技术解析自然吸气机械增压涡轮增压,内燃式

名词解释

NA_normallyaspirated，释义为自然吸气。指内燃式发动机不借助任何增压器（空气压缩机）的作用下，依靠大气压和发动机运行中产生的负压力，将空气送入燃烧室的进气方式。进气压力最低所以燃烧产生的热能也最低，这里所谓的热能可理解为等量燃油燃烧后转化成为的。

MS_mechanicalsupercharing，释义为机械增压。指内燃机的曲轴通过皮带连接一组“空气压缩机”，利用曲轴旋转产生的转矩通过皮带带动机械增压器转动。增压器中的叶轮高速旋转可以将空气从大体积压缩成小体积，以提高单位体积内空气氧含量的方式，实现比较低程度的富氧燃烧增大燃烧产生的热能。

Turbocharger_释义为废气涡轮增压器，其运行原理比较特殊，是利用内燃机运行时必然会产生的高压高温排气，“吹动”增压器的涡轮高速转动；涡轮与进气系统中的叶轮刚性结合，叶轮以高转速运转同样能够实现对空气的压缩。废气涡轮增压器是以“废物利用”的方式实现增压，是唯一不增压发动机功耗的增压技术。

发动机为什么需要增压？

内燃式发动机是一种热机，指利用燃油爆燃产生的热能转化为机械能的发动机。所谓的燃烧实际是一种高温环境中的化学反应，反应过程中分子无规则的剧烈运动是动能的基础，通俗的解释可理解为运动推动了发动机活塞运转，活塞带动连杆曲轴输出转矩（扭矩/动力）。那么分子运动的强度高低则决定了发动机输出扭矩的大小，而在不增加喷油量的前提下只有增加氧含量才能提升运动强度，也就是所谓的富氧燃烧。

常压空气中的氧浓度约为20.9%，自然吸气发动机依靠常压空气的20.9%的氧气为燃油助燃，其分子运动的强度自然很低。而机械增压发动机利用曲轴带动增压器运转，实现小程度的空气压缩，其结果是提升了进入燃烧室的空气氧浓度提升；超过常压氧浓度比例的空气就像是燃油的“肾上腺素”，参与燃烧时总能促进分子运动的强度实现超过自吸发动机的扭矩，但是代号的机械增压器必然要被淘汰。

原因1：增压效果差且浪费燃油。增压器的动力来自发动机曲轴，其运转则必然要损耗发动机的输出功率，也就是降低动力表现；而能够体现出动力提升的本质无非是一道减法数学题，指（增压提升扭矩－增压器运动损耗扭矩＞0），增压带来的压力提升能够仍可以提升扭矩降低油耗。然而S增压是在怠速时也要运行的（因为皮带刚性连接），内燃机的怠速是以最低的喷油量燃烧产生动力，维持发动机不熄火而快速启动驾驶；机械增压需要怠速时也以更大的喷油量输出高功率，所以这种技术必然会大大提升油耗。

原因2：普通代步车的发动机转速很低，平均只在~转之间。发动机的转速也就是曲轴的转速，曲轴的转速如此之低那么机械增压器的转速又能高哪去？即使经过转速放大后机械增压器的转速也很低，所以能实现的增压压力必然很小，压力小则提升的扭矩程度也不会高。普通的3.0L自然吸气发动机平均最大扭矩为N·m，3.0S的机械增压发动机充其量能达到N·m+，但是涡轮增压发动机却能高达~N·m，这就是增压器转速对扭矩的影响。

重点：Turbo废气涡轮增压不会增加发动机的耗油量，因为怠速时的排气压力很小，小到不足以驱动涡轮运转，所以怠速时油耗会比较低。同时利用发动机的排气增压本就是“废气利用”，这不会产生多余的功耗。增压器的介入转速基本在转左右，也就是起步瞬间即可介入工作，其积极性并不比机械增压器差，但是在发动机高转速的高排气压力时能够实现数倍于机械增压器的涡轮转速，也就是高压压缩能力的倍数级增长，这就是涡轮增压的核心优势，也是机械增压已经被淘汰的原因。

扭矩与马力和油耗的关系

（转速×扭矩÷）×1.36＝马力参考马力计算公式，内燃机的转速基本相当，常数倍率固定不变，那么扭矩越大则输出马力越大。而马力的驱动力也是恒定不变的，一台车即使有PS的马力，其正常代步也只需要一半甚至更低；因为代步驾驶多为低车速，此时多为低转速驾驶，在这一范围内饰Turbo涡轮增压机体现良好驾驶感受与低油耗的主要范围。

以2.0L发动机为例，其最大扭矩即使达到了N·m，但是普遍要到0转左右才能发力。在正常代步的0~0转之间只能输出~N·m左右，也就是指输出马力在37~64PS之间，动力体验会相当差，想要理想的加速感则需要将转速提升到0~0转频繁加速，而内燃机的转速越高喷油量越大，也就是指油耗越高。

而某2.0T发动机，其最大扭矩高达N·m，并且通过增压器达到最高转速的运行状态，可以在发动机0~0转之间维持N·m的持续稳定输出。那么这台发动机在0转时即可输出99.7PS的马力，性能相当于2.0L发动机3~转之间的输出动力。2.0T发动机可以在发动机排量相同的前提下，以低接近0转的发动机转速运行，单次喷油量会大大减小、一分钟内能够减少接近0次的喷油，油耗是不是会低很多呢？

总结：涡轮增压技术是内燃机唯一实现不增加喷油量并提升扭矩，或者以相同驾驶风格实现低油耗的技术。在TURBO技术普及之后，理论上自然吸气发动机均应该被淘汰，但是因涡轮增压器的制造成本比较高所以好有些低成本的自吸发动机仍在低端车上使用，当然这里的低端车并不是指价格，某些中大排量的自然吸气发动机的中端价格车实际是品质的低端，只是对比的也得是是中端TURBO竞品。

至于机械增压机器会被完全淘汰，因为F1方程式赛车上的电控增压器与废气涡轮增压增压器的组合已经开始普及了，其电驱增压的功耗远低于机械增压器，与废气增压在转速的一低一高范围内可有效实现补偿。其次还有低惯量废气增压器在低转速运行，配合高效废气增压器的双涡轮发动机，这种技术多用在高端柴油机和豪华等级汽车的汽油机上，机械增压只剩下一些“非主流”车企还在使用了，这是内燃机技术升级的三个阶段。

编辑：天和Auto-汽车科学岛

责编：天和MCN

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