发动机增压研究

咖啡824

针对自然进气（NA）引擎在高转速区域会出现进气效率低落的问题，从最基本的关键点着手，也就是想办法提升进气歧管内的空气压力，以克服气门干涉阻力，虽然进气歧管、气门、凸轮轴的尺寸不变，但由于进气压力增加的结果，让每次气门开启时间内能挤入燃烧室的空气增加了，因此喷油量也能相对增加，让引擎的工作能量比增压之前更为强大，这就是增压（Charge）的基本原理。
现今运用在汽车的增压系统有两大主流
机械增压（Super Charge）、涡轮增压（Turbo Charge）
本文将机械增压方式，并分析其优缺点。
机械增压器（Super Charge）之构造
机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接，利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片，以产生增压空气送入引擎进气歧管内，整体结构相当简单，工作温度界于70℃-100℃，不同于涡轮增压器靠引擎排放的废气驱动，必须接触400℃-900℃的高温废气，因此机械增压系统对于冷却系统、润滑油脂的要求与NA自然进气引擎相同，机件保养程序大同小异。
机械增压器（Super Charge）之特性
由于机械增压器采用皮带驱动的特性，因此增压器内部叶片转速与引擎转速是完全同步的，基础特性为：
引擎rpm X（R1/R2）= 增压器叶片之rpm
R1 引擎皮带盘之半径
R2 机械增压器皮带盘之半径
由于各类引擎的皮带盘尺寸差异不大，同时受限于引擎安装空间，因此机械增压器的工作转速远低于30,000rpm，与涡轮增压器经常处于100,000rpm以上超高转域的情形相去甚远，同时机械增压器转速是完全连动于引擎转速，两者呈现平起平坐的现象，形成一组稳定之等差数线，而且增压器与引擎之间会互相影响，当一方运转受阻的时候，必定会藉由皮带传输而影响另一方的运作，这就是机械增压器的特性。

由于制造成本的限制，市售车辆的引擎最高转速多半维持在7500rpm以下，理想的机械增压器应该在1000rpm-7500rpm的引擎工作区域之内，产生一足够且稳定之增压值，让引擎输出提升20-40%，因此机械增压器必须在低转速就产生增压效应，通常引擎一脱离怠速区域，在1000rpm-1300rpm即能带动机械增压器产生增压效果，并延续至引擎最高转速，因此整体增压曲线是呈现一缓步上升之平滑曲线，经由供油程序与泄压阀的调整，即可达成“高原型”引擎输出功率曲线的目标。

不过看似完美无缺的机械增压系统，却有一个小问题存在，由于机械增压器的动力来源完全依靠引擎带动，而引擎的负担越轻，转速提升就越快，这就是为什么比赛用房车都事先拆除冷气压缩机的原因，若是方程式（formula）赛车，甚至连激活马达、机油帮浦都改成外部连接，以减少对引擎造成的负担，因此增压器本身的运转阻力必须越小越好，才不会拖累引擎的工作效率。

然而增压器产生的能量（增压值）与阻力成正比关系，如果一味追求增压值，虽然引擎输出的能量大增，但是相对的增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，增压器本身的阻力会让引擎承受极大的负担，严重影响引擎转速的提升，因此设计师必须在增压值与引擎负担之间取得妥协，以避免高增压系统带来的负面效应。

目前欧洲生产的机械增压系统多半采取0.3-0.5kg/c㎡的低增压，着重在于低转速扭力输出与中高转速“高原型”马力输出，而台湾“特嘉”研发的新式低阻抗增压器可以产生0.6-0.9kg/c㎡的中度增压值，动力提升的幅度更为显著，虽然机械增压系统在现阶段仍然无法突破1.0kg/c㎡的高增压范围，而涡轮增压早已突破2.0kg/c㎡的超增压境界，单就效率而言，涡轮增压系统可以用“倍数”来提升引擎输出，但是两者在结构上无法相提并论。

