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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。