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什么是涡轮增压(涡轮增压发动机和正常的发动机有什么不同)
发布时间:2022-09-18 14:49   浏览量:2

「T&NA」概念全解析(分为三章解读涡轮增压的概念/原理/初衷)

分析两大类内燃机的有什么不同之处,首先要对所谓的汽车发动机有一个清晰的概念。燃油动力汽车装备的发动机为活塞式往复循环内燃式热机,这是一种通过燃烧燃油产生热能,利用热能转化为机械能的发动机。运行步骤包括四步,分别为:进气喷油,压缩蒸发,膨胀做功,排气循环。由于共计四步骤所以这种机器也叫做“四程冲内燃机”,其中用作解析这一问题的核心是第三步骤,参考下图。


名词解释&概念解析

  • T_turbo,释义为涡轮

  • NA_naturally aspirated,释义为自然吸气

  • L_liter,释义为公升(容量单位)

大多数汽车爱好者都以「T/L」区分涡轮增压或自然吸气发动机,然而“某某L”指的只是发动机的排量共有多少公升,并不代表真正的自然吸气技术。准确的称谓应该是“1.5NA”/“2.0NA”,那么什么是NA呢?

NA_自然的吸取空气,这里的关键词是「吸气」而不是进气。内燃式发动机的活塞往复运转会产生负压吸力,运行过程中会通过进气管路,并配合正面撞风的风阻由外往内的吸入空气。这是内燃机结构特点带来的特殊进气方式,Turbo涡轮增压发动机也不例外的会有吸气功能,只是吸入空气后会通过一次压缩后再送入发动机燃烧室(此为核心差异/初衷放在第三章说明)。


为什么要涡轮增压&什么是增压?

通俗的解释涡轮增压器,其本质就是一组「空气压缩机」:把大体积的空气压缩成小体积,这是压缩的概念。可以把空气想象成一团棉花糖,NA发动机通过吸力吸入正常体积的棉花糖并“吃掉”,Turbo发动机则是把更大一团棉花糖压缩成与NA吸入棉花糖相同的体积,之后再“吃掉”——想一个问题:Turbo压缩后的棉花糖虽然体积与NA吸入的相同,但实际量是不是要多一些呢?这就是压缩的作用,棉花糖是糖分也是人体需要的能量,压缩空气则是发动机需要能的能量源。


知识点1:没有减少!棉花糖能被压缩是因为“糖丝”之间有很大的空隙,空气能被压缩也是因为各种分子之间同样有间隙。压缩的概念是通过外力将各个分子推到紧凑一些,也就是让分子之间的间隙小一些;假设1升空气中有“2095个氧分子”(常压氧浓度为20.95%),那么把1.5升空气挤压(压缩)到1升的大小(体积标准),氧分子之间的间隙变小了,但是「1升压缩空气」中就会有“3142.5个氧分子”。Turbo涡轮增压技术的真正目的正是增加空气中的氧气,这是为什么呢?

知识点2:燃烧的基础是氧气!燃油燃烧是一种氧化还原反应,没有氧气即使温度再高燃油也无法燃烧。也就是说常压空气中20.95%的氧气是至关重要的,因其为燃料的催化气体,但是这一压缩空气又有什么关系呢?这里的关键点是反应催化的效率(程度),在固定的时间内为燃油输送不等量的氧气,分子运动的强度就会有不同程度的状态,参考以下三个条件。

  • 固定时间标准
  • 固定燃油量
  • 氧气越多则固定量燃油反应过程中的运动强度越积极,燃烧的概念参考下图(仅参考分子运动状态/燃烧状态)


扭矩为王-Turbo技术的初衷

综上所述,面对等量的燃油,发动机供给其等量空气中的氧气越多则分子运动状态“越兴奋”。这里的燃烧反应分子运动正是推动活塞曲轴往复运转的动力源,至于所谓的热能可理解为「结果/计量参考」。因为运动才会产生热能,热能本就是反应的结果,但是通过这个结果可以反推并区分分子运动状态强弱——运动强度越大,摩擦产生的热能才会越高,那么同样单位的燃油面对不同浓度的氧气,从常压20.95%开始会有怎样的变化呢?参考下图。

上图为压缩后的空气,各个浓度等级燃烧产生的火焰温度(常压空气与汽油为1200摄氏度)。由此可见通过压缩高浓度空气可促进燃油反应强度的加强,那么在固定的时间范围内,各类分子运动的强度越大产生的动能与摩擦产生的热能就会越高。如果这种描述还不太好理解的话,举个简单例子吧。

  • NA发动机2000rpm-20.95%氧浓度做功产生「150N·m」扭矩

  • Turbo发动机2000rpm-25%的氧浓度做功产生「300N·m」扭矩

(数据并未计算/仅为概念参考)这就是涡轮增压技术的真正作用:提升扭矩。

四程冲内燃机的每个步骤需要时间,且运动的时间是相对一致的。

假设两台机器膨胀做功冲程的时间都是100毫秒,NA发动机因为“缺氧”只能缓慢运动实现反应出150N·m的扭矩,T发动机以“富氧”状态获得了更多的能量,自然能在相同的100毫秒中输出更大的能量——扭矩。正如上图所示,扭矩的概念是发动机“一次输出的力量”,转速是发动机一分钟内曲轴运转的次数(单位为rpm),两者相乘并减去一些损耗就是所谓的马力,也是衡量汽车性能的核心参数。


马力计算公式:(N·m×rpm÷9549)×1.36=PS。这组公式中的数字肯定是不能变化的,rpm转速与N·m扭矩是相乘的关系,那么在转速不变的前提下,是否为扭矩越大PS(马力)越大呢?答案显然是没有争议的,上文说明了涡轮增压空气压缩技术可以提升发动机的扭矩,于是结果自然是通过富氧燃烧增扭实现【以转速不变】为前提的马力提升,也就是性能的增长。而在不需要高性能的状态下是,有大扭矩为基础可以反推公式,得出的结论是小马力可以以大扭矩低转速实现,这种状态必然节油。


总结

  • Turbo-玩氧气的行家

  • NA-玩排量的行家

T技术通过增氧不增油的方式提升扭矩,这种技术可以节油减排并提升驾驶乐趣,因为2.0NA的发动机普遍只有200N·m的最大扭矩,但是2.0T却能高达400N·m的标准。

NA自吸发动机由于不能实现增压富氧燃烧,想要提升扭矩只有增加内燃机的排量,排量的概念是发动机进气或排气的流体体积总和,进气量越大则喷油量越大,空气与喷油量的总量多则燃烧产生的热能也会多。然而NA毕竟是在“缺氧状态”下燃烧做功,所以即使排量大扭矩也不会很理想,主流的3.0NA-V6发动机也不过只有320N·m左右的峰值扭矩,这就是NA发动机未来必然会被淘汰的原因,现阶段仍然有些车辆使用只是因为此类发动机的制造成本低而已,供参考。


编辑:天和Auto

内容:原创首发

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标签: 什么 / 不同 / 正常 / 发动机 / 涡轮 / 增压 / 
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