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渦輪增壓起什么作用？工作原理是？

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-08-07

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使用渦輪增壓發(fā)動機的車型現(xiàn)在越來越多，到底什么是渦輪增壓發(fā)動機，它的基本結(jié)構(gòu)和工作理又如何呢?現(xiàn)在坊間越來越多車迷朋友知道渦輪增壓可以提升動力，但卻不知道它是如何完成，如果要改裝又應(yīng)如何改動?一切的一切，我們都需要從渦輪增壓系統(tǒng)的基本原理談起?！∮绊懓l(fā)動機動力輸出的原因有很多，但其中最重要的，莫過于如何把更多的空氣塞進汽缸，提高容積效率(更多的空氣將帶來更大的動力)。排量為3000cc 的引擎所能夠產(chǎn)生的馬力與扭矩，在理論上必然會比相同設(shè)計的2000cc 引擎來得大。那么如何把2.0L 汽缸內(nèi)的容積效率提升到接近甚至超過3.0L 呢?　　NA動力提升方法一般的NA(自然進氣)發(fā)動機的做法，逃不開加大節(jié)氣門口徑，或換多喉直噴等，使高轉(zhuǎn)速時可以在同油門深度下，獲得更多的空氣量。但這種方法在某一轉(zhuǎn)數(shù)后，作用就有限了。畢竟NA 發(fā)動機的空氣是靠真空吸入的。在汽缸容積固定不變的情況下，真空吸入空氣有一個相對的限度?！　∮械腘A 發(fā)動機改用高角度凸輪軸(Hi Cam，借此增加進排氣門重疊角度)，可以在高轉(zhuǎn)速下獲得高動力，但缺點是低轉(zhuǎn)的扭矩較差，而且如果角度過大，會有發(fā)動機怠速不穩(wěn)的現(xiàn)象。所以現(xiàn)在不少的新車都用上可變氣門正時技術(shù)，再配合可變凸輪軸等技術(shù)(如VVTL-i、i-VTEC、MIVEC)……以期在低轉(zhuǎn)扭矩和高轉(zhuǎn)馬力之間取得很好的平衡?！　〉幢闶怯帽M以上方法，發(fā)動機的進氣效率頂多提高60%。NA 發(fā)動機始終無法避免其宿命——空氣是被動地被吸入汽缸內(nèi)的。也就是說，引擎所需的空氣完全依靠活塞下行時產(chǎn)生的負壓而進入，即便汽缸吸滿了空氣，缸中氣壓也就小于或等于一個大氣壓。所以NA 發(fā)動機的升功率始終遠不如能將空氣與燃油強制送入的汽缸中，可輕松獲得一倍以上馬力的增壓發(fā)動機?！　u輪增壓系統(tǒng)原理解構(gòu)　　渦輪系統(tǒng)是增壓發(fā)動機中最常見的增壓系統(tǒng)之一?！　∪绻谙嗤膯挝粫r間里，能夠把更多的空氣及燃油的混合氣強制擠入汽缸(燃燒室)進行壓縮燃爆動作(小排氣量的引擎能“吸入”和大排氣量相同的空氣，提高容積效率)，便能在相同的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較自然進氣發(fā)動機更大的動力輸出。渦輪增壓利用廢氣驅(qū)動，基本沒有額外的能量損耗(對發(fā)動機沒有額外的負擔(dān))，便能輕易地創(chuàng)造出大馬力，是非常聰明的設(shè)計。情形就像你拿一臺電風(fēng)扇向汽缸內(nèi)吹，硬是把風(fēng)往里面灌，使里面的空氣量增多，以得到較大的馬力，只是這個扇子不是用電動馬達，而是用引擎排出的廢氣來驅(qū)動?！　∫话愣?，引擎在配合這樣的一個“強制進氣”的動作后，起碼都能提升30%-40% 的額外動力，如此驚人的效果就是渦輪增壓器令人愛不釋手的原因。況且，獲得完美的燃燒效率以及讓動力得以大幅提升，原本就是渦輪增壓系統(tǒng)所能提供給車輛最大的價值所在?！　