增压技术是现代车用发动机的必然选择.docx
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增压技术是现代车用发动机的必然选择
增压技术是现代车用发动机的必然选择
1.发动机提高功率需要增压器
众所周知，汽车发动机的工作，多是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功，从而对外输出功率。
发动机刚刚问世时，完全依靠活塞向下运动时,在气缸内形成的真空度吸入空气和燃油的混合气，这种机型称为自然吸气发动机。
但在其排量一定的情况下,要想提高发动机的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。
然而，向气缸内多提供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。
提高发动机吸入气体的能力，即提高其充气效率就显得尤为重要。
增压技术是一种提高发动机的进气能力的方法，即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，由此在单位体积里，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，从而提高发动机功率。
这一增压过程中采用的压气机又叫做增压器。
2.增压器的应用价值
（1）节能
增压技术的原意是强化发动机工作过程，提高发动机升功率。
一台1.65升排量的增压发动机的功率，等于一台3.78升排量的非增压发动机（即自然吸气发动机）的功率。
由此降低了发动机的重量，减少汽车的滚动阻力，对于汽车节能来说具有积极意义。
另外，增压使发动机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高发动机热效率,从而以提高发动机的负荷率。
一台发动机可以有无数个同样大小功率的工况点,自然吸气发动机只有处在中低速的高负荷区域，才能够获得最低的油耗率。
在设计汽车时，必须按照其设计的最高车速选定发动机标定功率，但实际车速很少达到最高车速，尤其在城市行驶时。
因此发动机大多在燃油经济性很差的工况区域运行，负荷率很低，便用提高发动机负荷率的方式来提高燃油经济性。
若将一台自然吸气发动机改成具有相同标定功率的增压发动机，主要依靠增压来达到要求的标定功率，其排量可以减少很多。
在汽车的常用车速下，发动机的增压度很低，几乎作为一台排量减小接近一半左右的自然吸气发动机。
故在常用工况下，它可以在较高的负荷率下运行，相当接近发动机的最佳燃油经济性工况区域。
一旦汽车需要加速，发动机便很快达到标定功率。
增压发动机提高了进气压力，从而增大了正的排气功，有利于节能。
从热力学计算也表明，增压发动机可以降低发动机的壁面散热，有利于提高燃油经济性。
有资料显示，相同功率的增压发动机和自然吸气发动机，前者的排量可以比后者减少18%～35%，燃油经济性可提高10%左右。
（2）环保
增压能够使发动机节能，相应地减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。
由此可见，增压可以使任何类型的发动机降低排放。
但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。
对汽油机来说，由于过量空气系数大体上接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。
柴油机的过量空气系数本来就远远超过1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。
若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，炭烟和一氧化碳的排放大幅度减少;由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，碳氢化合物的排放也会降低。
