硬核知識:機械增壓技術必然淘汰的原因解析

2020-12-24 汽車科學島

#老司機聊汽車知識#

名詞解釋:

mechanical supercharging-機械增壓turbocharger-渦輪增壓兩類增壓器的本質均為「air compressor」空氣壓縮機!所謂的增壓技術實際就是壓縮通過進氣管路進入內燃式熱機的空氣,簡而言之是把大團空氣壓縮成為更小的體積,但是為什麼要壓縮呢?首先需要了解壓縮的概念。

01基礎知識

空氣中含有各類分子,主要包括78%的氮氣,20.94%的氧氣,剩餘部分為二氧化碳,以及氦氖氬氪氙氡等稀有惰性氣體;各類分子之間有一種矛盾的特點,那就是不僅互斥而且相吸,所以各類分子間在大氣壓恆定的水平線標準上,間隙是幾乎恆定的。

壓縮的高年實際是通過外部作用力將其間隙縮小,假設容器的容積固定為2L(升),把3升常壓空氣壓縮到成為2升——體積確實變小了,但是密度是不是也增大了?那麼「兩升裝·壓縮空氣」壓縮空氣當然也就有了3升常壓標準的氧分子,這就是增壓器需要實現的結果。

【富氧燃燒】是內燃機裝備增壓系統為實現的結果,燃燒的本質是可燃物的氧化還原反應;燃油是碳氫化合物的還原,在過程中通過分子不規則的運動碰撞,會產生的能量包括動能(熱能)和光能。

可以將燃油當成一種貯存能量的物質,氧氣則是釋放能量的催化物質;這裡有個比較有趣的知識,冷啟動時發動機無法做到充分燃燒,熱車時是普遍認定的充分燃燒狀態,然而這只是相對比的結論——熱車時也做不到100%絕對充分燃燒,否則尾氣中也就不會有碳氫化合物的排放了。

所以如何提高燃燒的充分性,或者說提高燃燒效率,這是需要思考的問題,而富氧燃燒就是最佳方式;因為氧氣是催化物質,氧分子數量越多,則能夠在固定的時間內、將固定量的燃油轉化為動能,這種狀態就叫做富氧燃燒,在工業領域的應用非常廣泛。

於是內燃機想要提高燃效,最佳方式當然是對空氣進行壓縮!但是不是每種增壓器都能達到理想的效果,其中機械增壓器(下文簡稱S系統)是效果最差的選項。

02轉速標準

增壓器的轉速越高,壓縮空氣的能力就會越強,或者說相同排量的進氣量的空氣中,含有的氧分子數量就會越大。所以想要達到理想的增壓效果,需要的是讓增壓器的轉速足夠快;然而機械增壓器的轉速很低,因其渦輪是通過皮帶與內燃機的曲軸連接!

普通代步汽車的內燃式發動機轉速有嚴格限制,能達到平均≤7000rpm就算高轉機了,大部分內燃機都會在6500轉左右進行斷油保護;S系統即使通過齒輪組可以放大轉速,然而又能有多少呢?——低效率增壓器普遍≤1萬轉每分鐘,螺旋式轉子的增壓器≤1.4萬轉每分鐘,常規代步轉速只是5000rpm/1min左右而已,這是非常低的轉速,但還不是S系統的核心缺點。

重點:

曲軸連接飛輪·轉動輸出轉矩(扭矩)連接曲軸的泵系會損耗扭矩駕駛汽車開啟冷空調系統的壓縮機時,動力是不是會明顯變差?相信有汽車駕駛經驗的人都會給出肯定的答案,原因在於壓縮機也是通過皮帶與曲軸連接,壓縮製冷劑時的動力正來自曲軸的轉矩。