≡撓到y(tǒng)包括渦輪增壓器、中冷器、進氣旁通閥、排氣旁通閥及配套的進排氣管道。　　渦輪增壓系統(tǒng)如何工作?　　我們希望用以下簡單的步驟讓你明白渦輪增壓的工作順序，從而便能清楚了解渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理?！　∫?，發(fā)動機排出的廢氣，推動渦輪排氣端的渦輪葉輪(Turbine Wheel)②，并使之旋轉(zhuǎn)。由此便能帶動與之相連的另一側(cè)的壓氣機葉輪(Turbine Wheel) ③也同時轉(zhuǎn)動?！　《?，壓氣機葉輪把空氣從進風(fēng)口強制吸進，并經(jīng)葉片的旋轉(zhuǎn)壓縮后，再進入管徑越來越小的壓縮通道作二次壓縮，這些經(jīng)壓縮的空氣被注入汽缸內(nèi)燃燒。　　三，有的發(fā)動機設(shè)有中冷器，以此降低被壓縮空氣的溫度、提高密度，防止發(fā)動機產(chǎn)生爆震。　　四，被壓縮(并被冷卻后)的空氣經(jīng)進氣管進入汽缸，參與燃燒做功?！　∥?，燃燒后的廢氣從排氣管排出，進入渦輪，再重復(fù)以上(一)的動作。　　渦輪增壓器渦輪增壓器本體是渦輪增壓系統(tǒng)中最重要的部件，也就是我們一般所說的“蝸?！被颉奥葑小?。因渦輪的外形與蝸牛背上的殼或海產(chǎn)攤內(nèi)的海螺十分近似而得名。　　渦輪增壓器本體是提高容積效率的核心部件，其基本結(jié)構(gòu)分為：進氣端、排氣端和中間的連接部分?！　∑渲羞M氣端包括壓氣機殼體(Compressor Housing，包括壓氣機進風(fēng)口(Compressor Inlet)、壓氣機出風(fēng)口(Compressor Discharge)、壓氣機葉輪(Compressor Wheel)?！　《艢舛税u輪殼體(Turbine Housing，其中包括渦輪進風(fēng)口(Turbine Inlet)、渦輪出風(fēng)口(TurbineDischarge)、渦輪葉輪(Turbine Wheel)?！　≡趦蓚€殼體間負責(zé)連接兩者的，還有一個軸承室(CenterHousing)，安裝有負責(zé)連接并承托起壓氣機葉輪、渦輪葉輪，應(yīng)付上萬轉(zhuǎn)速的渦輪軸(Shaft)，以及與之對應(yīng)的機油入口(Oil Inlet)、機油出口(OilOutlet)等(甚至包括水入口和出口)。　　“高溫”是渦輪增壓器運作時面臨的最大考驗。渦輪運轉(zhuǎn)時，首先接觸的便是由引擎排出的高溫廢氣(第一熱源)，其推動渦輪葉輪并帶動了另一側(cè)的壓氣機葉輪同步運轉(zhuǎn)。整個葉片輪軸的轉(zhuǎn)速動輒120000-160000rpm。所以渦輪軸高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的熱量非常驚人(第二熱源)，再加上空氣經(jīng)壓氣機葉輪壓縮后所提高的溫度(第三熱源)，這三者成為渦輪增壓器最最嚴峻的高溫負擔(dān)。渦輪增壓器成為一個集高溫原件于一體的獨立工作系統(tǒng)。所以“散熱”對于渦輪增壓器非常重要。渦輪本體內(nèi)部有專門的機油道(散熱及潤滑)，有不少更同時設(shè)計有機油道以及水道，通過油冷及水冷雙重散熱，降低增壓器溫度?！　u輪軸　　渦輪軸(Bearing)看起來只是簡單的一根金屬管，但實際上它是一個肩負120000-160000rpm 轉(zhuǎn)動及超高溫的精密零件。其精細的加工工差、精深的材料運用和處理正是所有渦輪廠最為核心的技術(shù)。傳統(tǒng)的渦輪軸使用波司軸承(Bushing Bearing)結(jié)構(gòu)。