涡轮增压发动机的优势和劣势,涡轮增压发动机好吗?

第1/2两节为技术解析，第3节为三类涡轮增压技术（涵盖电子涡轮）优缺点解析，建议学习了解技术特点后再阅读第三节。

技术解析：「涡轮增压」技术是内燃式热机的里程碑式的技术！燃油动力汽车装备的是所谓的“内燃式热机”，其功能是通过燃烧燃油产生热能，通过活塞连杆曲轴等机械结构，将热能转化为机械能的发动机。这种机器的能量转化率是非常低的，因为在运行过程中会因冷却循环系统、进排气影响以及自身复杂的机械结构运动而消耗很多能量，真正能转化为动能的热能占比极低。（参考下图）

知识点1：内燃机的「热效率」平均在35%左右，也就是说燃烧一升燃油有“350毫升”（概念）能转化为动力。由此可见此类发动机的能耗会有多高，那么想要提升车辆的性能则会有更高的油耗，因为只有燃烧更多的燃油才能产生更多的热能——除非能在不增加耗油量的前提下，提升燃油反应（燃烧）时的运动强度，这种概念能够实现吗？

知识点2：燃油燃烧的本质是「氧化还原反应」（化学反应），指燃油在被点燃的瞬间与空气中的氧气反应开始运动。分子的运动是无规则的强烈运动，内燃式发动机活塞的上下往复运转依靠的正是分子的“推动力”；产生高温则是分子运动摩擦的结果，那么只要让运动的强度得以提升，消耗等量的燃油似乎就能产生更强的“推动力”——实现的方式正是增压。

增压技术概念

「涡轮增压器」的本质为空气压缩机，在进气管路中会有一组能够高速旋转的涡轮，空气在涡轮的高速运转中会被压缩体积。常温常压下的空气中含有约20.95%的氧气，普通的「NA自然吸气」初级发动机吸入的正是常压空气；氧气是燃油化学反应的催化气体，理论上氧浓度越高则分子运动的强度越大，常压空气助燃的效果只能是“平常水平”，但是压缩空气后就完全不同了。（下图为富氧燃烧的火焰状态）

「富氧」的概念指固定体积的空气中氧浓度更高（氧气更多），内燃机实现富氧的方式则为增压“压缩”。假设1m³（立方米）的空气中有“2095个氧分子”，通过增压器把1.5m³的空气压缩成1.0m³的体积（大小）——压缩的只是空气中各种分子之间的间隙，分子数量并没有减少；那么在体积层面「1.5＝1.0」后，压缩空气的氧分子数量就会变成：（2095÷2）＋2095＝3142.5个。

知识点：更多的氧分子在相同的时间内为燃油助燃，燃烧时分子就像吸入了“运动饮料”变成更强，运动产生的推动力（扭矩）就会更大。决定汽车性能强弱的核心参数为马力，而马力的计算公式为【（扭矩×转速÷9549）×1.36＝马力（PS）】，从公式中可以看出扭矩才是提升性能且不升高油耗的核心，因内燃机的转速越高喷油量越大，能通过提升扭矩也不改变转速的方式提升马力则是最理想的结果——这与增压器的类型有什么关系呢？

增压器类型机械增压废气增压电机增压

在不同阶段中，内燃机尝试过各种类型的增压器。技术门槛最低的是「S_机械增压」，其增压器是由发动机曲轴通过皮带连接而带动运转；这种结构的优势为增压器全时介入压缩空气，缺点为内燃机的转速太低（平均转速极限为6500rpm），增压器涡轮即使通过结构放大也无法实现很高的转速，结果造成了压缩空气的强度不够理想。以2.0升的机械增压发动机为参考，峰值扭矩不过只有“300/350N·m”的低标准。

「T_废气涡轮增压」是现阶段主流的类型，其驱动涡轮运转的动力不再是发动机曲轴，而是内燃式发动机正常运行时必然产生的高压排气。利用排气的“高压推动力”可以轻松的让涡轮达到数万转，与涡轮刚性连接的叶轮自然会有更强的空气压缩能力，也就是空气中的氧浓度程度更高，燃烧等量燃油产生的扭矩会更大。同样以2.0升涡轮增压机为例，优秀量产机型的峰值扭矩可达到“400N·m”的高标准。

关键点：电子涡轮增压器是否可用？这种技术在赛车上还真的有使用，不过仅仅是作为「废气涡轮增压器」的辅助增压。其功能是在起步加速的极低转速区间运转，在废气涡轮没有达到高转速之前“辅助压缩”。这一模式对于追求极限性能的汽车而言是有些价值的，然而单纯依靠电子涡轮就会很差了；因为这些电机的转速比机械增压器还要低，甚至某些改装「电子涡轮」的转速还不如“CPU散热风扇”。

