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涡轮增压高温短命为啥都用?德系偏爱日系不用原因何在?

对于涡轮增压发动机来说,业内一直有个共识,那就是相对于传统的自然吸气发动机,涡轮增压发动机寿命普遍比不上同排量同时代的自然吸气。那为什么耐久性差的涡轮增压发动机能够迅速普及并推广呢?为什么德系偏爱涡轮增压,而日系却犹抱琵琶半遮面呢?

本文从历史和发动机原理角度和各位普及一下。抛砖引玉,欢迎指正!

1、自然吸气发动机的局限

发动机空燃比是相对固定的,大约在14.7:1左右,空燃比的意义是吸入14.7g的空气,需要喷出1g汽油,这样燃烧效率才最高。当然并不是绝对的,实际空燃比范围大约在12-18:1之间。

对于发动机来说,做功的多少受到汽缸进气量限制,确切地说和汽缸从上止点到下止点之间的容积有关,排量越大喷油量越多,做功越大,这是物理结构限制。当然,现代技术也可以通过控制节气门开闭时机实现阿特金森循环,以优化燃烧效率,不过这不在本文探讨范围。

2、不断严苛的排放要求,迫使德系提早采用涡轮增压

2000年,欧盟制订了第一个碳排放计划,要求大力使用新能源,并减少现有燃油车的碳排放,这是一个非常严苛的排放法案,这些法案对于日系车来说影响不大,因为日系生产的大都是中小排量发动机,且其燃烧排放控制非常好,而德系则在大排量以及柴油领域有传统领先优势,因此,德系急需一种技术减少排放,大众就瞄准了涡轮增压技术。

但是,早期的涡轮增压发动机因为材料和控制逻辑不完善,导致其故障率比较高。

3、涡轮增压可以认为是在自然吸气发动机的基础上增加了一个鼓风机和中冷器

要想让马少吃草料跑得快还不允许增大排量,涡轮增压技术也就迅速普及。

涡轮增压技术很早就已经被发明出来,通俗地说就是在自吸发动机的节气门前面增加一个鼓风机(涡轮增压器),涡轮增压器内部有一个同轴的两个涡轮,其中一端在进气道里面,另一端排气管里面,发动机运转产生的排气压力推动涡轮高速转动,带动同轴进气管涡轮叶片高速转动,像鼓风机一样,增加进气压力(进气量增大),再通过ECU电脑计算,匹配喷入相对应的燃油,在增压状态,由于进气量增大、燃油量增大,从而获得更大的功率输出。

4、涡轮增压发动机的优缺点:

  • 优点

小排量获得较大的功率、扭矩输出,可以获得政策支持

涡轮增压增压器的压力一般可以达到1.5个大气压,一般可以获得1.5-2.0倍的动力表现,在增压状态,发动机可以在低转速区间获得更大扭矩,动力表现更好,另外更容易获得节能减排政策上的支持。

某些工况更省油,某些工况费油

涡轮增压省油,但是并不是全域省油,而且由于涡轮增压的燃烧效率相对比较低,因此在增压状态下,涡轮增压发动机油耗比较高。但是,在怠速和匀速工况,涡轮可以长期处于负压状态,此时油耗比较低。

  • 缺点:

成本高

涡轮增压器的涡轮最大转速可以达到20万转,温度可以达到900多℃,这么高的温度,对散热和润滑要求非常高,而由于发动机缸内温度高压力大,对缸体、缸盖、活塞、活塞环、火花塞、喷油嘴灯零部件的工艺和材料要求都比较高。

发动机温度高、汽缸温度高,故障率高,耐久性差

涡轮增压发动机内部的温度和压力远远高于普通的自然吸气发动机,这就对发动机的油封、密封胶、发动机周边塑料零部件的耐久性影响比较大。导致涡轮增压发动机寿命比不上自然吸气发动机。

