汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械增壓與渦輪增壓技術(shù)

引言 

大家知道，目前的增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩種：第一是通過廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，第二是通過皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。但你知道這兩種不同增壓技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么嗎？對(duì)車輛來說具體會(huì)有什么影響？看完本文找找答案吧！

世界上絕大多數(shù)汽油乘用車均采用了自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)完全依賴大氣壓力將燃燒空氣送入氣缸，整個(gè)過程不涉及增壓。對(duì)比之下，幾乎所有柴油輕負(fù)荷車輛則均采用了增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。一般來看，汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常面向注重性能的公路用車。

近幾年來，汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在美國新車市場(chǎng)中的比例一直在5%左右，但最近這一比例卻開始快速提升，博世（Bosch）和馬勒（Mahle）等供應(yīng)商均已進(jìn)入該領(lǐng)域，協(xié)助汽車廠商應(yīng)對(duì)車輛燃料經(jīng)濟(jì)性提升和減排的需求。簡單來說，增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩種：

第一是通過廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，也稱為渦輪增壓機(jī)（如圖一）；

第二是通過皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，比如羅茨式機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖二）或更加昂貴的螺桿式機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（可提供更高的壓力比）。

在汽車改裝次級(jí)市場(chǎng)中，由皮帶驅(qū)動(dòng)的離心式增壓器的應(yīng)用非常廣泛。

由于日益嚴(yán)苛的燃料經(jīng)濟(jì)性法規(guī)、大幅提高的燃料經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，以及嚴(yán)格控制的溫室氣體尾氣排放要求，增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)從一種僅見于高性能車型的高端技術(shù)逐步進(jìn)入大量更加平價(jià)的經(jīng)濟(jì)車型?，F(xiàn)階段，世界各地的汽車廠商均在積極縮小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸（程度小于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）。美國廠商正在積極使用2.0L的小排量I-4燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)取代3.5L自然吸氣V6發(fā)動(dòng)機(jī)。歐洲市場(chǎng)的2.0L的 I-4發(fā)動(dòng)機(jī)也可能會(huì)被廠商替換為排量更小的1.4L或1.3L I-3發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種背景下，為了彌補(bǔ)排量降低而造成的峰值功率和扭矩輸出損失，汽車廠商開始將目光轉(zhuǎn)向增壓進(jìn)氣技術(shù)。

簡單來說，增壓進(jìn)氣技術(shù)可以壓縮空氣，為進(jìn)入燃燒室的空氣提供更大的壓力，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入劇烈的爆震前產(chǎn)生更多的動(dòng)力。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般還會(huì)搭配一款中間冷卻器（也就是增壓空氣冷卻器）冷卻空氣壓縮中產(chǎn)生的熱量。

此外，事實(shí)證明這種增壓技術(shù)非常適合與另一種日益流行的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化解決方案：汽油直噴系統(tǒng)（GDI）搭配使用。從成本來看，汽車廠商的“降尺寸/增壓力”戰(zhàn)略通常會(huì)帶來成本上的增加。比如：尺寸更小的I-4增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在單車裝配費(fèi)用上比尺寸較大的自然吸氣V-6發(fā)動(dòng)機(jī)大約貴1500美元。

駕駛員也許仍可以獲得與過去類似的整體性能和加速體驗(yàn)，但他們必須意識(shí)到，小型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音和給人的感覺肯定會(huì)有所不同。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速更高，會(huì)帶來一種“嗡嗡”的聲音并產(chǎn)生振動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更加費(fèi)力、運(yùn)行溫度更高，但特定性能數(shù)據(jù)也更高，比如 hp/L 或 kW/L 等。在這種情況下，小型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更易發(fā)生負(fù)載過大的狀況而產(chǎn)生故障，因此也更加需要高性能的合成機(jī)油，且換油周期也需要更加頻繁。此外，車輛可能還必須設(shè)計(jì)一個(gè)專用機(jī)油冷卻回路，保證機(jī)油溫度處于合理范圍之內(nèi)。

為了充分享受車輛的功率性能，增壓車型的車主每次加油時(shí)都必須使用更加昂貴的高辛烷值汽油。一般來說，92號(hào)高辛烷值汽油的售價(jià)比87號(hào)標(biāo)準(zhǔn)汽油高0.20美元/每加侖。但如果車主使用低辛烷值汽油，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的震爆傳感器將驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，阻礙點(diǎn)火定時(shí)器的工作，從而降低功率輸出，影響車輛性能。

原始設(shè)備制造商可以在渦輪或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中做出選擇。對(duì)比來說，機(jī)械增壓器在低轉(zhuǎn)速下性能更好、使用壽命更長，但成本也更高，而且在空間有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙中封裝不如渦輪增壓器靈活。因此，渦輪增壓器在市場(chǎng)中的應(yīng)用更為普遍。然而，由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的增壓性能有限，且邊際瞬時(shí)響應(yīng)不佳，市場(chǎng)上也會(huì)有一些廠商選擇機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。通常來說，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)借助可變截面渦輪（VGT）技術(shù)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速較低時(shí)的表現(xiàn)。但由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣溫度太高（超過1000攝氏度），事實(shí)證明這種 VGT 技術(shù)并不適合汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前，僅有保時(shí)捷（Porsche）一家汽車廠商正在進(jìn)行 VGT 汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。除了 VGT 技術(shù)，另一種優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)的方法將排氣歧管緊密耦合在渦輪的熱端部件，將其變成系統(tǒng)整體的一部分。此外，渦輪增壓器的雙渦道設(shè)計(jì)也可以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的性能。

雖然羅茨型機(jī)械增壓器的使用壽命基本可以與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（假設(shè)為24萬公里）持平，但渦輪增壓器的使用壽命卻很難保證，在發(fā)動(dòng)機(jī)的生命周期內(nèi)至少需要更換一次，而且這個(gè)費(fèi)用可能相當(dāng)昂貴。目前，沒有任何廠商會(huì)為渦輪提供終身保修。早些時(shí)候，渦輪軸承經(jīng)常因發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后潤滑油焦化影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而過早發(fā)生故障。但如今由于高效合成潤滑油的出現(xiàn)，以及針對(duì)渦輪軸承的持續(xù)水/乙二醇冷卻系統(tǒng)，這種情況已經(jīng)不再常見。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等壓力比更高的渦輪應(yīng)用中，由于循環(huán)彎矩造成的鋁制葉輪片疲勞斷裂是導(dǎo)致渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)故障的首要原因。然而，乘用車中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的歧管增壓基本較低（基本在8到12個(gè)大氣壓），僅有較短時(shí)間會(huì)達(dá)到15個(gè)大氣壓，因此并不需要擔(dān)心葉輪片疲勞斷裂的問題。

一些廠商經(jīng)常聲稱，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以回收廢氣中的“免費(fèi)能量”，為車輛提供增壓。盡管如此，所有汽油渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)均增加了額外的排氣背壓設(shè)計(jì)，雖然這會(huì)抵消一部分功率，但幸運(yùn)的是進(jìn)氣流帶來的功率提升可以彌補(bǔ)這部分損失。