但吸入的气缸空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效氮氧化物的排放量增加。
因增压柴油机提高燃油经济性，有时可放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。
例如推迟喷油使燃油经济性降低，但它最多可使氮氧化物降低30%，足以抵消增压对氮氧化物排放的负面影响。
故采用增压技术的同时，适当地减少喷油提前角，就可以全面降低所有有害物质的排放，同时保留增加升功率和一定程度上提高燃油经济性的好处。
3.增压器的种类
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:
第一类是机械增压器，它是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器，它是由发动机工作时排出的废气带动的。
第三类是复合增压器，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。
（1）机械增压器
机械增压器是一种强制性容积置换泵（简称容积泵）。
它跟涡轮增压器一样，可以增加进气管内的空气压力和密度，往发动机内压入更多的空气，使发动机每个循环可燃烧更多的燃油，从而提高发动机的升功率和平均有效压力,来改善汽车的动力性、燃油经济性和排放性。
机械增压器本质上是一台罗茨鼓风机，有两个转子，每个转子都扭转一定的角度，例如60度以形成一个螺旋。
这两个转子都由发动机曲轴通过皮带驱动，与废气系统不相干。
机械增压器跟曲轴之间存在固定的传动比。
这两个相向旋转的转子各有若干个突齿，在工作时互相啮合。
扭曲的转子跟特殊设计的进口和出口几何形状相结合，有助减少压力波动，使空气流动平稳，工作时噪声较低,其效率比传统的罗茨鼓风机为高,转速可达14.0O0r/min，从而缩小了体积。
过它的置换体积和皮带传动比来跟发动机相匹配，同时能够在任何发动机转速下提供过量的空气流。
汽油机起动和起动后暖机阶段的混合气需要特别加浓，造成大量的碳氢化合物和一氧化碳排放。
迅速提高催化转化器的温度，对于汽油机驱动的轿车满足欧洲第三阶段排放法规的要求具有特别重要的意义。
涡轮增压器会降低排气温度，使催化转化器的温度不能迅速升高，影响它的转化净化效率,若采用机械增压器，就可解决这个问题。
机械增压器可兼作二次空气泵,同样是出于满足欧洲第三阶段排放法规要求的考虑，汽油机需要引入二次空气系统。
机械增压器可兼作二次空气泵，减少了发动机成本;为提高汽油机的升功率，可采用机械增压，也可采用四气门。
对机械增压的3.8L、两气门V6发动机跟非增压的4.0L四气门V8汽油机进行的比较表明，机械增压的汽车具有较好的功率和扭矩，而且总体成本也比非增压的四气门汽油机汽车低。
这是因为四气门汽油机较为复杂，相关的工具费用也较高。
（2）涡轮增压器
应用在汽车发动机上的主要是废气涡轮增压系统,它是进气增压的一种方式,其优点是显而易见的，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，郎一台小排量的发动机经增压后，可产生较大排量发动机相同的功率，而且还能提高燃油经济性和降低尾气排放。
但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,从而使发动机的机械性能、润滑性能都会受到影响。
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。
为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。
4.废气涡轮增压器作用原理
涡轮增压是柴油机废气涡轮增压的简称，它是提高柴油机功率的一种有效措施。
