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「T&NA」涡轮增压发动机概念\u002F原理\u002F初衷

时间:2020-07-17 16:52来源:网络整理 浏览:
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

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。

「T&NA」涡轮增压发动机概念/原理/初衷-详解


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?

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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)。

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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。

「T&NA」涡轮增压发动机概念/原理/初衷-详解


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?

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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)


「T&NA」涡轮增压发动机概念/原理/初衷-详解


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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。

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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。

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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。

「T&NA」涡轮增压发动机概念/原理/初衷-详解


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。

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​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。

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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。

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编辑:天和Auto-汽车科学岛

责编:天和MCN

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