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效率更高!单涡轮双涡管增压原理解析

http://www.auto-m.hc360.com2012年10月30日15:25 来源:pcautoT|T

    时下涡轮增压发动机非常火热,拥有比同排量自然吸气发动机更强劲的动力,受到不少人的青睐。而涡轮增压器作为其核心部分也在不断的升级进化,如时下的一些发动上装备了单涡轮双涡管增压器。单涡轮双涡管和普通的涡轮增压原理会有什么不同?对发动机的性能又有怎样的影响?下面我们来解析一下。

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    ●单涡轮双涡管增压器结构

    单涡轮双涡管增压器结构跟普通的涡轮增压器大同小异,可以简单理解为在普通涡轮的废气入口处增多了一条废气通道,不同的是涡轮是由两个通道的废气驱动。

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    ●废气涡轮增压器的增压方式?

    废气涡轮增压器对发动机进气增压主要有两种方式,即定压增压和脉冲增压。定压增压是指排气管道涡轮前的压力几乎是恒定不变的,尽管各个气缸是交替排气的,但由于脉冲叠加和排气管的稳压作用,涡轮入口处的压力几乎是不变的。

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    脉冲增压,是通过各个气缸不同时刻地排出废气而形成脉冲,涡轮前的压力是发生变化的,压力波以脉冲的方式驱动涡轮。脉冲增压可实现涡轮增压器的快速响应特性(特别是在转速较低时),因为这个时候的脉冲最强,而在定压增压模式下这时的涡轮前后压力差比较小。

    ●废气脉冲如何产生?

    我们知道,发动机气缸工作的四个行程中只有排气行程排出废气,那么涡轮增压器废气通道前的压力只有在气缸的排气行程时是最大的。在多缸发动机中,由于各缸的排气时刻不同,因此在涡轮增压器废气通道前就会产生相应废气脉冲。如单缸发动机,理论上曲轴每转720°中就有180°用于排气。下图用了非常简化的方式展示了单缸发动机废气涡轮增压器前的压力情况。

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    在四缸发动机工作中,由于曲轴旋转两圈后所有气缸均完成了各自的排气循环,所以720°曲轴转角内产生了四个压力波,点火间隔每隔180°的曲轴转角均匀分配。在此过程中压力波相互叠加,某一气缸压力下降时,下一气缸压力已经增大。

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    如上图所示,叠加的作用会使得最小压力与最大压力差明显减小,因此压力波作用在涡轮上的脉冲也随之减小,进而导致废气涡轮增压器内的脉冲增压减少。

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    ●单涡轮双涡管增压器产生较大的脉冲增压

    在单涡轮双涡管发动机排气系统中,将排气管道分为两组,如四缸发动机中将气缸1和4为一组,气缸2和3为一组,这样根据点火顺序,一个通道的循环间隔360°的曲轴转角,所以即使在叠加的情况下也能产生较大的脉冲增压,更好的利用废气动能。

当发动机负荷改变时,排气温度和压力的变化可以很快传递到涡轮机,并由涡轮直接反映到压气机,从而使增压器较快响应发动机负荷的变化,这样就能较好地改善发动机的加速特性和扭矩特性(较低的转速就能产生较高的扭矩)。

    ●单涡轮双涡管设计使发动机进排气效率更高

    上面提到将4缸发动机的气缸1和气缸4、气缸2和气缸3分别集成在一个通道内,为什么要将气缸1和气缸4集合一起,而不是气缸1和气缸2集合一起?其实这样做还有另外一个好处。

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    我们知道,四缸发动机的点火顺序为1-3-4-2,普通的涡轮增压器(单涡轮单涡管)的排气歧管是将所有气缸的排气管集合到一起,将废气汇集后再去推动涡轮的。

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    这样有什么不好呢?当单个气缸工作时,产生的废气的脉冲谐振会影响其他缸的排气效率。如某一气缸工作时,有一段时间内气缸的进气门与排气门都处于开启状态(气门重叠)。如果点火间隔相邻的两个气缸排气管相通,在气门重叠时,会导致废气流回前一气缸。前一气缸进气量减少,那么在下个循环的总功率就会下降。

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    而在单涡轮双涡管发动机排气系统中,将点火相邻两个气缸排气管道两两分开(1和4一组、2和3一组),这样当3缸完成做功进行排气时,1缸是进入进气行程,由于1缸和3缸的排气管不相连,因此3缸的排气不会影响1缸的进气效果(其他同理),这样点火相邻的两个缸的进排气不受干涉影响,能提高各个气缸的进排气量,从而有效提高发动机的效率。

    ●单涡轮双涡管增压发动机特性

    宝马N20发动机采用了单涡轮双涡管增压技术,在1250的低转速时就能达到350Nm的峰值扭矩(高功率版),并能一直持续到4800转,几乎涵盖了日常行车所要用到的转速范围。

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    总结:单涡轮双涡管增压系统中,将发动机排气管道按点火时刻相邻的气缸排气管道分成两组分别推动涡轮工作,具有更强的脉冲增压,而且排气更为充分。相对于普通的涡轮增压发动机,单涡轮双涡管发动机有效缓解低速时的迟滞性,使得发动机峰值扭矩的爆发更早,燃油经济性更佳。

责任编辑:张硕丰

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