帶你認識增壓發(fā)動機(3)：渦輪增壓器【圖】

東山南 2018-10-11

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1渦輪增壓器的結構和原理回頂部

　　[太平洋汽車網(wǎng) 導購頻道]在上篇中,，我們介紹了機械增壓這種古老的增壓形式。不過大家目前聽得最多的,，當然是渦輪增壓了,。渦輪增壓現(xiàn)在風頭正勁，歐美中級車已經(jīng)大規(guī)模使用并且向緊湊級車型延伸,。關于渦輪增壓器，還是有很多有意思的話題的,。

　　渦輪增壓器的來源

　　20世紀20年代,，船舶開始配備渦輪增壓柴油發(fā)動機。第二次時間大戰(zhàn)期間，美國戰(zhàn)機也大量使用渦輪增壓,，目的就是我們在第一篇提到的,，解決戰(zhàn)機在高空吸入空氣量不足的問題，其中有不少都是“名機”：例如B-17空中堡壘,、B - 24轟炸機,、P - 38閃電和P - 47雷電這兩款戰(zhàn)斗機。

B-17空中堡壘

　　廢氣的能量

　　發(fā)動機在燃燒后的混合氣體叫做廢氣,，不過這個廢氣其實其實還是蘊藏很大能量的,。正常發(fā)動全負荷工作時的排氣溫度大概在750-900攝氏度。排氣壓力視乎發(fā)動機的工作狀態(tài)而定,，但往往具有數(shù)倍的的大氣壓力值,。這些廢氣在排氣門打開的瞬間，流速可以達到500-700m/s,，這個動能是相當大的,，不利用可就浪費了。

　　渦輪增壓器原理很簡單工藝極復雜

　　由于廢氣具備的能量依然很大,，不用可就浪費了,。因此工程師想到了利用廢氣的動能，就好比水電站利用水的沖擊力一樣,，利用廢氣推動增壓器產(chǎn)生增壓效果,，因而得名廢氣渦輪增壓。

　　渦輪增壓器的核心部件就是渦輪和壓氣機葉輪,，這兩者是通過轉軸連接在一塊的,。渦輪增壓器的工作很簡單，高壓廢氣沖擊渦輪使其高速旋轉,，同時也就帶動了葉輪高速轉動,葉輪就能高速壓縮空氣了,。這個轉速非常高，現(xiàn)在車用渦輪增壓的轉速在12-20萬轉之間,。

　　渦輪的作用是將廢氣的動能轉化為轉軸的高速旋轉,，葉輪的作用是對空氣進行壓縮，因此兩者的形狀是完全不同的的,，氣流的運動方向也完全不一致,。由于渦輪承受的是發(fā)動機高溫高壓的廢氣，所以對材料的要求極高,。

　　渦輪增壓器的優(yōu)勢

　　渦輪增壓器的動力來源于高溫高壓廢氣,，因此不會額外消耗發(fā)動機自身功率，這和機械增壓器會消耗發(fā)動機7%功率的情況是完全不一樣的,。此外,，渦輪增壓器直接連接在排氣管上,，結構緊湊。

　　“壓力越大,，動力越大”這是渦輪增壓的真實寫照,。上篇我們提到過的機械增壓器增壓值一般在0.5bar以下（以后數(shù)據(jù)都以bar為單位），并且隨著轉速的提升消耗發(fā)動機的功率也越多,。但渦輪增壓完全沒有這樣的缺點,，反而會因為轉速的上升而更具威力。因為隨著發(fā)動機轉速的升高,，排氣壓力也會越來越大,，沖擊渦輪的力量也更大，整個轉子的轉速將會快速上升,，壓氣葉輪也能高速轉動起來,。

　　渦輪增壓則很容易超過1bar的增壓值，例如高爾夫R能達到1.3,。不少改裝車經(jīng)過缸體強化和電腦調(diào)教之后也能夠輕易實現(xiàn)1.5的高增壓值,，例如十代翼豹STI原廠增壓值0.9，調(diào)整發(fā)動機電腦后能夠輕易達到1.5,。不過我們一般購買的家用非性能車,，例如家用的高爾夫1.4T，君威2.0T,，增壓值都遠低于1,，一般在0.3-0.5之間，這樣可以平衡性能,、油耗和發(fā)動機的壽命,。從中看出，渦輪增壓比機械增壓的增壓值高得多,，相應而獲得的發(fā)動機功率提升也更大,。

