渦輪增壓提高了熱效率(W/Q)嗎?是提高了動力性還是燃油經濟性? | 知乎問答精選

 

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渦輪增壓提高了熱效率(W/Q)嗎?是提高了動力性還是燃油經濟性?

2018年01月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 8 ℃ 次

【知乎用戶的回答(70票)】:

首先說明,認為渦輪增壓可以通過提供更多的空氣「使燃油燃燒時能有更多的氧氣,燃燒就更充分」或「提高燃燒效率」的說法是完全不成立的。汽油發動機都是工作在空然比接近於1的情況下,過稀的混和氣會使得排氣溫度升高或者根本無法點燃。渦輪增壓發動機在高速高負荷工況下甚至要提供過濃混和氣(lambda 0.75-0.8)以降低排氣溫度 ,保護排氣系統。現代發動機,無論增壓與否,燃燒效率已經很高了(95%以上),沒有必要也不可能提升。不斷糾結於燃燒效率(combustion efficiency,Qc/Qlhv)的人請自行wiki。至於本問題下的其他答案,負責任的說,答題人都無法使用和解釋發動機領域的專有名詞,基本上處於入門車迷的水平。

現在回答問題:汽油發動機其空燃比通常是一定的,所以多進空氣就一定多噴油。至於單位燃油產生的功率是不是大了——單位燃油產生的熱量可以看作不變,但是熱量轉化為發動機的輸出功,是隨著發動機轉速、負荷的不同變化的。燃油燃燒發出的熱量,除了轉化為發動機的輸出功外,還要1、克服泵氣損失;2、克服摩擦損失;3、克服散熱損失;4、驅動發動機附件。這些損失通常都是與轉速和負荷直接相關的。所以不能籠統地說單位燃油產生的通過曲軸傳輸出來的功率在增壓前後是怎麼變化的。

PS:

渦輪增壓有可能提高發動機熱效率( thermaldynamic efficiency,W/Q),以節省燃油。以下假設可以說明部分問題:

一台1L自然吸氣發動機假設額定輸出功率50kW,摩擦功假設40kW,散熱等損失40kW,無附件損失。那麼這台發動機的熱效率是50/(50+40+40)=38.46%

渦輪增壓後,進氣歧管壓力提高一倍(2bar,絕對壓力),額定輸出功率達到80kW,增加60%,假設燃燒效率(combustion efficiency)與自然吸氣相同,因摩擦功損失是轉速的強函數,是負荷的弱函數,那麼摩擦功上升不會高於60%(假設60kW),散熱損失上升也不會高於60%(同樣假設60kW),那麼這台發動機的額定點的熱效率是提升的,為80/(80+60+60)=40%,提升了1.54%。

(這位客官說了:什麼?忙活這半天就提高了1.54%?搞笑呢?

確實沒。雖然我們這個假設保守了一些,但是內燃機從誕生以來效率無不是通過這一點一滴才發展到現在的35%左右的。也就是說咱辛辛苦苦加一升油快八塊了都,結果只有大概兩塊五是花在咱身上的。)

但是事情不是絕對的,在高速高負荷工況,為限制排氣溫度,通常需要提供過濃混和氣,通過蒸發燃油(這一部分燃油不參與燃燒)達到降低排氣溫度的作用,因此全速全負荷的油耗較高。

在一些部分負荷下(歧管壓力小於1bar),由於渦輪在排氣系統中的產生阻力,造成排氣背壓提高,泵氣損失增加,不見得比自然吸氣發動機比油耗低。

在開發評價體系中,通常用發動機經常運行的幾個工況點來評價發動機的燃油經濟性,如(2000rpm,BMEP=2bar)等。

發動機的燃油經濟性和整車的燃油經濟性不是一回事。發動機的燃油經濟性指的是比油耗,g/kWh;整車油耗通常是百公里油耗,L/100km。整車的油耗是通過結合發動機和傳動系統整車匹配來實現的。裝了比油耗低的發動機的車不一定省油,裝了不省油的發動機的車不一定費油。

目前主流發動機和整車都在走低速化小型化的道路,主要就是為了降低摩擦損失,提升整車燃油經濟性。

小型化,和低速化,增壓是一個主要實現方式。

整車的燃油經濟性還是要靠發動機與傳動系統匹配完成的。通常自然吸氣發動機高效率區域出現在高負荷中高轉速,一般城市甚至高速工況都無法在此區域內工作;而增壓發動機的萬有特性高效率區域可以出現在比自然吸氣發動機低負荷低轉速的區域,通過合理的傳動系統匹配,可以讓整車工作在這一區域或者盡可能靠近,從而達到節省燃油的目的。這才是增壓小型化低速化的關鍵。

【MaxHuang的回答(6票)】:

渦輪增壓簡單說來增強了汽車進氣系統的效率,使燃油燃燒時能有更多的氧氣,燃燒就更充分,動力就更強。為了達到最好的混合比,每次噴油會有增加,所以渦輪增壓車型不省油,好處主要在於用小排量產生大功率。

【於群的回答(0票)】:

內燃機所能發出的最大功率主要是由氣缸內燃料有效燃燒所放出的熱量決定的,而這受到每循環吸入氣缸內實際空氣量的限制。如果空氣在進入氣缸前得到壓縮,發動機的進氣密度增大,則在同樣氣缸工作容積下,可以有更多新鮮空氣進入氣缸,因而可以增加循環供油量,獲得更大發動機輸出功率。

