压缩中迸发的马力—涡轮增压发动机历史篇

  谈到涡轮增压相信很多人都是耳熟能详的,正因为这样一个先进的技术引进,改写了汽车排量决定功率的历史。一般来说,汽车引擎的排量和功率是成正比的,要提高发动机的输出功率,最直接的方法就是提高发动机的排量。但排量提高的同时,发动机制造的精密程度、重量、能耗也被无限量增大,其缺点也是显而易见的。为了化解这一矛盾,那些富有钻研精神的汽车工程师们创新式的使用了发动机增压技术,它使汽车引擎获得额外的大功率动力输出成为了可能。下面我们就具体来看看涡轮增压的历史和使用。

  涡轮增压发动机的历史

  汽车引擎的增压技术可分为机械增压和废气涡轮增压两种,其中废气涡轮增压技术因更高的能效比而应用得最为广泛。

  说到涡轮增压技术,它已经有100多年历史了。在1905年Alfred Buchi博士就申请了第一款涡轮增压器的专利——动力驱动的轴向增压器。 世界上第一台废气驱动的增压器问世于1912年,而涡轮增压器的规模化生产出现在二战时期,由美国首先将其运用在军用飞机上。Saab则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商。

  到了1961年,小轿车开始试探性地安装增压器,但因为瞬间产生的巨大压力和热量,使安装后效果并不理想。而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商,1977年问世的Saab萨博99汽车,使汽车发动机在应用涡轮增压技术上,真正开始走向成熟,它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增压技术改写了“排量大小决定功率”的传统概念。

  汽车发动机是靠燃料在发动机汽缸内燃烧作功而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下,要提高输出功率,最有效的方法就是提供更多燃料燃烧,但传统发动机进气系统却难以提供充足的空气。涡轮增压是一种提高发动机的进气能力的技术,它采用专门的压气机将气体预先压缩再输入汽缸,这样,气体的质量将大大增加。一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率可提高大约40%。

  世界上首个新型带涡轮增压的直喷汽油发动机现已问世。这款2.0l FSI发动机适用于大众集团生产制造的诸多车型:如奥迪 A3、 A4、 A6 和高尔夫 GTI等等。曼·胡默尔公司有幸参与到大众集团的这个FSI开发项目中,为开发新型发动机做出了重要贡献。曼·胡默尔不仅为奥迪发动机生产部提供了进气模块,还提供了机油模块和用于曲轴箱通风的二段式压力调节阀。

  2.0l FSI发动机被来自26个国家的56个记者评为“今年最有影响力的发动机(Engine of the Year)”。此新型带涡轮增压的直喷发动机在发动机直喷的过程中(燃料分层喷射,Fuel Stratified Injection / FSI),燃油在高压下通过喷嘴直接射入燃烧室,与可选择的空气循环一样,FSI也有助于实现最理想的空燃比。结合涡轮增压,FSI拥有性能高和油耗低的特点。一系列数据显示,直喷发动机加强了奥迪车的运动性能。采用该发动机的奥迪各类轿车的马力在70-200匹之间。当每分钟转速在5,100 到6,000转之间时,VW GTI车从该发动机获得的马力为200匹。当每分钟转速在1,800 to 5,000转之间、在相当宽泛的一个速度范围内, 最大扭矩可达 280牛顿/米。它还能使时速在七秒内从0公里/小时加速到100公里/小时。有的车型的最高时速甚至可以达到 240 公里/小时。尽管时速如此之快,而其额外增加的百公里平均油耗仅在7.7升左右。

  曼·胡默尔为此款新型发动机提供了技术复杂的进气歧管系统。它不仅整合了进气歧管,还引入了活性碳过滤系统、汽油喷射和节气门。在燃烧室内,它还为可选择的空气循环系统提供一个优化气流的下降活塞。有一个电驱动的杠杆系统有效控制每个汽缸内的每个旋涡,风门被铸在钢轴喷射器上,用于控制燃烧室内的气流,确保空燃比达到最佳状态。整个开发小组在设计这个系统时,需正确选用32种零件。而技术人员从开发到量产,总共才用了短短15个月的时间。