存在一定涡轮迟滞现象

涡轮增压发动机使用废气推动涡轮,在发动机转速比较低时,排气量不够,涡轮转速低,导致进气端无法获得足够的进气压力,而当动力需求时,需要发动机转速提升排气量增大以后才能推动涡轮提高转速,因此就会导致动力实时性相对较差,特别是早期的采用大惯量涡轮的发动机,涡轮正压转速大概在2000转以上,迟滞现象比较明显,现在大都采用小惯量的涡轮,涡轮正压的转速大概在1300转就可以,但是仔细体会,仍然有一定的迟滞。

保养要求高

发动机温度高,对发动机的散热和润滑要求比较高,一般来说,使用全合成机油才能确保及时将涡轮的高温传递出去,而相对来说,全合成机油价格要高一些。另外,涡轮增压发动机对空气滤芯和机油滤芯的品质要求也比较严格。

涡轮增压发动机的几个关键概念

涡轮增压有涡轮负压和涡轮正压两个工况。

负压工况:涡轮虽然转动,但是其产生的进气压力小于发动机汽缸下行吸气压力,此时,进气道为负压工况(小于大气压力),此时涡轮增压发动机相当于小排量自然吸气发动机。

正压工况:排气涡轮在废气推动下高速转动,带动进气涡轮同步转动,其产生的压力大于气缸吸气压力,此时进气道为正压工况。在这个工况,喷油量增大,动力增强。

排气旁通阀:涡轮增压发动机设计有废气旁通阀,平时处于开启状态,为了降低油耗,涡轮增压只有在有动力需求时才关闭废气旁通阀,此时可迅速产生压力,推动涡轮转动。另外,当进气压力过大时,也可以通过电脑控制旁通阀开启泄压,避免发生爆炸危险。

进气泄压阀:主要用于平衡进气压力,保护节气门,当发动机处于正压时,如果松开加速踏板,节气门关闭,高压气体会冲击节气门导致损坏,为此,当松开加速踏板时,ECU会开启进气泄压阀,降低进气压力。

5、涡轮增压发动机为什么故障率高?

从零部件数量来看,涡轮增压发动机更加复杂。

从发动机温度来看,增压发动机的温度更高,压力更大,对零部件耐久性要求更高。

从燃烧工况角度看,涡轮增压发动机有涡轮正压和负压两个工况,另外,大都采用缸内直喷,容易产生缸内积痰。更容易产生烧机油的情况。

6、日系不使用涡轮增压是因为没技术们?

肯定不是,日本使用涡轮增压发动机由来已久,从上世纪60年代,日本就已经普遍销售了小排量涡轮增压发动机车型K-CAR,自然对涡轮增压的优缺点十分清楚。

从上世纪90年代以后,日本开始普及自然吸气发动机,特别是在中小排量自然吸气发动机的燃烧控制方面有领先优势,以小日本抠门的调性,能用便宜的自然不用贵的,毕竟涡轮增压的成本比较高故障率也高,因此,日系车迟迟不愿意使用涡轮增压。相对而言,本田算是比较激进的,使用涡轮增压比较早,丰田也仅有几款车型使用涡轮增压。

日本虽然不使用涡轮增压,但是其在涡轮增压器的研发方面还是有一定优势的,世界上大约有50%的涡轮增压发动机使用的是日本的涡轮增压器。

6、涡轮增压发动机的日常使用与保养维护

1、尽量使用全合成机油,且不要粘度过高,高粘度机油固然拥有更好高温抗剪力,但是散热能力较差,发动机热车慢且容易过热。在发动机冷启动和冷车运转时的磨损会增大。

2、保养时尤其要注意空气滤芯和机油滤芯的品质,空气滤芯质量不过关,容易导致较大的颗粒物进入涡轮增压器,撞毁涡轮叶片,机油滤芯质量不过关,容易在大脚油门急加速时导致旁通阀被顶开,机油滤芯则失去过滤作用

3、尽量使用高品质燃油,高品质燃油杂质少,可以减少缸内直喷,喷油嘴堵塞。

4、火花塞尽量按照保养手册要求更换,不要看上去没什么问题就不更换,涡轮增压车型对于燃烧工况控制比较精密,要求点火质量非常高。

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