这种结构是利用柴油机排气管排出的具有一定压力的高温废气，驱动涡轮旋转，带动与涡轮同轴的压气泵轮，压气泵轮的旋转将滤清器滤过的空气吸入压气泵，进而使高压空气流流经进气管，进入汽缸与更多的柴油混合燃烧，从而提高发动机的充气效率，以保证发动机发出更大的功率。
柴油发动机的功率与排量有关，在其尺寸和排量已经确定的情况下，现代汽车多采用废气涡轮增压器的措施，增加充气量和供油量，来达到提高功率、降低油耗，防止污染和降低噪声的目的。
涡轮增压器是装在排气管和进气管之间的一个涡轮装置，是以发动机的排气流驱动涡轮；涡轮带动压气机叶轮旋转，向进气管中充气，加大了发动机的进气量，再相应提高供油量，就加大了升功率。
由于它对改善汽车的动力性、经济性和排污度具有显著效果，因此它已成为柴油机发展的趋势之一，并正在得到广泛应用。
在一般柴油机上将进排气管作适当变动，并调整加大供油量，加装废气涡轮增压器后便可明显增加功率。
与提高发动机排量的方法相比，采用涡轮增压可缩小发动机外型尺寸，节约原材料，降低燃油消耗。
与同排量未采用涡轮增压柴油机相比，采用涡轮增压后可增大扭矩，提高汽车装载质量，又可以减少柴油机系列的品种，扩大其使用范围。
此外，采用涡轮增压技术后，柴油机工作比较柔和，噪声也比较小。
另外，在防止大气污染方面，涡轮增压也有其独特之处，这是因为采取废气涡轮增压后，可使过量空气系数提高，进气温度上升，因而CO、HC及炭烟的排放量均得以降低，但NOX却有所增加，目前人们在采用涡轮增压的同时，加中间空气冷却（简称增压中冷）就可全面降低排气污染。
废气涡轮增压器按进入涡轮的气流方向，可分为径流式和轴流式两种。
径流式由于效率高、加速性能好、体积小、结构简单，在车用柴油机上广泛采用。
按是否利用发动机排气管内废气的脉冲能量，废气涡轮增压器可分为恒压式和脉冲式，目前车用柴油机废气涡轮增压均采用脉冲式。
一般发动机采用一个涡轮增压器，而有的发动机都有两个涡轮增压器，通常用于多缸发动机或V型发动机。
5.机械增压和涡轮增压性能对比
（1）涡轮增压器在高工况下具有良好的高增压性能，这是机械增压器所不及的。
（2）涡轮增压器的增压压力跟它的转速有密切的关系。
在发动机低速范围内由于废气流量较小，涡轮增压器本身的转速较低，增压压力和增压空气流量不可能很高。
这就使涡轮增压发动机的低速扭矩受到限制，必须采取谐波增压或变截面喷嘴技术应对。
机械增压器的低速扭矩及汽车加速性能良好，较涡轮增压器优胜。
（3）涡轮增压器中，一旦发动机的质量流量达到一定程度，就必须让部分流量通过放空阀旁通，使涡轮增压器的瞬时响应特性较差，发动机对加速要求的响应比较迟缓。
而机械增压器没有这方面的问题，它的瞬时响应特性较好。
（4）为解决因涡轮机极大的流动阻力对发动机产生的排气背压,它必须有调节装置，该装置采用放空阀或可变截面喷嘴。
采用放空阀会引起能量的额外损耗，降低发动机的效率和汽车的燃油经济性。
而机械增压器不需专门的调节装置，因为发动机转速确定时，其流量变动范围较小,它也可以布置旁通通道，在不需要增压的工况下，空气可以不经过增压器，直接从旁通通道吸入进气管，从而减少能量损耗，提高燃油经济性。
（5）涡轮增压器插在发动机排气口和催化转化器之间，耗费了废气内能，使进入催化转化器的废气温度降低，延长催化转化器起燃时间，影响发动机起动和起动后暖机阶段有害物质的净化。
而机械增压器跟排气系统不相干，不会影响催化转化器的起燃特性。
在欧洲第一和第二阶段排放法规的工况法排放测试循环中，发动机开始起动后有40秒钟怠速，在此期间排出的废气不予采集，上述问题不很突出。
但从欧洲第三阶段排放法规开始，取消了这40秒钟怠速，特别是汽油机，排放测试循环中起动和起动后暖机阶段从排气管采集到的碳氢化合物和一氧化碳大量增加，并形成整个测试循环废气排放量的大部分，故强调催化转化器起燃快。
因此，在推行欧洲第三阶段排放法规时，机械增压器用于汽油机特别有利。
（6）为净化汽油机起动和起动后暖机阶段排放的大量碳氢化合物和一氧化碳，藉以满足欧洲第三阶段排放法规，必须在起动和起动后暖机阶段间汽油机排气口注入二次空气，通常采用电动二次空气泵解决这个问题。