高增压涡轮增压系统必须让引擎承受由负压转变为正压的剧烈变化与高压，因此引擎内部机件的材质与加工精密度要求很高，对于冷却、润滑系统的要求也远较一般引擎来得高，保养间隔短、手续繁杂、工作寿命短..等等都是高增压值涡轮引擎的缺点。

在引擎机件维持原有形式，不用额外制造高单价精密机件的情形下，机械增压系统可以让引擎动力输出增进20-40%，又不至于造成维修体系的负担，因此各大车厂在近年都有开发机械增压引擎的计划，例如：BENZ、Jaugar、Aston Martin..等等欧洲高级车厂都采用机械增压系统来延长现有引擎的生产寿命，并达成环保、省油、高效率的目标，以大幅节省新引擎的开发费用。
使用涡轮增压发动机的车型现在越来越多，到底什么是涡轮增压发动机，它的基本结构和工作理又如何呢？现在坊间越来越多车迷朋友知道涡轮增压可以提升动力，但却不知道它是如何完成，如果要改装又应如何改动？一切的一切，我们都需要从涡轮增压系统的基本原理谈起。

中华Coupe 1.8T：德国FEV 1.8T涡轮增压... (9.23) 双涡轮增压发动机 奔驰新推F700概念车... (8.10) 解密涡轮增压发动机低速无力的原因 (6.12) 荣威新车W2外形尺寸曝光 将配涡轮增压... (6.4)       影响发动机动力输出的原因有很多，但其中最重要的，莫过于如何把更多的空气塞进汽缸，提高容积效率（更多的空气将带来更大的动力）。排量为3000cc 的引擎所能够产生的马力与扭矩，在理论上必然会比相同设计的2000cc 引擎来得大。那么如何把2.0L 汽缸内的容积效率提升到接近甚至超过3.0L 呢?
      NA动力提升方法
      一般的NA（自然进气）发动机的做法，逃不开加大节气门口径，或换多喉直喷等，使高转速时可以在同油门深度下，获得更多的空气量。但这种方法在某一转数后，作用就有限了。毕竟NA 发动机的空气是靠真空吸入的。在汽缸容积固定不变的情况下，真空吸入空气有一个相对的限度。
      有的NA 发动机改用高角度凸轮轴(Hi Cam，借此增加进排气门重叠角度)，可以在高转速下获得高动力，但缺点是低转的扭矩较差，而且如果角度过大，会有发动机怠速不稳的现象。所以现在不少的新车都用上可变气门正时技术，再配合可变凸轮轴等技术（如VVTL-i、i-VTEC、MIVEC）……以期在低转扭矩和高转马力之间取得很好的平衡。
      但即便是用尽以上方法，发动机的进气效率顶多提高60%。NA 发动机始终无法避免其宿命——空气是被动地被吸入汽缸内的。也就是说，引擎所需的空气完全依靠活塞下行时产生的负压而进入，即便汽缸吸满了空气，缸中气压也就小于或等于一个大气压。所以NA 发动机的升功率始终远不如能将空气与燃油强制送入的汽缸中，可轻松获得一倍以上马力的增压发动机。
      涡轮增压系统原理解构
      涡轮系统是增压发动机中最常见的增压系统之一。
      如果在相同的单位时间里，能够把更多的空气及燃油的混合气强制挤入汽缸（燃烧室）进行压缩燃爆动作（小排气量的引擎能“吸入”和大排气量相同的空气，提高容积效率），便能在相同的转速下产生较自然进气发动机更大的动力输出。涡轮增压利用废气驱动，基本没有额外的能量损耗（对发动机没有额外的负担），便能轻易地创造出大马力，是非常聪明的设计。情形就像你拿一台电风扇向汽缸内吹，硬是把风往里面灌，使里面的空气量增多，以得到较大的马力，只是这个扇子不是用电动马达，而是用引擎排出的废气来驱动。
      一般而言，引擎在配合这样的一个“强制进气”的动作后，起码都能提升30%-40% 的额外动力，如此惊人的效果就是涡轮增压器令人爱不释手的原因。况且，获得完美的燃烧效率以及让动力得以大幅提升，原本就是涡轮增压系统所能提供给车辆最大的价值所在。
      该系统包括涡轮增压器、中冷器、进气旁通阀、排气旁通阀及配套的进排气管道。
      涡轮增压系统如何工作？

