于在传统涡轮增压系统中,加入电机使得传统的废气涡轮系统变成了电动涡轮系统,其最大的优势就是在于能够将发动机的最大扭矩输出转速大大降低,同时也将峰值扭矩的输出区间延长。
根据盖瑞特官方给出的测试结果来看,在一台本田1.6L柴油涡轮增压发动机上配备了电动涡轮增压器,可将原本在最大扭矩输出转速为2000rpm,在采用了电动涡轮增压器后,能够下降到1400转,最大扭矩的输出转速下降了30%,这也就意味着对于一般小排量车辆,能够在经济性上大大提升。
当涡轮系统有了电机的介入之后,工程师在选择涡轮的时候,对于发动机涡轮增压器的选择空间更加大,涡轮尺寸也可以匹配上更大的,强度更高的涡轮叶片,以此提升发动机的性能上限。
在博世和盖瑞特这种老牌的技术厂商中,除了看中电动涡轮带来的各项性能之外,电动涡轮系统在节能减排上也有着非常强的优势,电动涡轮增压器可以在收油时利用废气能量实现动能回收,这一点的可行性在保时捷919 EVO身上就得到了验证,而在欧洲WLTC循环排放测试中,搭载电动涡轮增压的车型也可以实现17%的尾气排放。
涡轮开始电动化,尽管在电动化的程度上并不算太高,但是相对而言结构上并不算复杂,且对于内燃机的性能提升有着非常不错的帮助,不过也由于其供电系统需要瞬时提供巨大的电能,传统12V电压车用电源的供电指定是不够的,这会儿就必须使用到48V电源系统,这一种48V电源系统相对目前一些采用轻混的技术而言,不失给一个不错的研究方向。
目前在电动化涡轮上,在汽车领域上可能还没有出现大规模的应用,但是在格瑞特、博格华纳、BMTS等零部件厂商都开始在这一领域上发力,未来的内燃机技术是否依旧还能大有可为。
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1、废气涡轮增压
靠发动机燃烧后排出的废气,推动排气侧的涡轮旋转;以此带动另一侧的叶轮旋转。叶轮旋转时使发动机能吸入更多的空气,并对其进行压缩,以达到多进气的目的
2、机械增压
机械增压在低转速下便可获得增压。且因为直接由发动机驱动,因此随发动机转速的提升,增压效果也随之增强。
3、复合增压
复合增压,其实就是一个车上既有机械增压,又有废气涡轮增压。它们在高低速时互相配合,以使发动机在各工况下都能达到最佳效果
4、谐波增压 其实也就是我们常说的可变进气歧管(长度与横截面积),说的直白点呢,就是通过调整进气歧管的长度或者横截面,来改变谐波增压的频率,达到“增压”的作用。
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