若采用机械增压器，即可兼作二次空气泵。
只要通过电子控制将原本送往进气管的增压空气改成送往排气门后面就可以了。
而在涡轮增压汽油机中，为了满足欧洲第三阶段排放法规，就不能省略电动二次空气泵。
（7）一般来说，机械增压发动机的燃油经济性不及涡轮增压。
但若机械增压器采用旁通系统，其燃油经济性跟涡轮增压器不相伯仲。
有数据表明，汽车装了机械增压器之后，在高速公路上行驶时燃油经济性没有恶化，而在城市工况下每加仑汽油能够行驶的路程只减少了1.6公里，变动的幅度大致在1/25左右。
若在保持轿车动力性不变的前提下，在采用机械增压器的同时减少发动机排量，从总体来说必定能够提高燃油经济性。
（8）涡轮增压器有利于降低发动机排气噪声，进气噪声则以机械增压器见优。
当发动机不需增压时，机械增压器的旁通阀使增压空气进行环流，能够使进气噪声降低。
带有螺旋角的转子跟特殊设计的进、出口几何形状相结合，也减少了压力波动，使进气气流流动平稳，工作时的噪声较低。
进气管路系统与安装机械增压器的底座连成一体，使之在减少辐射噪声方面起到重要作用。
6.增压柴油机的中间冷却
柴油机的输出功率与每一循环进入各缸的充气量有关，增加进气管的充气密度可提高功率，这就导致涡轮增压器日益广泛的应用。
但随着增压增加，压气机出口的空气温度随之升高，在一定程度上限制了空气密度的提高。
要进一步增加空气密度，只有降低增压空气的温度，这时就要采取中间冷却措施。
试验表明，在给定的增压压力下，增压空气温度每下降10度，它的密度就增大3%，当空气燃油消耗率都保持不变时，柴油机的功率就能提高3%。
不仅如此，发动机效率也随增压空气温度下降而上升,每下降10度，效率提高约0.5%。
因此，在同样的空燃比下，增压空气温度每下降10度，功率实际上可提高约3.5%。
进气中冷不但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，柴油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。
有试验结果表明，在活塞温度相同时，增压空气温度每下降10度，柴油机功率能提高5%。
空对空中间冷却作为降低发动机排气中氮氧化物的一种方法，目前已占有很重要的位置。
柴油机基本上应用两种类型的中间冷却器，即水对空中间冷却器和空对空中间冷却。
水对空中冷器可分为利用发动机循环水和独立的循环水系统两种。
前者的装置简单，可根据空间和实际条件直接装在车用发动机上，但发动机水温本身就高，大约在80度～90度左右，所能得到的空气冷却程度是有限的。
后者由于可利用温度较低的冷却水，故增压空气的冷却效果好，但需要设置单独的冷却水系统，它只能用于固定的工业用柴油机或船用发动机。
空对空中冷可用于难于得到温度较低的冷却水的场合。
它是用管子将充气通到单独安装在前面的散热器，利用装在柴油机上的风扇供给的冷却空气进行冷却，增压空气的温度可冷却到50度～60度。
但因空气的传热系数比水低得多，所以空对空的体积要比水对空中冷器大些。
一般将空对空中冷器直接布置在发动机冷却水箱的前面，应靠近增压器。
一般来说，增压比越高，采用中冷的效果越显著，采用中冷的必要性就越大。
是否采用中冷主要取决于增压发动机的增压强度，也与发动机用途和使用条件等因素有关，使用时要权衡利弊。
比较起来，空对空中冷有更大的发展潜力，特别是采用高温冷却的车用发动机，更应优先考虑空对空中冷器。
中冷器实际上是一种热交换器,它的结构型式很多，但最常用的是板翅式和管式两种。
二者比较，板翅式中冷器的紧凑性较好，即在相同容积条件下其散热面积大，但其阻力损失要比管式中冷器大些。
车用发动机由于对部件外形尺寸要求严格，所以一般采用板翅式中冷器。
板翅式中冷器的翅片可以制成各种不同的型式，而在相同压降条件下，锯齿形翅片的传热系数比光直翅片高30%以上，故多数中冷器采用锯齿形翅片。
板翅式中冷器大多用铜或铝合金制造。
铝由于有良好的物理机械性能和耐蚀性，价格便宜，来源充足，因而在中冷器上得到了广泛的应用。