說白了就是壓縮機會消耗曲軸動力,其次發電機甚至氣門凸輪軸也都會損耗;那麼S系統的增壓器顯然也會消耗曲軸的轉矩,這套系統實際是以「小幅增氧提升扭矩-增壓器損耗=提升部分」的模式增扭,效果顯然會很差。而且因增壓系統無法離合器,所以在怠速時也會增壓,這就會提高怠速轉速而增加油耗,同時增加怠速時的壓力與溫度以加速機體老化。

所以目前最先進的國產發動機進行了「去泵系」的嘗試,不再用發動機曲軸帶動壓縮機或其他泵;而是改用電機帶動這些泵,這樣就能大幅提升發動機的扭矩——扭矩×轉速÷9549×1.36=馬力,增扭就是提升性能,在不需要高性能時以大扭矩低轉速實現大馬力,這是最理想的節油狀態。

所以機械增壓器是需要淘汰的,能替代的成本最低且技術門檻最低的方式是「電子增壓器」!

當然不是普通後市場銷售的電渦輪,而是真正的高轉速增壓器。因為電動機可以輕鬆達到兩萬轉的高轉速,同時能量轉化效率是內燃機的平均三倍;也就是說利用電渦輪增壓,等於比使用曲軸帶動增壓的功耗會低三倍,同時還能夠實現更理想的增壓效果,但是為什麼量產汽車很少使用呢?

原因不在於技術障礙或專利障礙,而是電子增壓器需要另行加裝一組小容量的儲能(動力)電池組,成本是遠高於啟動用鉛酸電瓶的。所以有些技術落後的車企寧願使用低成本的S系統,也不用電渦輪和廢氣渦輪。

03實際差異對比

參考扭矩差異最強2.0T-400N·m普通3.0S-420N·m普通3.0T-500N·m相同不用過多解釋了,機械增壓實現不了與渦輪增壓系統相同的扭矩,那麼這一系統就沒有價值可言了。

而且隨著渦輪增壓技術的提升,很多低慣量的增壓器在1250轉就能夠達到數萬轉的最高轉速,起步瞬間就可以有最大扭矩了。但是機械增壓的增壓壓力是隨著發動機轉速而線性增長的,往往要到3000rpm左右才能達到峰值,動力反饋的水平完全不在同一等級,所以追求高性能汽車是不宜選擇S發動機的。

重點:介入轉速問題需要說明!S系統是全時增壓(包括怠速),這種設定肯定是不理想的;但是也有人認為起步就能增壓,這樣會有更好的動力體驗。

而這些1250/1500轉就能達到峰值轉速的渦輪增壓器,實際介入轉速很多都低於1000轉;狀態為剛剛碰油門的時候就開始增壓了,這與S增壓系統有什麼不同呢?某些3000rpm左右達到峰值轉速的增壓器,實際介入增壓轉速也只是在1000rpm左右,在1000-3000轉的區間內是線性的增壓;這種調校與機械增壓特點相同但效果更好,所以沒有再使用S系統的理由。

最佳組合方式:

1:落後的方式為「S+T」,也就是用機械增壓負責起步增扭,以渦輪增壓實現高轉速增扭,然而這種機器往往是同排量動力水平一般的選項。

相對先進的方式是「TT」,以低慣量的渦輪增壓器實現起步瞬間開始增壓,同時大慣量增壓器也會運行,這種疊加的方式可以更有效的壓縮空氣以增加扭矩。目前的雙增壓發動機基本都是TT標準,然而這種技術也該被淘汰了。

2:燃油汽車最先進的方式為「BSG+T」,指利用大功率發電啟動一體機負責起步,普通輕混汽車是以電機輔助加力,目前已經有國產汽車以BSG起步並將內燃機拉動到高轉速再點火,以實現兩臺機械的動力最佳銜接。

電機的特點是起步第一轉即可爆發最大扭矩,這是任何類型的燃油的熱機都做不到的;所以用電機起步動力體驗會最好,增壓器銜接後當然也會有更理想的動力體驗了。F1方程式賽車用這種技術,民用汽車的很多技術都來自賽車,想一想為什麼這些賽車不用S系統吧, 該淘汰了。

