深入浅出话增压.doc

增压技术一直是赛车运动的一个重要技术，增压车辆在保持车身重量较轻的情况下大幅提升了动力，功率/重量比非常高，有助于提高竞技成绩在民用汽油车中，增压方案可以提升燃油经济性，改善排放，增加海拔适应能力，同时增压发动机成本较大排量自然进气低很多，应用范围有逐步扩大的趋势本文从一些独特的角度来分析汽油机增压技术，阐述增压原理和具体实现方案，通俗易懂是本文的诉求文中配图基本为转贴，不再声明一． 增压概述现代汽油发动机根据吸气方法可分为自然进气（Natural Aspirated）和强制进气（Forced Induction），这两种进气的关键区别是气缸进气压力，前者始终低于环境气压，后者可以高于环境气压自然进气（NA）的车型占了民用汽车的绝大部分，增压早期主要用于竞技车辆，随着技术的逐步成熟，民用车辆越来越多的采用了增压技术在增压方案中，处于主流的是废气涡轮增压（Turbocharge）和机械增压（Supercharge），虽然两种方案的目的都是提高进气压力，但前者的增压动力来自排气能量，后者来自发动机曲轴，动力获取的区别形成了两种增压不同的“性格”点击查看原图 (31.08 KB)2010-02-23 11:32                      涡轮增压器解剖图点击查看原图 (42.02 KB)2010-02-23 11:33                                    机械增压器解剖图二． 气体密度的意义为什么提高进气压力可以提升动力呢？这是因为等同排量下气缸进气压力越大，进入气缸的空气也就越多，可以完全燃烧的汽油也同步增加，动力因此提升了，所以增压的本质是提升缸内气体密度。

气体密度对自然进气发动机影响无时无刻不存在，温度每上升2.5度，发动机功率下降1%；海拔每上升300米，发动机功率下降1%，温度和海拔是自然进气发动机最主要的外界影响因素然而引入增压技术后，空气不再是“吸入”气缸，而是“压入”气缸，所以增压发动机对温度和海拔的依赖明显低于自然进气类型可变气门技术虽然不属于强制进气，但同样提升了缸内气体密度，也可以算作一种特殊的增压技术三． 涡轮增压基本结构点击查看原图 (39.99 KB)2010-02-23 11:36                     涡轮增压气路    上图表示涡轮发动机的进排气通路，缸体左边的气门是排气门，右边的是进气门，红色是废气流，蓝色是新鲜空气流自然进气发动机的进气通道很简单，空滤过后直接进入进气歧管，而增压发动机空气首先是通过空滤进入涡轮的压缩机（Compressor）,经过压缩以后气体温度会上升，热空气然后流向中央冷却器（Intercooler），冷却后的空气通过进气歧管进入进气门空气进入缸体与汽油燃烧后高温高压的废气由排气门排除，废气直接流入涡轮的涡轮机（Turbine），吹动涡轮机的叶轮转动后进入排气系统涡轮增压器无疑是该系统的核心。

    从这个图可以看出，增压发动机的进气与排气系统通过涡轮增压器直接耦合在一起了，而且进气与排气形成了一个正反馈系统，即进气流量增加导致排气流量更大，排气流量增加又继续助推进气流量增加，多么可怕的一个系统啊当然这个反馈是在控制下进行的，这就是增压控制的内容四． 动力，从来都不是问题    经常听到人们谈论加装涡轮后动力提升至200匹、300匹，甚至500匹，仿佛增压一直就是一场马力竞赛，其实虽然最大功率是增压的一个重要指标，但对于每天都在路上跑的车来说究竟好不好开才是增压的关键诉求，单纯比功率大小本质上就是在比增压值的高低，在无视发动机寿命的情况下国外上千匹的改装案列也并不罕见    在原装涡轮增压车型上，我们并没有看到增压值这个关键参数，或许这只是汽车厂家的惯例而已，但拿不同厂家的同排量增压车来比较功率、扭矩似乎是大家津津乐道的话题，大众的2.0T200匹，新君威2.0T220匹，好像新君威的技术含量就比大众的高一样，但他们的增压值到底是不是一样呢？这个好像从来没人关注过了    增压值的测量非常简单，安装一只进气压力表既可知道，图中的增压值为0.4BAR点击查看原图 (51.39 KB)2010-02-23 11:39五． 怎样选择涡轮增压器    到底如何选择涡轮增压器呢？以下几个参数是选择涡轮增压器的关键，尽管不想提及任何公式，但离开他们实在无法说清问题。

1.性能图（Performance Map）点击查看原图 (87.21 KB)2010-02-23 11:45                    Garrett涡轮性能图   上图所示为盖瑞特4294涡轮的性能图，横坐标为通过涡轮压缩机（Compressor）的空气流量，纵坐标为压力比图中闭环曲线为等效率线，越到中央效率越高，最高处为最大效率岛，图中的最高效率为80%与等效率线相交的曲线为涡轮转速，可以看出涡轮的转速动辄就超过10万转，这也是小小涡轮能提供巨大流量的根源所在    压力比（Pressure Ratio）为增压后与增压前压力之比，比如打1.0BAR的增压，则压力比为1+1/1=2空气流量是增压器匹配发动机的关键参数，计算公式如下：                   CFM=（L*rpm*VE*Pr）/5660注：CFM=空气流量（立方英尺/分钟）    rpm=最高转速    VE=引擎效率，对于4气门发动机而言大致在90%    Pr=压力比   以一台2.0排量发动机为例，增压值1.0BAR，最高转速为7000转，则CFM=（2*7000*90*2）/5660=445.23，换算为31.2lb/min。