      我们希望用以下简单的步骤让你明白涡轮增压的工作顺序，从而便能清楚了解涡轮增压系统的工作原理。
      一，发动机排出的废气，推动涡轮排气端的涡轮叶轮（Turbine Wheel）②，并使之旋转。由此便能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮(Turbine Wheel) ③也同时转动。
      二，压气机叶轮把空气从进风口强制吸进，并经叶片的旋转压缩后，再进入管径越来越小的压缩通道作二次压缩，这些经压缩的空气被注入汽缸内燃烧。
      三，有的发动机设有中冷器，以此降低被压缩空气的温度、提高密度，防止发动机产生爆震。
      四，被压缩（并被冷却后）的空气经进气管进入汽缸，参与燃烧做功。
      五，燃烧后的废气从排气管排出，进入涡轮，再重复以上（一）的动作。
所谓机械增压，就是利用发动机的动力来带动一个罗兹压气机，通过发动机本身的动力来压缩空气。它跟空调压缩机很相似。

它的工作原理与发动机机油泵、水泵有些类似，也是与发动机动力相连，只不过压缩的是空气而已。由于它是由发动机来带动的，所以只要发动机在运转，它就可以压缩空气进行工作。

而废气涡轮增压系统是靠排出的废气的动力来推动增压器的扇叶，从而使增压器进行工作的。这个增压器的转速通常能接近10万转/分钟。所以用废气流推动扇叶由0增加到10万转/分钟是需要一个相对较长的响应过程的。这也就是涡轮增压系统的“滞后性”。而机械增压器是靠发动机通过皮带来带动增压器的，故不存在这个问题。（当然，奔驰S600上的双涡轮增压系统上就有一个质量较小的轻便小涡轮，这个小涡轮可以在发动机低速运转时就开始压缩空气）

不过出于经济性考虑，机械增压系统的电磁离合器在怠速工况时是断开的，也就是说怠速时增压器不工作，但是只要踩下油门，电磁离合器就可以迅速连接发动机动力。所以机械增压能够给汽车带来很好的低转扭矩，让起步时冲劲十足。虽然克服了涡轮增压器迟滞的缺陷，但单机械增压也并非完美，因为它要消耗发动力动力的。在低转速时，由于转速低损耗也就小，但如果处于高转速工况，那么这样能量损耗是非常大的。不仅经济性差，高转动力性也要受到影响。这点就不如废气涡轮增压系统好了


发动机燃烧噪声及其控制
一. 燃烧噪声的特性
I仅讨论柴油机的燃烧噪声。
燃烧噪声与燃烧过程有关，所以从柴油机燃烧过程的四个阶段—滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期来分别研究它。
⑴滞燃期 燃料未燃烧，尚在进行燃烧前必要的物理和化学准备，气缸中的压力和温度变化都很小，因此对噪声的直接影响甚微，但间接影响重大。
⑵速燃期 燃料迅速燃烧，气缸内压力迅速增加，直接影响发动机的振动和噪声。 )
▲    影响压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短和供油规律。延迟期越长，喷入气缸的燃料越多，压力增长率越高，则柴油机的冲击载荷大，柴油机内零件敲击严重，增加了柴油机的结构频率和所辐射的噪声。
⑶缓燃期 气缸内压力有所增长，但增长率小，能激发一定程度的燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。
⑷补燃期 活塞下行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，对燃烧噪声影响不大。
综上所述，燃烧过程的激发的噪声主要集中在速燃期，其次是缓燃期。
[燃烧噪声主要表现在两方面
⒈    由缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声，其频率相当于各传声零件的自振频率。
⒉ 由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声，其频率为气缸内气体的自振频率。