編輯:天和Auto-汽車科學島

天和MCN授權發布

歡迎轉發留言討論

相關焦點

  • 「S/T」機械增壓技術為什麼會被淘汰,廢氣渦輪增壓有哪些優勢?
    這種空氣壓縮器被廣泛認可的原因為不增加耗油量,其驅動渦輪的動力源為內燃機正常運行時必然產生的高壓排氣,是以「廢氣利用」的概念驅動渦輪以超高速運轉,原理參考下圖。知識點:廢氣渦輪增壓器不會增加內燃機的功耗,同時能夠以常規五位數、高端六位數的渦輪rpm標準運轉。
  • 渦輪增壓和機械增壓的區別實在是大
    所以機械增壓器是需要淘汰的,能替代的成本最低且技術門檻最低的方式是「電子增壓器」! 因為電動機可以輕鬆達到兩萬轉的高轉速,同時能量轉化效率是內燃機的平均三倍;也就是說利用電渦輪增壓,等於比使用曲軸帶動增壓的功耗會低三倍,同時還能夠實現更理想的增壓效果,但是為什麼量產汽車很少使用呢?原因不在於技術障礙或專利障礙,而是電子增壓器需要另行加裝一組小容量的儲能(動力)電池組,成本是遠高於啟動用鉛酸電瓶的。所以有些技術落後的車企寧願使用低成本的S系統,也不用電渦輪和廢氣渦輪。
  • 渦輪增壓使用壽命問題分析:抹黑增壓技術實在沒有意義
    重點:由於增壓器的轉速極高,運行中會產生數百攝氏度的高溫;機油如果在增壓器油道中低速的運轉,結果必然會被快速的汽化蒸發。形成氣阻就會影響增壓器的潤滑,所以增壓器的機油道也是需要「增壓」的。重點是渦輪增壓技術也是源自柴油發動機,可以說所有的柴油動力皮卡、輕客、大型客車、重卡與牽引車,其使用的柴油機都是渦輪增壓機!那麼這些年均行駛裡程動輒十幾萬公裡的汽車,有沒有高頻率的更換增壓器呢?要知道柴油機的運行溫度與壓力,振動磨損的程度都要大於汽油機,至此再沒有理由抹黑這種增壓技術了。為什麼總會有些消費者認為渦輪增壓機技術不成熟呢?
  • 一文科普 發動機渦輪增壓和機械增壓的工作原理
    由於對於汽車排放的標準逐步加強,大排量車型在這幾年中逐步被大勢所淘汰,各大車廠已經紛紛停止大排量發動機的搭載,小排量渦輪發動機已經成為目前的主流,相信很多玩車的車友們對於所謂的渦輪增壓或者機械增壓都不是很明白到底怎麼回事,那麼今天我們就有這樣的一個機會來給各位車友做一個科普,看完本文相信車友們就應該明白為什麼增壓發動機能夠在小排量的基礎上達到大馬力輸出,而且改裝潛力比自然吸氣發動機大的原因了
  • 「自然吸氣&渦輪增壓」知識解析:排量·扭矩·功率·馬力與油耗關係
    似乎大多數汽車愛好者都會這麼認為,然而這種說法雖然沒有錯但也過於片面,準確的解析應當從自然吸氣和渦輪增壓的技術特點著手,分析「扭矩與油耗」的關係才是今天汽車用戶們真正應當關注的問題!所以越往高原駕車就會感覺到動力越弱,其實就是因為扭矩降低而導致輸出功率的整體下降(原因第三節解析)。那麼想要提高輸出功率又要怎麼辦呢?最簡單的方式就是提升排量。「排量」指發動機進氣或排氣的空氣量,也就是流體體積的總和,或者說所有氣缸容納氣體容積的綜合。
  • 都說機械增壓比渦輪增壓好N倍, 那兩者之間有什麼區別?
