内燃机TS涡轮增压器与机械增压器技术 [复制链接]

序：内燃式热机是俗称的汽车发动机，不过发动机的概念很宽泛，所有能把其他形态的能量转化为机械能（动能）的机器都叫做发动机，比如外燃机中的蒸汽轮机以及电动机都是发动机。之所以内燃机被普遍“定义”为发动机，原因为使用这种发动机的汽车是主流的通勤与运输工具，其中涡轮增压发动机是内燃机技术的巅峰形态，本篇主要解析涡轮增压技术的特点。

Turbo涡轮增压器

涡轮增压器的本质是一台空气压缩机，其结构包括废气涡轮与进气涡轮。增压器运转的动力来自发动机的排气，四冲程的内燃机有是个运行步骤，其中排气是最后一个环节，也是最重要的一个环节。

普通中小排量内燃机的排气压力可以非常的大，假设一台2.0T的涡轮增压在转稳定运转，在爆燃膨胀冲程中的废气压力可高达7bar左右，这种压力程度是什么概念呢？

标准大气压的7倍左右标准汽车轮胎胎压的3倍左右潜水手表（米标准）的3倍以上自由潜水极限的4倍左右这就是内燃机运行中排气压力的概念，如果对上述示例没有概念的话，可尝试用一些填充物堵塞住发动机的排气管尾喉，此时原地加油门即使有1~2人全力顶住堵塞物也不一定能阻挡得住，可想而知内燃机的排气压力会有多大。

重点：Turbo利用排气压力实现富氧燃烧。在排气歧管引出一条管路，在管路中加装一台增压器，此时发动机只要点火则会产生排气压力，高压排气则能够驱动增压器的废气涡轮运转；有意思的是利用废气驱动属于“废物利用”，发动机没有产生多余的能耗，也就是说涡轮增压技术不会费油，但是能够大大提升扭矩。

废气涡轮与进气系统的叶轮为刚性连接同速旋转，使用低惯量涡轮则能够利用高压废气实现数万转的高转速，叶轮以同样转速运转则能够将进气系统中的常压（常规体积）的空气压缩成小体积。而空气体积表现并不会让空气中各种分子的数量减少，反而会因为压缩而增加；常压空气中的氧含量为20.9%，压缩后肯定会高于这一数值。

燃油的燃烧需要氧气的助燃，燃烧的本质是一种高温氧化还原反应；氧气可理解为催化剂，同时也可以理解为“兴奋剂”，因其浓度越高反应过程中分子运动的强度越大，推动活塞转化成为的扭矩也就越大了。

所以氧浓度直接决定了动力的强弱，涡轮增压技术通过发动机运行中必然产生的高压废气驱动涡轮，涡轮带动叶轮压缩空气，最终实现富氧燃烧的“高度亢奋”状态。整个流程没有增驾一点点多余的能耗，但却实现了没有涡轮增压的内燃机依靠扩大排量才能实现的大扭矩状态；以目前成熟的涡轮增压技术而言，普通的2.0T发动机已经能实现N·m的大扭矩，而一些3.5~4.0升的自然吸气发动机也只是这一水平，油耗倍数级降低但性能却能够大大提升，这就是涡轮增压技术必然会风靡的原因。

Supercharger机械式增压器

在涡轮增压技术不够成熟之前的十余年前，涡轮增压技术曾经风靡过一段时间。其结构原理非常简单，利用一根皮带与发动机曲轴端连接，另一端自然是固定在机械增压器上；启动发动机后增压器随即开始运转，增压器叶轮转速会随着发动机转速的提升而同步提升，原理参考下图。

这种结构的增压器优点是技术门槛很低，连后市场都有破坏性改装的能力。缺点是会大大增加油耗，因为机械增压器的运转一定会消耗能量，与发动机曲轴固定则消耗的是发动机的功率；其状态就像汽车空调的压缩机，区别为压缩机可以通过A/C开关，但是机械增压器无法关闭。所以使用机械增压器的车辆，其综合路况平均油耗在推重比与传动系统概念相同的前提下，油耗会高出2L/km左右，这种能耗与技术和节油减排背道而驰了。

同时机械增压器的转速很低，试想普通发动机的额定转速不过转左右，机械增压即使通过齿轮组放大转速又能有多快？很显然要比废气涡轮增压器低太多，转速低则增压压力小，压力小则进气氧浓度低，扭矩自然不会高。某自主品牌使用的3.0S-V6发动机的峰值扭矩不过N·m左右，而主流的2.5T~2.7T六缸增压机的扭矩均可超过N·m。

总结：S机械增压技术能耗高且增压效率低，T涡轮增压技术不增加能耗且效率高，这就是主流发动机都会采用Turbo技术的原因。

编辑：天和Auto-汽车科学岛

责编：天和MCN

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