  涡轮增压发动机的使用

  涡轮增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮,它再怎么先进还是一套机械装置,由于它工作的环境经常处于高速、高温下工作,增压器废气涡轮端的温度在600度以上,增压器的转速也非常高,因此为了保证增压器的正常工作,对它的正确使用和维护十分重要。主要我们要遵循以下的方法:

  1、汽车发动机启动之后,不能急踩加速踏板,应先怠速运转三分钟,这是为了使机油温度升高,流动性能变好,从而使涡轮增压器得到充分润滑,然后才能提高发动机转速,起步行驶,这点在冬天显得尤为重要,至少需要热车5分钟以上。

  2、发动机长时间高速运转后,不能立即熄火。原因是发动机工作时,有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却的,正在运行的发动机突然停机后,机油压力迅速下降为零,机油润滑会中断,涡轮增压器内部的热量也无法被机油带走,这时增压器涡轮部分的高温会传到中间,轴承支承壳内的热量不能迅速带走,而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转。这样就会造成涡轮增压器转轴与轴套之间“咬死”而损坏轴承和轴。此外发动机突然熄火后,此时排气歧管的温度很高,其热量就会被吸收到涡轮增压器壳体上,将停留在增压器内部的机油熬成积炭。当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口,导致轴套缺油,加速涡轮转轴与轴套之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转三分钟作用,使涡轮增压器转子转速下降。此外值得注意的就是涡轮增压发动机同样不适宜长时间怠速运转,一般应该保持在10分钟之内。

  3、选择机油的时候一定要注意。由于涡轮增压器的作用,使进入燃烧室的空气质量与体积有大幅度的提高,发动机结构更紧凑、更合理,较高的压缩比,使发动机的工作强度更高。机械加工精度也更高,装配技术要求更严格。所有这些都决定了涡轮增压发动机的高温、高转速、大功率、大扭矩、低排放的工作特点。同时也就决定了发动机的内部零部件要承受较高的温度及更大的撞击、挤压和剪切力的工作条件。所以在选用涡轮增压轿车车用机油时,就要考虑到它的特殊性,所使用的机油必须抗磨性好,耐高温,建立润滑油膜块,油膜强度高和稳定性好。而合成机油或半合成机油恰好可以满足这一要求,所以机油除了最好使用原厂规定机油外还可以选用合成机油、半合成机油等高品质润滑油。

  4、发动机机油和滤清器必须保持清洁,防止杂质进入,因为涡轮增压器的转轴与轴套之间配合间隙很小,如果机油润滑能力下降,就会造成涡轮增压器的过早报废。

  5、需要按时清洁空气滤清器,防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气叶轮,造成转速不稳或轴套和密封件加剧磨损。

  6、需要经常检查涡轮增压器的密封环是否密封。因为如果密封环没有密封住,那么废气会通过密封环进入发动机润滑系统,将机油变脏,并使曲轴箱压力迅速升高,此外发动机低速运转时机油也会通过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧,从而造成机油的过度消耗产生“烧机油”的情况。

  7、涡轮增压器要经常检查有没有异响或者不寻常的震动,润滑油管和接头有没有渗漏。

  8、涡轮增压器转子轴承精密度很高,维修及安装时的工作环境要求很严格,因此当增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修,而不是到普通的修理店。

  2008年Wardsauto世界十佳发动机中的前三名,全部被涡轮增压发动机占据,其中第一名为大众公司的2.0TFSI发动机;第二名为宝马公司的3.0T I6发动机;第三名是戴姆勒公司的V6 3.0T 柴油发动机。此外,马自达公司的2.3T在十佳发动机中位列第六。涡轮增压发动机已经连续多年在世界十佳发动机中占据半数席位。这意味着:中国车市目前全面迈入“T”时代。

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