电子涡轮在起步的低转速区间还有些增压作用，但在高转速范围内因转速过低无法有效，且快速的压缩大量进入内燃机的空气。结果会造成进气不畅导致空燃比失调（氧气不足），扭矩反而会下降。所以电子涡轮是不建议使用的，改装增压器的最低标准也应该是「机械增压」，懂了吧。

编辑：天和Auto-汽车科学岛

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知识点1：内燃机的「热效率」平均在35%左右，也就是说燃烧一升燃油有“350毫升”（概念）能转化为动力。由此可见此类发动机的能耗会有多高，那么想要提升车辆的性能则会有更高的油耗，因为只有燃烧更多的燃油才能产生更多的热能——除非能在不增加耗油量的前提下，提升燃油反应（燃烧）时的运动强度，这种概念能够实现吗？

知识点2：燃油燃烧的本质是「氧化还原反应」（化学反应），指燃油在被点燃的瞬间与空气中的氧气反应开始运动。分子的运动是无规则的强烈运动，内燃式发动机活塞的上下往复运转依靠的正是分子的“推动力”；产生高温则是分子运动摩擦的结果，那么只要让运动的强度得以提升，消耗等量的燃油似乎就能产生更强的“推动力”——实现的方式正是增压。

增压技术概念

「涡轮增压器」的本质为空气压缩机，在进气管路中会有一组能够高速旋转的涡轮，空气在涡轮的高速运转中会被压缩体积。常温常压下的空气中含有约20.95%的氧气，普通的「NA自然吸气」初级发动机吸入的正是常压空气；氧气是燃油化学反应的催化气体，理论上氧浓度越高则分子运动的强度越大，常压空气助燃的效果只能是“平常水平”，但是压缩空气后就完全不同了。（下图为富氧燃烧的火焰状态）

「富氧」的概念指固定体积的空气中氧浓度更高（氧气更多），内燃机实现富氧的方式则为增压“压缩”。假设1m³（立方米）的空气中有“2095个氧分子”，通过增压器把1.5m³的空气压缩成1.0m³的体积（大小）——压缩的只是空气中各种分子之间的间隙，分子数量并没有减少；那么在体积层面「1.5＝1.0」后，压缩空气的氧分子数量就会变成：（2095÷2）＋2095＝3142.5个。

知识点：更多的氧分子在相同的时间内为燃油助燃，燃烧时分子就像吸入了“运动饮料”变成更强，运动产生的推动力（扭矩）就会更大。决定汽车性能强弱的核心参数为马力，而马力的计算公式为【（扭矩×转速÷9549）×1.36＝马力（PS）】，从公式中可以看出扭矩才是提升性能且不升高油耗的核心，因内燃机的转速越高喷油量越大，能通过提升扭矩也不改变转速的方式提升马力则是最理想的结果——这与增压器的类型有什么关系呢？

增压器类型机械增压废气增压电机增压

在不同阶段中，内燃机尝试过各种类型的增压器。技术门槛最低的是「S_机械增压」，其增压器是由发动机曲轴通过皮带连接而带动运转；这种结构的优势为增压器全时介入压缩空气，缺点为内燃机的转速太低（平均转速极限为6500rpm），增压器涡轮即使通过结构放大也无法实现很高的转速，结果造成了压缩空气的强度不够理想。以2.0升的机械增压发动机为参考，峰值扭矩不过只有“300/350N·m”的低标准。

「T_废气涡轮增压」是现阶段主流的类型，其驱动涡轮运转的动力不再是发动机曲轴，而是内燃式发动机正常运行时必然产生的高压排气。利用排气的“高压推动力”可以轻松的让涡轮达到数万转，与涡轮刚性连接的叶轮自然会有更强的空气压缩能力，也就是空气中的氧浓度程度更高，燃烧等量燃油产生的扭矩会更大。同样以2.0升涡轮增压机为例，优秀量产机型的峰值扭矩可达到“400N·m”的高标准。

关键点：电子涡轮增压器是否可用？这种技术在赛车上还真的有使用，不过仅仅是作为「废气涡轮增压器」的辅助增压。其功能是在起步加速的极低转速区间运转，在废气涡轮没有达到高转速之前“辅助压缩”。这一模式对于追求极限性能的汽车而言是有些价值的，然而单纯依靠电子涡轮就会很差了；因为这些电机的转速比机械增压器还要低，甚至某些改装「电子涡轮」的转速还不如“CPU散热风扇”。

电子涡轮在起步的低转速区间还有些增压作用，但在高转速范围内因转速过低无法有效，且快速的压缩大量进入内燃机的空气。结果会造成进气不畅导致空燃比失调（氧气不足），扭矩反而会下降。所以电子涡轮是不建议使用的，改装增压器的最低标准也应该是「机械增压」，懂了吧。

编辑：天和Auto-汽车科学岛

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