内燃机涡轮增压系统的原理与知识点-全解析

解析基础

• 四程冲

• 空压机

• 富氧燃烧

涡轮增压发动机的运行原理解析，需要了解什么是“四程冲”。燃油动力汽车装备的活塞式往复循环热机，这是一种通过燃烧燃油产生热能，将热能转化为机械能的发动机。其运行的步骤分为四步，分别为进气喷油，压缩蒸发，燃烧膨胀，排出废气——四步骤即为四冲程，运动状态参考下图。

第一步骤无需解释，不把空气燃油弄到气缸里也没法燃烧。压缩冲程的作用是通过压缩气缸内的空气，以分子运动为基础产生热能（高温）蒸发喷射到气缸里的液态燃油，燃油从液态变成气态后能够更迅速的燃烧。燃烧膨胀冲程是利用燃烧的热能，通过活塞连杆曲轴转化为机械能（动力）。对于涡轮增压系统而言，最重要的实际排气冲程，正常运行的发动机有相当大的排气压力哦！如果对排气压力没有概念的话，尝试空挡踩油门堵住排气管（注意防止烫伤），如没有相当大的力量是堵不住的。

知识点

1NA自然吸气发动机正常运行时总会排气，而此类发动机的排气压力是被白白浪费的。那么如果在排气歧管位置引出一条管路，将“冲劲”很大的高压尾气通过管路再引导至一台空气压缩你上，利用尾气的冲力吹动压缩机的涡轮扇叶运转——这种状态是不是叫做“废气利用”呢？这就是涡轮增压器的动力源，是完全不增加多余功耗（油耗）而实现空气压缩机运转的理想方式。

2涡轮增压器的本质为空气压缩机，其功能是将大体积的空气压缩成小体积。发动机正常运行时的排气压力可以驱动增压器的涡轮达到数万转，低惯量的高效增压器甚至可以超过10万转（每分钟）；以极高速度旋转的涡轮会是进气系统中的叶轮刚性连接，所以叶轮的转速也会极其高。那么通过叶轮的空气则会在高压旋转中被“挤压变小”，状态如下图所示。

3氧浓度的概念很重要。在常压下空气中含有20.95%的氧气，NA发动机吸入的空气正是这一比例。而涡轮增压系统将大体积的空气压缩成小体积，这一过程的结果只是让体积发生了变化，并没有让常压氧浓度发生变化；通俗的解释为压缩后的空气如果膨胀，其氧浓度还是20.95%，但在压缩后则有可能达到23/24/25%……的高标准，因为氧分子量没有减少，只是分子之间的间隙被挤压变小了，这是压缩与氧浓度的关系。

富氧燃烧

氧气是燃油的助燃剂，氧气也还是燃油的“兴奋剂”。在与燃油产生氧化还原反应时，氧气的浓度越低反应的效率（速度/强度）越差，反之氧浓度越高则相间内，催化反应的速度也就越快，反应得出的结果如果是一个能够量化的数值则必然越大。

比如某2.0NA发动机的最大扭矩仅仅为200N·m（真实水平），2.0T涡轮增压发动机通过空气压缩机获得了高浓度“富氧”，在燃油作为催化物具备大量冗余的前提下，相同的时间内反应出更多的热能则可以达到400N·m（真实水平）。

通俗的解释为富氧燃烧提高了燃烧效率，以消耗相同燃料的前提下，可以在相同的时间内让燃油做出“更强烈”的反应。从分子的角度描述则是分子运动强度变大，在“吸入富氧”后变得异常兴奋以产生了更高强度的运动能力，驱动发动机活塞运转则等于转化出了更大的扭矩。涡轮增压系统的目的在不增加燃油消耗量的前提下，用氧气刺激燃油使扭矩提升。

扭矩基数大则能够以低转速达到同排量NA发动机高转速的输出功率，低转速等于低油耗——节油目的达到了，在不需要节油时扭矩的倍数级提升就是性能的⅓~½的提升，驾驶乐趣也有了。于是NA被淘汰了，目前只有一些入门级车或落后的日系合资车还在使用，因为制造成本低。

编辑天和Auto

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