發動機是靠燃料在汽缸內燃燒作功來產生功率的,由於輸入的燃料量受到吸入汽缸內空氣量的限制,因此發動機所產生的功率也會受到限制,如果發動機的運行性能已處於最佳狀態,再增加輸出功率只能通過壓縮更多的空氣進入汽缸來增加燃料量,從而提高發動機作功能力。

渦輪系統是增壓發動機中最常見的增壓系統之一。

如果在相同的單位時間裏,能夠把更多的空氣及燃油的混合氣強制擠入汽缸(燃燒室)進行壓縮燃爆動作(小排氣量的引擎能“吸入”和大排氣量相同的空氣,提高容積效率),便能在相同的轉速下產生較自然進氣發動機更大的動力輸出。情形就像你拿一臺電風扇向汽缸內吹,硬是把風往裏面灌,使裏面的空氣量增多,以得到較大的馬力,只是這個扇子不是用電動馬達,而是用引擎排出的廢氣來驅動。

一般而言,引擎在配合這樣的一個“強制進氣”的動作後,起碼都能提升30%-40% 的額外動力,如此驚人的效果就是渦輪增壓器令人愛不釋手的原因。況且,獲得完美的燃燒效率以及讓動力得以大幅提升,原本就是渦輪增壓系統所能提供給車輛最大的價值所在。

那渦輪增壓器的工作原理到底是怎麼樣的呢?

渦輪增壓器的工作原理

首先發動機排出的廢氣,推動渦輪排氣端的渦輪葉輪(上圖右邊),並使之旋轉。由此便能帶動與之相連的另一側的壓氣機葉輪(左邊)也同時轉動。於是壓氣機葉輪就能把空氣從進風口強制吸進,並經葉片的旋轉壓縮後,再進入管徑越來越小的壓縮通道作二次壓縮,這些經壓縮的空氣溫度會比直接吸入的高,需要通過中冷器進行降溫之後再被注入汽缸內燃燒。如此重複即是渦輪增壓器的工作原理。

節氣門的作用

在發動機進氣系統中主要有兩大部件,一是空氣濾清器,負責過濾空氣中的雜質;二是進氣管道,將空氣引入到氣缸中。在進氣管中有個很重要的部件,就是節氣門。

節氣門構造圖

節氣門主要的作用就是控制進入氣缸的混合氣量大小。我們開車時踩油門踏板的深淺,其實就是控制節氣門開度的大小。油門踩得越深,節氣門開度就越大,混合氣進入量就越大,發動機的轉速就會上升。

氣門構造示意圖

傳統拉線油門是通過鋼絲一端與油門踏板相連另一端與節氣門相連,它的傳輸比例是1:1,這種方式控制精度不理想。而現在的電子節氣門,是通過位置傳感器,將踩踏油門動作的力量、幅度等數據傳輸到控制單元進行分析,總結駕駛者的意圖,再由ECU計算實際節汽門開合度併發出指令控制節汽門電機工作,從而實現對節氣門的精準控制。

進氣歧管長度可變?

進氣歧管內安裝控制閥,通過它的打開和關閉,可以將進氣歧管分爲兩段,從而改變它的有效長度。改變進氣歧管的長度主要是爲了提高發動機在不同轉速時的進氣效率,提升發動機在各個轉速下的動力性能。

可變進氣歧管示意圖

排氣歧管爲什麼“長”得奇形怪狀的?

汽車的排氣系統主要包括排氣歧管、三元催化轉化器、消聲器和排氣管道等。主要的作用就是將氣缸內燃燒的廢氣排出到大氣中。

汽車的排氣系統示意圖

我們看到的排氣管大多都形狀怪異,這種設計是爲了最大限度地避免各缸排出的廢氣發生相互干涉或廢氣迴流的現象,而影響發動機的動力性能。

排氣歧管示意圖

發動機內部示意圖

渦輪增壓是怎樣增壓的?

渦輪增壓(Turbocharger)簡稱Turbo或T。平時我們在車尾看到諸如1.4T、2.0T等字樣,說明這輛車的發動機是帶渦輪增壓的。

渦輪增壓發動機原理

渦輪增壓器主要由渦輪機和壓縮機兩部分組成,通過一根傳動軸連接。渦輪的進氣口與發動機排氣歧管相連,排氣口與排氣管相連;壓縮機的進氣口與進氣管相連,排氣口則接在進氣歧管上。通過發動機排出的廢氣衝擊渦輪高速運轉,從而帶動同軸的壓縮機高速轉動,強制地將增壓後的空氣壓送到氣缸中。

渦輪增壓空氣流動示意圖

渦輪增壓主要是利用發動機廢氣的能量帶動壓縮機來實現對進氣的增壓,整個過程中基本不會消耗發動機的動力,擁有良好的加速持續性,但是在低速時渦輪不能及時介入,帶有一定的滯後性。

機械增壓又是怎樣的?

機械增壓發動機構造圖

機械增壓(Supercharger)主要是通過曲軸的動力帶動一個機械式的空氣壓縮機旋轉來壓縮空氣的,但工作過程中會對發動機輸出的動力造成一定程度的損耗。

機械增壓器構造圖

由於機械增壓器是直接由曲軸帶動的,發動機運轉時,增壓器也就開始工作了。所以在低轉速時,發動機的扭矩輸出表現也十分出色,但是在發動機高速運轉時,機械增壓器對發動機動力的損耗也是很大的,動力提升不太明顯。

機械增壓發動機進氣示意圖

雙增壓發動機是怎樣工作的?

雙增壓發動機,顧名思義就是指一臺發動機上裝有兩個增壓器。如一臺發動機上採用兩個渦輪增壓器,則稱爲雙渦輪增壓發動機。

雙渦輪增壓發動機

針對廢氣渦輪增壓的遲滯現象,排氣管上並聯兩隻同樣的渦輪,在發動機低轉速的時候,較少的排氣即可驅動渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力,減小渦輪遲滯效應。

前面瞭解到,渦輪增壓器在低轉速時有遲滯現象,但高速時增壓值大,發動機動力提升明顯,而且基本不消耗發動機的動力;而機械增壓器,是發動機運轉直接驅動渦輪,沒有渦輪增壓的遲滯,但是損耗部分動力、增壓值較低。一旦把它們結合一起就可以優勢互補了。

雙增壓發動機示意圖(渦輪增壓器+機械增壓器)

如大衆高爾夫GT上裝備的1.4升TSI發動機,設計師就把渦輪增壓器和機械增壓器結合到了一起。將機械增壓器安裝到發動機進氣系統上,渦輪增壓器安裝在排氣系統上,從而保證發動機在低速、中速和高速時都能有較好的增壓效果。

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