    渦輪增壓系統主要的作用是將進入氣缸前的新鮮空氣預先通過渦輪增壓器進行壓縮,形成高密度的氣體送入氣缸,以相對的高壓參與燃燒。作為渦輪增壓而言能夠快速的提升車輛的動力,作為提升動力最為直接的一個必備的手段,也是現階段大多數車型所搭載的,目前汽車的渦輪動力系統可粗分為渦輪增壓系統及機械增壓系統兩大類。渦輪增壓和機械增壓有什麼區別?
  • 都是增壓發動機,渦輪增壓與機械增壓,哪個更好?
    渦輪增壓發動機是一種依靠渦輪增壓器增加發動機進氣的發動機。渦輪增壓器實際上是一臺空氣壓縮機。它利用發動機排出的廢氣作為動力,推動渦輪室(位於排氣通道中)中的渦輪,進而驅動同軸葉輪(位於進氣通道中),葉輪壓縮空氣濾清器管輸送的新鮮空氣,並將其輸送至氣缸。
  • 為什麼豪車都用機械增壓,而中小型汽車用渦輪增壓?原因很簡單
    為什麼豪車都用機械增壓,而中小型汽車用渦輪增壓?原因很簡單 機械增壓器是以不增加引擎排氣量為前提,使動力輪輸出提升的方法。是直接利用引擎出力來驅動增壓器,再將高密度空氣送入汽缸內以提高引擎的輸出功率。
  • HKS機械增壓上身,陸巡再進化
    說起硬派越野車,豐田的陸地巡洋艦絕對是一款能站在金字塔頂端的車型,作為一款有著快70年歷史的越野車,其優秀的機械素質,強大的越野能力,良好的駕乘體驗,讓它在全世界範圍內擁有大量的粉絲。為什麼選擇機械增壓,而不選擇渦輪增壓呢?首先,渦輪的動力輸出不像機械增壓一樣線性可控,在越野過程中,線性可控的油門響應,能夠幫助駕駛員更精細的控制車輛,在一些難度高,危險性大的越野過程中,突然的動力爆發很可能給駕駛員帶來預料之外的危險。
  • 發動機增壓方式除了渦輪增壓和機械增壓,還有其他增壓方式嗎?
    在汽車市場上,各家廠商都因為排放法規的收緊,陸陸續續走上了增壓的道路,目前的主流廠商採用的增壓技術主要是渦輪增壓以及少量的機械增壓。為此就會有些比較標新立異,角度新奇的消費者提出了問題,以當前汽車工業技術,渦輪增壓會有辭職,機械增壓排量要求大造價貴,除了這兩種主流的增壓方式之外,還有其他方法能夠驅動渦輪轉動嗎?
  • 渦輪增壓和機械增壓的區別
    渦輪增壓和機械增壓區別;渦輪增壓,通過燃燒後的廢氣驅動葉輪,壓縮後的進氣變得高於大氣壓,達到高氧氣濃度,並增加了發動機輸出功率。機械增壓,在發動機側設置有壓縮空氣的壓縮機。
  • 越野車專用VT-racing機械增壓改裝知識、必備小助手!
    今天帶大家一起了解一下,安裝VT雙螺杆機械增壓車主VT-racing雙螺旋機械增壓VT機械增壓中美合資品牌,全稱VTracing,雙螺杆機械增壓是一種通過高容隙之間齒輪或轉子的VT機械增壓的原理通過發動機皮帶帶動力,吸入更多空氣壓入發動機,汽油燃燒更加充分。安裝機械增壓不僅可以提供強大扭矩和馬力輸出,高速超車輕鬆無壓力,實戰越野應對自如。
  • 為什麼大排量自吸越野車喜歡加裝機械增壓,而小排量車喜歡渦輪?
    我們知道增壓分為機械增壓和渦輪增壓,但是現在街上跑的大部分車輛都是渦輪增壓而不是機增呢? 首先,渦輪增壓在起壓前和小排量自吸沒什麼區別,但是只要一達到相應的起壓轉數,動力就開始爆發式輸出,所以渦輪遲滯所帶來的頓挫感和動力輸出的平順度都不及大排量自吸和機械增壓; 其次,渦輪增壓巨大的動力提升靠的是其動輒10萬轉的渦輪所帶來,我們知道高壓、高轉必然產生龐大的熱量,這些因素綜合在一起也就導致渦輪使用壽命和耐久性倍受考驗。