柴油发动机增压加中冷所产生的作用，已在全世界范围内得到曾遍认同,但采取中冷措施后也相应带来一些问题。
这些问题有的已被克服，有的则成为难题:
首先是增压空气流经中冷器时不可避免地会产生空气压力损失，这就部分抵偿了由于增压空气温度下降而带来的充气密度的提高。
为了尽可能降低压力损失，就要加大中冷器的流通截面，而体积过大的中冷器对车用发动机来说是不能允许的。
另外，采用中冷器后又带来附加散热的问题，这对一些特种车辆的发动机来说，往往是个棘手的问题。
其次是冷却介质（水或空气）的来源问题，对车用发动机来说冷却水来源比较困难，因其空间决定了不可能有额外的水源。
若利用发动机缸套水，其冷却效果又会受到影响。
此外，中冷器在使用初期效果较好，随着使用时时间增加，流通表面会由于水垢或灰尘等原因而降低冷却效果，这对空对空中冷器更是如此;装设中冷器自然会导致发动机成本的提高和外形尺寸的增加;过度的中冷还会促使进气管中形成冷凝水。
7.增压技术的发展
（1）电动增压器如果在涡轮增压器的轴上，安装辅助兼可用作电动机和发电机的电机，可进一步提高低速增压压力和低速扭矩，还能回收涡轮增压器多余的能量。
这种装置称为电动辅助增压器（EAT）。
辅助电机在低工况时用作电动机，由蓄电池供电带动增压器提高增压压力，使涡轮增压器的叶轮迅速加速，发动机在短时间内达到需要的扭矩，极大地改善增压器的响应特性;高工况时，发动机的废气量太大，产生的动力多于增压所需，此时辅助电机用作电机，发出电流储存在蓄电池。
（2）薄钢板涡轮壳体满足欧洲3号以及更严格的排放法规的柴油机，都必须安装催化转化器。
而催化转化器的有效工作条件之一，是必须达到一定的工作温度。
涡轮壳体一般以铸铁制造质量比较大，热惯性也比较大。
为了减少排气系统的热惯性，开发了薄钢板涡轮壳体。
薄钢板涡轮壳体的质量小，热惯性也小，发动机起动后从排气系统吸收的热量较少，能够较快地使催化转化器达到要求的工作温度，改善催化转化器的净化效果。
8.车用发动机增压技术的发展趋势
随着对汽车性能的要求愈来愈高，同时还要求保持燃油经济性不变，那么机械增压将会愈来愈多地用于提高小排量汽油机的功率、进而达到大排量发动机的性能。
即便在大排量汽油机上，如果要缩小发动机尺寸而同时又保持动力性不下降，那么机械增压也不失为值得考虑的技术途径。
目前机械增压器在全世界整车厂的使用量已超过每年30万台，汽油机适合于采用机械增压，而一般柴油机则适合采用涡轮增压。
但是城市柴油公交车有别于一般柴油客车或货车，因其平均车速低，基本上不会或很少达到最高车速，加上怠速时间长，起步、加速、减速频繁，发动机工况不断地交替变换，所以也适合采用机械增压。
由于机械增压和涡轮增压的性能特点在许多方面是互补的，近年来在欧美国家的一些高档轿车和大功率的柴油车上，正在进行将这两种增压器装在同一辆车上的试验,于是复合增压系统有发展的趋势。
奥迪A61.8T采用的就是涡轮增压系统（T即代表涡轮增压）,该车型发动机在其动力输出上就充分体现了废气涡轮增压技术的优势。
由其功率--扭矩曲线图可以看出，随着发动机转速的提高，其功率逐渐增大，在5700转/分钟时达到最大值110千瓦。
这与未装增压器的1.8升发动机相比，最大功率提高了大约20%。
观察其扭矩变化，在低转速时（1750转/分钟以下）发动机具有良好的扭矩特性。
在175O转/分钟时，发动机输出最大扭矩2lON·m，并在1750～5700转/分钟之间一直保持这个最大扭矩，这一点与未装增压器的发动机有所不同，安装增压器后，其最大扭矩增加了25%。
奥迪A62.4的发动机排量比1.8T的要大许多，而其最大功率和最大扭矩却相差不多。
但从曲线图中不难看出，在低转速时，1.8T的扭矩和功率要比2.4的小。
这是因为涡轮增压在中、高转速时作用更明显。
因此表现为，奥迪A61.8T的起步就要比2.4略慢，若匹配自动变速器，这点更为明显。
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