  燃烧噪声的根源是气缸内气体压力的变化。
★    柴油机产生高声调噪声的原因：
⒈在速燃期内产生的气体动力载荷，使柴油机内相应零件受到一种敲击。由于柴油机的结构可视为一个复杂的振动系统，大多数零件的自振频率处在中、高频率范围内，因此，由结构传声而向外辐射的燃烧噪声频率也处在中、高频率范围内。
⒉由气体动力载荷引起的噪声，主要取决于压力增长率及最大压力增长率持续的时间，压力增长越快，持续高增长率时间越长，则噪声就越大。在燃烧过程中，随着气缸内气体压力的剧变，与火焰传播的同时，冲击性质的压力波也随着传播，当冲击波达到燃烧室壁面后将进行多次反射，从而形成了气体的高频振动。

{※气缸压力曲线（在时域上）描述了压力变化规律，可以得到燃烧噪声与着火延迟期、压力增长率等因素的关系。
※气缸压力谱（在频域上）描述了压力变化规律，显示出气缸压力曲线所包含的频率结构和每种频率成分强度的大小，深刻揭示了燃烧噪声与气缸压力变化及其所引起振动和噪声的传播途径的关系。
气缸压力谱（暂略）
由气缸压力谱知，气缸压力曲线实质上是由不同频率、不同幅值的一系列谐波叠加而成。发动机的结构振动问题可按线性系统来处理，因此据线性系统的叠加原理，气缸压力的总作用等于这一系列谐波单独激发的总和。   
一般认为，这一系列谐波，由两条途径从气缸内传播出去：
⒈经气缸盖和气缸套
⒉经曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴及主轴承。
由于发动机结构中大多数零件的刚性较高，而中、高频率的压力级易于传出，即发动机的结构对燃烧噪声的低频段衰减大，对高频段衰减相对较小。【气缸压力级与声压级之差称为衰减量】。试验表明：衰减量基本与气缸压力谱无关。  