用这个结果对照性能图可以看出，红点位置即为该发动机匹配改涡轮增压器的实际效率，大致70%左右显然该红点并没有进入最高效率岛区域，也就是说增压器对发动机而言太大了如果换做3.0的排量结果怎样呢？计算一下：   CFM=（3*7000*90*2）/5660=667.84，换算为46.7lb/min，该结果对应性能图上的蓝点，该点已经落入最高效率岛区域了，所以这个增压器在3.0排量和增压值1.0BAR下，效率可以达到最高   增压效率的意义何在？效率低了会有什么不利？看如下公式：                  Tr=F*(At+273)*100/E注：Tr=增压后气体温升    F=压力比对应常数，2.0压力比下该常数为0.217    At=环境温度，假设为25度    E=增压效率在2.0排量、1.0BAR增压下（增压效率70%）：                  Tr=0.217*(25+273)*100/70=92.38℃在3.0排量、1.0BAR增压下（增压效率80%）：                  Tr=0.217*(25+273)*100/80=80.83℃所以，增压效率70%对应气体温度上升了92度左右，80%对应的温升只有80度左右，温升的差异直接导致增压后气体密度的差异，计算如下：                  Dr=（At+273）*Pr/（Dt+273）注：Dr=气体密度比    At=环境温度，假设为25度    Pr=压力比    Dt=压缩后气体温度（环境温度+温升）92度温升的情况下：                  Dr=（25+273）*2/（25+92+273）=1.5380度温升的情况下：                  Dr=（25+273）*2/（25+80+273）=1.58所以，增压效率最终影响了气体温度和密度，也就是增压功率本身。

2.修整率（Trim）点击查看原图 (32.64 KB)2010-02-23 11:47                        Trim示意图对照上图，Trim计算公式如下：     TrimCompressor=Inducer2/ Exducer 2*100     TrimTurbine= Exducer2/ Inducer 2*100由于公式中分子总是小于分母的，所以修正率的范围为0-100，常见Compressor端修整率为50-60，Turbine端为70-80修整率体现了增压器导入气流的特性，基本的规律是Trim大则高转流量好但低转流量差，Trim小则低转流量好但高转流量差3. A/R值点击查看原图 (41.69 KB)2010-02-23 11:46                       涡轮A/R值示意    如图所示，涡轮增压器的A/R值为出口直径和叶轮轴到出口中央的距离之比A/R值的不同体现了涡轮对高低转响应的差异，A/R值大的最高功率大，但低转响应差；A/R值小的低转相应好，但最大功率低普通街车选择0.4-0.6的A/R值比较合适六． 增压控制点击查看原图 (38.94 KB)2010-02-23 11:50                       Wastegate示意图    由于涡轮增压为正反馈系统，加速时如果不做控制增压值会失控不断增加，于是泄压阀（Wastegate）用来控制增压值的大小。

从图中可以看出，燃烧废气流向上吹动涡轮叶轮转动，内侧阀门平时在弹簧张力下是关闭的，泄压阀输入端采集压缩机输出压力，一旦压力超过阈值，弹簧被压缩从而打开阀门，这样部分废气流便通过内侧阀门而直接排出增压器，接着涡轮机转速开始下降，压缩机输出压力同步下降，最后阀门再次关闭，一次调整结束泄压阀正是通过不断打开、关闭阀门，从而实现压缩机平均压力稳定的    涡轮增压器的泄压阀有内置和外置两种内置式泄压阀与增压器整合为一体，阀门执行器（Actuator）直接与压缩机输出连接以采集输出压力点击查看原图 (99.53 KB)2010-02-23 11:51                        内置式泄压阀点击查看原图 (77.06 KB)2010-02-23 11:52                       阀门集成于涡轮内点击查看原图 (95.58 KB)2010-02-23 11:52                       执行器采集输出压力    从上面的图片可以看出，压缩机压力通过气管导入泄压阀执行器，执行器通过连杆推动阀门由于执行器内置弹簧钢度不变，调整连杆长短即可改变弹簧的压缩程度，按照图中所示，把连杆调短，则执行器弹簧被压缩，需要更大的压力才能推开阀门；反之，把连杆调长则打开阀门所需压力减小。

涡轮增压器正是通过调整泄压阀连杆长短来调整增压值的    外置式泄压阀作为一个独立的部件安装在排气管上，通常是废气经过涡轮机前的位置点击查看原图 (32.4 KB)2010-02-23 11:53                          外置式泄压阀    为什么需要外置式泄压阀呢？由于内置式泄压阀受空间限制，阀门比较小，当压力过大时即使阀门全开依然不能把废气流排出涡轮机，而外置式泄压阀由于不受空间限制，适应压力大幅增加所以大排量、高增压的车型推荐采用外置式泄压阀    上面介绍了增压值调整方法，那么如果我们经常要调整增压值，岂不是要不断的调整连杆长度？有没有办法随时调整增压值呢？ EVC（电子阀门控制。