發動機採用渦輪增壓後,因為有一部分排氣能量被利用,使進氣得到壓縮,換氣過程形成正的泵氣功,所以增壓後發動機的指示熱效率略有增加,機械效率也隨增壓度提高而提高。

增壓後發動機進氣密度增加,若採用增壓中冷,則進氣溫度降低,氮氧化物排放降低。

同時有掃氣作用,殘餘廢氣係數降低,並減少對進氣加熱作用,使充量係數提高,一氧化碳、碳氫化合物以及碳煙排放降低。

由於燃油消耗率與指示熱效率和機械效率的乘積成反比,發動機增壓後的燃油消耗率有所降低,經濟性有所改善。

不過,發動機增壓得目的主要不在於提高經濟性,而在於提高它的動力性,並降低排放。

【jinseng的回答(3票)】:

渦輪增壓本質上並不能提高熱效率,只能提高進氣效率。進氣效率提高並不等於吸進更多的氧氣,也不能使燃燒更充分。在理論空燃比一定的條件下,進多少氣,噴多少油,或者說為了噴更多的油,就必須進更多的氣。

那麼渦輪增壓究竟省不省油呢?理論上講,在輸出功率相同的情況下,渦輪增壓並不省油。

那麼為什麼從現實來看渦輪增壓確實省油呢?因為目前流行的渦輪增壓引擎基本上都採用了直噴技術,直噴利用高壓縮比和精確控制燃油噴射兩大法寶實現了省油的目的。也就是說,渦輪+直噴才是省油的關鍵。沒有直噴,渦輪除了提高昇功率之外屁也不是。

從實際的例子來看,福特蒙迪歐1.6t比第8代雅閣2.4,6代凱美瑞和上代天籟都省油。

但是,可但是,跟9代雅閣,7代凱美瑞和新一代天籟比起來,福特蒙迪歐1.6t在油耗上已經落後了。不信的,自己上EPA網站上對比一下。

而7代凱美瑞和新一代天籟仍然是岐管噴射引擎。換句話說,跟新一代自然吸氣引擎相比,渦輪+直噴在油耗上已經沒有優勢了。當然,TSI+DSG的「黃金組合」也不比新一代自然吸氣引擎遜色就是了。

而且直噴有個最大問題是低負荷條件下,顆粒物的排放遠遠不如岐管噴射引擎,到2017年,現有絕大多數直噴引擎在歐洲的排放都不達標。

為了解決這個問題,大眾在其最新的EA888直噴引擎上採用了岐管噴射和缸內直噴兩種噴射技術。低負荷下用岐管噴射,高負荷下用直噴。看起來,有沒有種「脫褲子放屁」的味道。

總而言之,渦輪增壓技術絕不是什麼高大上,即便奔馳寶馬也上了渦輪,也改變不了渦輪增壓是「暴發戶」(壓搾升功率)的本質。

也許有人認為,歐洲普遍採用渦輪增壓技術是由於排量稅的原因,排放的原因,極端的還有說是自然吸氣引擎方面技術上不如日系車廠的(莫非忘了當年寶馬才是自然吸氣引擎的大拿,福特的新型小排量引擎更是自然吸氣引擎方面的翹楚)。

那麼歐洲人喜歡用渦輪增壓的真實原因是什麼呢?因為渦輪增壓就是源自於柴油機技術,歐洲廠家往這方面轉型簡直就是一點兒難度也沒有。就連豐田跟寶馬合作的目的也是為了擴大歐洲汽車市場的份額,而用自己最拿手的混動技術交換寶馬在小排量柴油機方面的技術。

【Joseph的回答(0票)】:

如果以燃燒室的容積效率來說,渦輪有效的提高了單位平方內的充氣效率來達到強迫性的進氣,當然隨之引發的肯定是更大的供油,在燃燒室容積未改變的情況下,單位質量燃油所產生的燃燒效益會更強,但不代表發動機的輸出功率會因此而改變!發動機的功率已由缸徑與曲軸行程作為它的功率輸出前置條件,所以,強制性的快速進氣與供油只是改變它的燃燒效率!

這當中牽涉到兩個重要的變數條件,

一個是燃油供油壓力(Bar值)的設定是否合理,它決定了燃燒室是否在合理的工作溫度內進行進-壓-爆-排,噴油嘴的供油壓力過低或瞬間給油量不足,都會導致燃燒效率降低而適得其反。

二是進氣溫度的管控,在高溫的發動機室內,要將外部高含氧的空氣有效送進燃燒室,而不會在輸入過程中導致進氣溫度變化,這都決定了燃燒效率,而這些看似不那麼重要的事,卻都有能力決定了渦輪發動機的燃燒效率!

所以,一個正常設置下的渦輪發動機,合理來說它會同時兼具了提升動力與燃油經濟性的。

【黃煒的回答(0票)】:

簡單的說內燃機的循環主要是三種:薩巴德、迪塞爾、奧托,都需要有壓縮空氣進入燃燒室,渦輪增壓提高了進氣壓力,但並未提高進氣量。事實上,為了降低燃燒溫度,減少NOx排放,很多內燃機採用EGR技術,把部分煙氣通入燃燒室,降低其含氧量。

標籤:-汽車 -機械 -汽車行業 -動力 -熱力學 -能量學 -發動機 -動力學 -內燃機 -熱機


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