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二. 燃烧噪声控制 ,
降低柴油机燃烧噪声的根本措施是降低压力增长率。
而压力增长率取决于着火延迟期和在着火延迟期内形成的可燃混合气的数量和质量，因此可通过选用十六烷值高的燃料，合理组织喷油过程及选用良好的燃烧室来实现。具体措施如下：
⑴延迟喷油定时
{由于气缸内压缩温度和压力是随曲轴转角变化的，喷油时间的早晚对于着火延迟期长短的影响将通过压缩温度和压力而起作用。若喷油早，则燃料进入气缸时的空气温度和压力低，着火延迟期变长；若喷油过迟，同样燃料进入气缸时的空气温度和压力反而变低，着火延迟期变长，燃烧噪声增大；只有适当推迟喷油时间，即减小喷油提前角，可使着火延迟期延期长，燃烧噪声减小。
⑵改进燃烧室结构形状和参数
E柴油机工作过程的好坏主要取决于燃油喷射、气流运动和燃烧室形状三方面的配合是否合理。因此，燃烧室的结构形状与混合气的形成和燃烧有密切关系，它不但直接影响柴油机的性能，而且影响着火延迟期、压力升高率，从而影响燃烧噪声。
根据混合气的形成及燃烧精通结构的特点，柴油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两大类
A 直喷式又分开式、半分开式和球形燃烧室等 :
B 分隔式分涡流室和预燃室。
在其它条件相同的情况下，直喷式燃烧室中的球形和斜置圆桶形燃烧室的燃烧噪声最低，分隔式燃烧室的噪声一般较低。而ω形直喷式燃烧室（半分开式）和浅盆形直喷式燃烧室（开式）的燃烧噪声最大。
A调节燃烧室结构参数也可降低燃烧噪声。例如：在涡流室式发动机中喷油嘴的喷油方向愈偏离涡流室中心而指向涡流下游，附着于燃烧室壁面的燃料就愈多，燃烧也愈平静；另外增加涡流室喷孔面积比也可减少噪声。
⑶调节喷油系
  喷油率对燃烧噪声的影响非常大，试验表明，喷油率提高一倍，燃烧噪声就会增加6dB，因此用减少喷油泵供油率的方法来减少燃烧噪声，但应注意高速性能的恶化和增加怠速噪声的问题。
⑷提高废气再循环率和进气节流
提高废气再循环率可减小燃烧率，使发动机运转平稳，因此对降低燃烧噪声起到明显作用。
而进气节流可使气缸内的压力降低和着火时间推迟，因此进气节流不但能降低噪声，而且还能减少柴油机所特有的角速度波动和横向摆振。
⑸采用增压技术
柴油机增压后进入气缸的空气充量密度增加，使压缩终了时气缸内的温度和压力增高，改善了混合气的着火条件，使着火延迟期缩短。增压压力越高，着火延迟期越短，使压力升高率越小，从而降低燃烧噪声越多。试验证明，增压可使直喷式柴油机燃烧噪声降低2～3Db。
⑹提高压缩比
提高压缩比可提高压缩终了的温度和压力，使燃料着火的物理、化学准备阶段得以改善，从而缩短着火延迟期，降低压力升高率，降低燃烧噪声；但压缩比增大使气缸内压力增加，会让活塞敲击声增大，因此，提高压缩比不会使发动机的总噪声有很大的降低。
`⑺改善燃油品质
燃油品质不同，喷入燃烧室后所进行着火前的物理、化学准备过程就不同，导致着火延迟时间不同。十六烷值高的燃料着火延迟较短，压力升高率低，燃烧过程柔和。故而，应采用十六烷值高的燃料。
除采取上述措施改进燃烧过程外，还应在燃烧激发力的辐射和传播途径上采取措施，增加发动机结构对燃烧噪声的衰减，尤其是对中、高频成分的衰减。具体的措施有：提高机体及缸套的刚性，采用隔振隔声措施，减少活塞、曲柄连杆机构各部分的间隙，增加油膜厚度，在保持功率的前提下采用较小的缸径，增加缸数或采用较大的S/D值，改变薄壁零件（如油底壳）的材料和附加阻尼。

劲松

这么好的文章居然没有顶一下，不知道是否来网站的朋友没有注意到！对于增压器朋友们一定要多了解，对发动机影响很大。

wenw2000

增压技术主要适用于柴油机，对汽油机意义不大

超级解放军1

问一下我的潍柴道依茨WP6240国三发动机低速无力，耗油量也变大了，无故障代码
超过1500转后有尖声音，以前没有
空滤和柴滤都换了还不顶用，是哪的问题啊，，，，求求求求了

qichebaobao

对燃烧噪声的分析很是到位，有想进一步了解的同行朋友可以买一本 中国内燃机工程学会  吴炎庭等人编写的
《内燃机噪声振动与控制》，  书里面对内燃机燃烧噪声有更详尽的描述

wkilhu

不能说这么绝对吧 现在很多汽油机不都是T的了吗 国外知名发动机制造商不会做“意义不大”的工作吧 柴油机多半用在更大的载荷之下 增压使其尽可能的提高性能 汽油机则多用在轿车的小型车上 增压不是意义不大 而已为了安全性不能让其性能提升过多 毕竟对于多数有车族而言只是代步工具而已

