汽车涡轮增压的原理:利用排气速度冲击还是废气热量

汽车涡轮增压是利用排气速度冲击还废气热量?很多车友提过这个问题,在这里笔者以自身的工科知识为基础讲一下个人见解。

  1. 增压最初目的是在进气压力不足的情形下增加进气量以维持功率,进气压力与进气量正成比,自吸发动机进气依靠吸气冲程汽缸下移形成的负压,这就是“吸”的由来。高海拔大气压力低,密度低,发动机的进气量就随海拔升高而下降,造成功率下降。增压器可以增加进气量以提高高海拔时的发动机功率。
  2. 涡轮增压之前是机械增压。机械增压器的动力源来自发动机轴功率,它的工作必然消耗发动机轴功率,也就是会额增加发动机燃油消耗。
  3. 下面以轴流式涡轴发动机为例先引入一下涡轮的基本原理。 讲涡轮增压前,先需要简述一下涡轮的定义。涡轮是一种从流动的流体中提取功率的装置。
    1. 涡轮装置一般需要导向器和具有叶片的转子配合工作。
    2. 导向器的作用是将流体以特定的角度导向转子以获得最大动能和最大推动(叶片)效率。静子(即涡轮导向器)的收敛流道设计使亚音速的高温气流降压降温增速,即热量与压力转化为速度,并以特定的出口角度将高速气流导向涡轮转子。
    3. 涡轮分燃气发生器涡轮和动力涡轮。燃气发生器涡轮转子在前,用于带动压气机,而后部的动力涡轮转子则最大程度的利用由静子中排出的高速气流推动涡轮转子转动,转换为扭矩(输出轴功率)来带动螺旋桨(对于涡扇发动机则是带动风扇)转动,其排气温度和速度大大降低。
    4. 总之,涡轮整体的作用就是利用高温高压燃气中的热量和压力,通过降压降温转变为低温低压的高速气流,经涡轮转子驱动同轴的螺旋桨(涡扇发动机中驱动风扇转子)。
  4. 汽车的涡轮增压器中,涡轮和压气机转子都是离心式的,但基本原理是相同的。气流进入涡轮转子前,先流经收敛的喷嘴环,效用与轴流式发动机的涡轮静子是相同的:降温降压增速,并将高速气流导向涡轮转子;而温轮转子受到高速气流的冲击后高速旋转,带动压气机转子转动进而为发动机进气进行压缩。这样,利用废气中热能的目的就达到了。同时,经压缩后的进气由于压缩做功温度会升高,必须在进入汽缸前降温,因此汽车还需设置中冷器来对经涡轮增压的空气降温。

所以,结论就是汽车的涡轮增压原理还是以利用高温废气中热能为主。这也是为何如今汽车发动机以涡轮增压为主,因为它利用排气中的热能,对比机械增压发动机在并不明显损失发动机功率的情况下增加进气量提高发动机功率,明显提高了发动机的燃油经济性。

在写此文时,笔者又痛苦的思索了脑海中学校中学过的那本不厚的《发动机原理》书,耐何都还给老师了,只好又百度一番,已经看不懂那些冗长的论证的推导计算过程了,只大概记得这些结论。

读者们也可以参考以下网络内容:

//www.sohu.com/a/208223819_100014220

//wenku.baidu.com/view/9d164c9685868762caaedd3383c4bb4cf7ecb7df.html