  • 牧馬人改裝VT雙螺杆機械增壓直面挑戰HKS機械增壓
    雙螺杆式機械增壓在運作效率上相比傳統魯式的要高很多,因此它也是現代肌肉車最喜歡採用的一種機械增壓形式,美國通用、福特、道奇等美系大廠商推出的三大頂級肌肉車上都採用了雙螺杆式機械增壓。雙螺杆機械增壓又有哪些優勢呢,下面一一為大家揭曉:皮帶的傳動方式與發動機並成同轉速,增壓效果從怠速即可產生。
  • 機械格柵供應使用的注意要點及其相關知識的解析
    機械格柵供應使用的注意要點及其相關知識的解析 ,「1580304」   宜興益芳環保設備有限公司專業生產機械格柵供應,安全耐用,適用範圍廣,廠家直品,歡迎廣大用戶選購!
  • 蘭德酷路澤殿堂級HKS機械增壓
    了解車和HKS的故事,還要了解一下HKS中國唯一總代安若特汽車技術有限公司蘇州安若特(ANROT)汽車技術有限公司一直兢兢業業,十餘年完成機械增壓改裝和渦輪增壓改裝及移植機器不計其數,其效果顯著和穩定!深受業界人士信賴與支持!
  • 國內冷門的機械增壓 為何在美國卻非常流行
    其實,這正是引擎機械增壓套件。機械增壓器的加入,可以提升進氣歧管內的空氣壓力,當氣門每次開啟時,擠入燃燒室內的空氣更多,電腦控制的噴油量也會相應增加,使引擎獲得更大的馬力輸出。不止在賽車領域,美國很多民用車原廠也都配備了機械增壓套件,如:道奇地獄貓、凱迪拉克CT5-V以及福特F-150等等。如此流行的機械增壓,為何在國內卻非常罕見呢?
  • C63 AMG怪獸進化之Weistec機械增壓
    而這次Weistec剛剛推出了C63 AMG的機械增壓套件,立馬成為店家的心儀對象,它的魅力究竟在哪?先來了解一下這套機械增壓吧。圖:整套Weistec機械增壓(M156)套件,據悉,歐洲著名改裝廠商Kleemann在此前推出的C63 AMG機械增壓套件和ECU升級正是出自於Weistec之手。圖:Weistec機械增壓本體的個頭非常的大,與平時我們常見離心式增壓套件不一樣的是,它採用雙螺旋杆式壓縮增壓,機械增壓部分和進氣歧管為一個整體。
  • 關於渦輪增壓的小知識
    關於渦輪增壓的小知識經常在汽車上看到有1.5T、1.8T或者是2.0T等內容,還有2.0L、1.6L等等。一些對汽車參數不太了解的人都不清楚這些表示什麼,比如1.5t是什麼意思?1.5T和1.5L有什麼區別等等。1.5t是指汽車排氣量是1.5升,指汽車發動機是渦輪增壓。1.5T中的T是Turbo的縮寫,是渦輪增壓的意思。
  • 從綜合角度看,機械增壓和渦輪增壓哪種更優秀?六個細節給你解釋
    平時關注汽車的朋友可能或多或少都知道,市場上常見的發動機增壓技術大致離不開三種:機械增壓和廢氣渦輪增壓以及複合增壓,而這當中渦輪增壓技術相對較為普遍,機械增壓因為出身較貴通來說只有在高端豪華車型上見到,而複合增壓呢因為結構複雜,技術含量較高,在維修保養方面稍微麻煩些,那麼從普及性來看