2渦輪增壓器的認識誤區(qū)回頂部

　　高溫是渦輪增壓器最大的殺手

　　渦輪增壓器結構簡單、不消耗發(fā)動機自身的功率,、增壓值高,，這些因素導致渦輪增壓具備強大的優(yōu)勢。不過渦輪增壓的原理使其具備一個最大的隱患：高溫,。也正是這個隱患導致渦輪增壓遲遲沒有進入民用領域,。

　　熱量的來源有幾個方面。第一是廢氣溫度,、前面我們講過,，汽油發(fā)動機的排氣溫度在全負荷工作時能夠達到750-900度，在一般工作狀態(tài)下也有將近700度,。這些廢氣在推動渦輪旋轉的過程中自身會降溫,，這個溫度跑去哪呢?就是被渦輪葉片所吸收了,。

　　其次，連接渦輪和葉輪的轉軸以十多萬轉的轉速高速旋轉,，轉軸和軸承之間的摩擦就會產(chǎn)生大量的熱量。最后,，進氣葉輪不斷地吸入空氣,，壓縮空氣，自身的溫度也會升高,。這些因素加起來,，使整個渦輪增壓器處于絕對的“熱火”之中。

　　高溫導致的渦輪失效主要在于渦輪葉片變形燒蝕,、轉軸拉傷失效,。多年來工程師為了對付這個問題想出了各種方法，概括來說無非就是兩種：使用更耐熱的材料和采用更有效的降溫方法,。（這些我們將會在以后的文章介紹）

　　渦輪增壓真的有“遲滯”嗎

　　“渦輪遲滯”曾經(jīng)是最為用戶詬病的缺點,。所謂的遲滯是我們踩下油門踏板那一刻，到發(fā)動機輸出相應功率所需要的時間,。實際上所有的發(fā)動機都會存在這個遲滯,，只是多少而已。因為如果您仔細感覺的話,，都可以感覺出來,。我們在踩下油門踏板的瞬間，發(fā)動機需要吸入更多的空氣,、調(diào)整噴油量,，這些都需要時間。

　　因為早期的渦輪增壓發(fā)動機在“遲滯”方面表現(xiàn)突出,，因為被廣為認知,。那么渦輪的遲滯是從哪里來的呢?一是渦輪轉動的慣性、要將其加速需要時間,；二是轉軸和軸承之間的摩擦,；最后就是因為葉輪攪動空氣所形成的阻力了。在這三個因素里,，葉輪攪動空氣所產(chǎn)生的阻力是最為主要的,。正是因為整個渦輪轉子的轉速提升需要時間，葉輪越大,，增壓值越大,，所需要的加速時間就越長，形成的“遲滯”就越明顯,。

　　改善渦輪遲滯的方法有很多,，一方面可以借助直噴技術,，間接提升低速時的扭矩特性，從而使發(fā)動機轉速快速上升,，增加廢氣能量推動渦輪,，減少渦輪遲滯。另一方面,，可以通過減少增壓值,，減少整個渦輪轉子的尺寸和重量，一方面可以減少慣性和摩擦,，更為重要的是減少了葉輪阻力,。

　　早期的渦輪增壓發(fā)動機由于沒有直噴的幫助，加上為了追求性能而采用高增壓大渦輪,，遲滯現(xiàn)象相當明顯?，F(xiàn)在的渦輪增壓發(fā)動機普遍采用直噴技術，另外采用低增壓技術,，渦輪遲滯現(xiàn)象已經(jīng)得到很大改善,，在日常普通駕駛幾乎難以察覺，唯有在急加速時方能有所察覺,，但這種遲滯現(xiàn)象和自然吸氣發(fā)動機在加速時的動力提升緩慢又有多大區(qū)別呢?（除非你開大排量自然吸氣）目前的低增壓直噴渦輪發(fā)動機的“遲滯”現(xiàn)象根本不能和早期的高增壓發(fā)動機相比,，只不過由于遲滯的說法已經(jīng)存在多年，先入為主而已,。

相關視頻：直噴技術是如何幫助改善渦輪遲滯的

　　渦輪介入的說法準確嗎

　　我們經(jīng)常會在聽到“渦輪介入”的說法,，例如大眾1.8T發(fā)動機在1500轉的時候能夠達到最大扭矩250牛米，通常的說法是“渦輪在1500轉的時候介入”,。事實上這一說法并不準確,。其實只要渦輪達到一定轉速，葉輪產(chǎn)生的進氣壓力高于自然吸氣時的壓力,，就可以說渦輪介入工作了,，而1500轉則是達到了最大的增壓壓力狀態(tài)，我們可以稱為渦輪全開,。因此,，渦輪介入工作的時間遠遠比我們看到的最大扭矩出現(xiàn)的時間要早，但具體在什么轉速開始介入則要視乎不同的發(fā)動機而定,。