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聊聊汽车发动机双涡轮增压的那些事

2020-09-30 08:03    艾森ECU升级(北京运营中心)

涡轮增压发动机指的是配备涡轮增压器的发动机。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。
使用涡轮增压发动机的汽车给人的感觉是比自然吸气的发动机车强劲很多。使用涡轮增压器的发动机,其输出的最大功率可增加大约40%,甚至更多。另外,发动机在采用了增压技术后,能提高燃油经济性和降低尾气排放。这是涡轮增压发动机优缺点中最主要的优点。大家也许对单涡轮增压接触的比较多,但双增压确实不是很多见,今天我们就一块聊聊双涡轮增压。


 

通过发动机的布局形式,我们可以很清楚地了解到,v型发动机排气走两边、L型发动机排气走同侧;简单点说v型机有两组排气歧管,L型机只走一组排气歧管即可;通过上图我们就可以看出,这是一款v6的机器,两边各三缸、每三缸共用一组排气歧管,每组排气歧管推动一颗涡轮增压器,所以两组排气歧管、分别推动两颗涡轮增压器,可以说这种并联式双涡轮方案,两颗涡轮之间互不影响、因为两组排气歧管之间处于相互独立的状态,所以这就是并联双涡轮增压!常见的机器为日产GTR上所采用的3.8T双涡轮增压、以及保时捷2.9T双涡轮增压!但凡V型机双涡轮,几乎都是并联!

这就是v型机布置涡轮、与L型机布置涡轮的不同之处,分别用两组排气歧管排气,布置两颗涡轮更容易,如布置一颗涡轮反而更麻烦!总不能把两组排气歧管再汇聚到一处、去推动一颗涡轮吧?所以一般情况下,v6、v8等等发动机,要么就布局机械增压、直接让发动机曲轴带动机械增压器,再顺理成章的把机械增压系统塞入v6、v8得v型夹角中,v型夹角的一大妙用就是更容易容纳机械增压器!而布局涡轮增压的v6、v8,则都会采用双涡轮增压!

双涡轮串联增压方案

这个就容易去理解了,一般也就是由高级增压器、低级增压器所组成的二级增压系统,请注意一点高级增压器是小涡轮、低级增压器则是大涡轮,两颗涡轮被一组排气歧管推动,所以也叫串联双涡轮增压;一般这就是直列发动机所广泛采用的双涡轮布局方案,因为直列发动机排气在一侧、一般由一组排气歧管来解决排气足矣(直列机器到六缸、几乎已经是发展到尽头了),所以它只有一组排气歧管、想分别推动两颗涡轮是不可能的;所以就由这一组排气歧管,统一推动一大、一小两颗涡轮,一般这类系统都是一大一小两颗涡轮!

双涡轮并联系统的特点

双涡轮并联增压,两组排气歧管分别带动一颗涡轮(两颗涡轮完全一致、同大小),相互之间存在任何干扰、也没有任何叠加效果;试想一下,一部v6双增压发动机,每组排气歧管的推动效果实际上就是半个发动机,所以虽然有两颗一样的涡轮,但每个涡轮、由半个发动机去推动,所以其实和两组排气歧管、共同推动一颗涡轮是一样的效果,所以这就是并联增压双涡轮的特性,虽然有两颗涡轮、但每颗涡轮都是由一组排气歧管推动(等于是半个发动机去推动),所以两颗涡轮不能叠加;涡轮增压固有的毛病如迟滞、喘振、这种双涡轮布局形式一样不少!

双涡轮串联增压系统特性

迟滞问题、一直困扰着涡轮增压发动机,回看几十年前,涡轮增压发动机只存在于赛车竞技领域,清一色大惯量涡轮,特点就是对功率提升明显,但对废气量需求较大、所以在低转速区间,迟滞严重、扭矩孱弱,所以它只能存在于竞技领域(赛道拉高转速、保持高转,就能规避掉迟滞问题,丢一次转速、弄不好也就输掉了比赛),所以这类早期的大惯量涡轮、凭借迟滞严重、低扭孱弱的特性,很难进入民用车领域!


早期赛道上使用单颗大惯量涡轮

后来工程师灵机一动,既然民用车不需要那么高的极限功率(高转速下迸发),那么也就没必要配备那么大惯量的涡轮,从此进入到了小惯量涡轮时代;对功率提升不大,但因为惯量小,所以对废气量依赖较小、有点废气它就转得动,就可以产生明显增压效果,所以民用车开始广泛采用小惯量涡轮,从而很好地弥补了迟滞问题、用时也改善了低转速下扭矩不足的问题;这对于普通的买菜车而言、当然是极好的,但对那些既要低转速下扭矩足、又要高转速下功率高的豪华运动轿车而言,一颗小惯量涡轮、显然不够用!

既然小惯量涡轮、只能覆盖中低转速区间,而大惯量涡轮、更倾向于高转速区间;那么只要将大惯量、小惯量涡轮一组合,串联成二级增压系统,那么就可以同时覆盖高、中、低,三个转速区间了;中低转速下扭矩足、高转速下功率大,所以这样的发动机就很完美了!原理很简单,发动机废气排出后,首先经过高级增压器(小惯量涡轮),可以保证非常充足的扭矩;随着转速不断攀升,排气量越来越大、大到达到高级增压器的最大值时,高级增压器旁通阀开启,更多的废气在继续推动低级增压器运转(大惯量涡轮),此时就是一组排气歧管同时带动两颗涡轮工作,所以二者可以相互进行叠加,宝马的3.0L双涡轮增压发动机,就是采用这种布局形式!
 

总而言之双涡轮增压布局形式很多,其实还有个双涡轮分动增压,只不过这种布局方式在民用车范围内非常少见,也只有那些大型、多缸发动机会采用这种方式;而常见的就是直列机型采用的双涡轮串联,以及v6等机型上采用的双涡轮并联,具体采用哪种形式、还是与机型以及设计预期有紧密的关系;谈不上哪种形式更好,只能说各有千秋罢了;v6的排气形式让它串联双涡轮也不现实,同理直列机器想并联也比较困难;而未来更多形式的增氧系统也会出现,比如涡轮与机械增压组成串联,比如电动辅助增压等等,形式非常之多!

 

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