zhoufanghanlu

楼上的说TURBO对汽油机用处不大,是错的  我现在单位就有汽油机增压的  功率和扭矩提高很大的

tianyu880214

一般的引擎是利用汽缸内产生的负压力，将外部空气吸入，跟人类吸取空气一样，这种吸气方式称为自然进气引擎（Naturally Aspirated )，缩写为自然吸气（NA）。与涡轮增压的发动机相比，功率输出方面略小一些，但对于家用车来说，自然吸气（NA）发动机的工作方式更为适合，动力输出非常平顺，不会因为转速的变化而出现骤然的猛加速。而且，自然吸气发动机还有另一大好处就是寿命更长，维修更为简便。
我觉得在未来 自然吸气的发动机会成为主流趋势~

hch02386100512

这确实是好知识，应该仔细阅读与分析

sanpang1028

为什么我看到的关于涡轮增压器的资料基本都是柴油机呢？郁闷！！我想要汽油机的涡轮增压，有谁能共享的啊

wheel滑走了

这个比看汽车构造好多了 很经典

jsdx1980

原帖由 超级解放军1 于 7-6-2009 20:16 发表
问一下我的潍柴道依茨WP6240国三发动机低速无力，耗油量也变大了，无故障代码
超过1500转后有尖声音，以前没有
空滤和柴滤都换了还不顶用，是哪的问题啊，，，，求求求求了

我们一起分析下啊：
（1）潍柴的国三装配的应该是BOSCH的共轨系统，首先低速扭矩不足，即使是刚出厂的发动机，没有任何问题的柴油机来说，一般低速扭矩也是很难做的很大的，这是废气涡轮增压柴油机的共性。因为在低速时，废气能量不足，为保证烟度其每循环喷油量也受到限制，因而扭矩会受到一定的限制。
（2）针对你的情况，你买的柴油机应该是刚开始的时候低速扭矩还可以的吧，是不是开了一段时间后，明显感觉到了低速扭矩不足的啊？如果是这样，请先检查如下内容:1)首先检查下进气管路及空气滤清器，你的空滤已经更换了就检查进气管路，看看管路有没有破损造成空气漏气的；2）你说超过1500转之后又尖叫声：可能的原因是其一：可能是增压器转子与增压器壳摩擦刮壳产生的声音，这主要是时间长了，增压器转子的间隙过大造成的。这样的话就要要更换增压器了。其二 管路漏气，当转速高负荷大的时候，增压后的空气压力也大，如果管路有缺口，增压后的空气会从缺口中喷出，发出口哨般的声音（这种情况我在实验室遇到过）。
（3）如果管路完好无损，增压器也正常的话，接下来就检查下，气缸盖垫片，排气管垫片，增压器垫片，看看垫片有没有破损漏气的，如果废气漏掉的话，也会导致增压器得到的废气能量不足，造成空气进气量的能量不足；
以上说的3点都容易检查，司机自己用肉眼仔细的观察就可以查清楚。说道这里顺便说下，有的朋友遇到问题时，上来就是检查缸压，正时，喷油器等。这种做法是很不合适的。应该首先排除最常见的故障，然后逐步深入，哪有上来就先检查复杂的故障的啊。
（4）以上所说都正常的话，检查转速传感器和正时的传感器是否工作正常；
（5）以上没有问题的话，接下来就要诊断仪器看看数据流是否正确了，查查轨压，正时是否正确；
（6）最后才是拆柴油机，拆出喷油器在试验台上看看其雾化是否正常，看活塞环有没有过度磨损。
我自己总结的是：先表面和电路，再内部和机械。意思是先检查外面比较简单的地方（如管路，增压器，中冷器，空滤等），检查电方面的原因（如传感器，数据流等），最后再检查复杂的机械部分的原因。（比如拆开柴油机，看喷油器，活塞环等）。
以上是自己的愚见，希望和广大的朋友一起探讨和学习。

精益求精

启动增压系统时与没有起用时产生的矛盾也是显而易见的!

duanyu365

呵呵,思想老套了,现在汽油机增压技术也非常成熟,大名顶顶跑车布加迪威龙拥有16个汽缸4个增压器,创造出公路跑车极速407KM/h