它確實只是一根金屬管，其完全倚仗高壓進入軸承室的機油實現(xiàn)承托散熱，因此才能高速地轉(zhuǎn)動?！　《陆霈F(xiàn)的滾珠軸承(Ball Bearing)逐漸成為渦輪軸發(fā)展的趨勢。顧名思義，滾珠軸承就是在渦輪軸上安裝滾珠，取代機油成為軸承。滾珠軸承有眾多好處：摩擦力更小，因此將有更好的渦輪響應(yīng)(可減少渦輪遲滯)，并對動力的極限榨取更有利;它對渦輪軸的轉(zhuǎn)動動態(tài)控制更穩(wěn)定(傳統(tǒng)的是靠機油做軸承，行程漂浮);對機油壓力和品質(zhì)的要求相對可以降低，間接提高了渦輪的使用壽命。但其缺點是耐用性不如傳統(tǒng)的波司軸承，大約7 萬-8 萬公里就到壽命極限，且不易維修、維修費昂貴。因此重視耐久性的渦輪制造廠( 如KKK) 就不會推出此型式渦輪?！　u輪葉輪　　渦輪葉輪的葉片型式，可分為“水車式” 葉片(外形是直片設(shè)計，讓廢氣沖撞而產(chǎn)生回旋力量，直接與回轉(zhuǎn)運動結(jié)合)，及“風(fēng)車式”葉片(外形為彎曲型葉片設(shè)計，除了利用沖撞的力量以外，還能有效利用氣流進入葉片與葉片之間，獲取廢氣膨脹能量)。渦輪葉輪的輪徑及葉片數(shù)會影響馬力線性，理論上來說，葉片數(shù)愈少，低速響應(yīng)較差，但高速時的爆發(fā)力與持續(xù)力卻不是多葉片可比擬的?！　u輪葉輪的葉片大多以耐高熱的鋼鐵制造(有的使用陶瓷技術(shù))，但由于鐵本身的質(zhì)量較大，于是又輕又強的鈦合金葉片因此產(chǎn)生。只是在量產(chǎn)車中，現(xiàn)在只有三菱LancerEVO Ⅸ RS 車型有搭載鈦合金葉片渦輪(EVO 的鈦合金渦輪型號為TD05-HRA，一般的則為TD05-HR 請讀者明鑒)。而改裝品中，也只有Garrett 出品的賽車專用渦輪使用鈦合金，除此以外暫沒聽說?！　簹鈾C葉輪　　葉片是渦輪的動力來源。但壓氣機葉輪及渦輪葉輪各有不同的功用，因此葉片外形當(dāng)然也不一樣。壓氣機葉輪基本上是把如何將空氣有效率地推擠入壓縮信道視為首要任務(wù)，然后再加以決定其形狀。　　一般原廠渦輪的壓氣機葉輪(Compressor Wheel) 都使用全葉片的設(shè)計，即葉片是整片從頂端到末端的設(shè)計。而為了增加吸入空氣的通路面積，提升高速回轉(zhuǎn)時的效率，目前已出現(xiàn)了許多在全葉片旁穿插安裝半塊葉片的葉輪(此種設(shè)計多出現(xiàn)在改裝品上)?！　《鴫簹鈾C葉輪設(shè)計的另一個目的是讓壓縮空氣的流速均等化。傳統(tǒng)的葉輪為“放射型壓縮輪”，其兩葉片之間的氣體流速變化很快：位于葉輪運轉(zhuǎn)方向前方的空氣，被葉片擠壓，故流速很快。但葉片后方的空氣則因為吸入阻力及回壓力等因素，流速較慢。當(dāng)節(jié)氣門半開時，壓氣機葉輪轉(zhuǎn)速下降，進入壓縮輪的空氣速度就會降低。而之前已被壓縮的空氣量如果此時相對過多，便會出現(xiàn)“真空”的狀態(tài)，無法輸送空氣(壓氣機葉輪轉(zhuǎn)速無法產(chǎn)生大于進氣管中氣壓的壓力)，相對壓力也就無法產(chǎn)生了(壓力回饋)，這也就是所謂的“氣體剝離” (Compressor Surge) 現(xiàn)象?！　∷^的Surge 效應(yīng)，就好比我們用手去攪動水桶里的水，當(dāng)手攪動的速度愈快，水桶里的水就會愈來愈向水桶邊緣擴散，接著水桶里的水位也就會愈來愈低，到最后水桶里的水則變成只能在水桶周圍旋轉(zhuǎn)，而無法落下。這樣的現(xiàn)象也會發(fā)生在空氣流體力學(xué)上。大家可以試想：壓氣機進風(fēng)口就好比是一個水桶，周圍空氣就像是水，至于渦輪葉片就好比是攪動的手，當(dāng)渦輪葉片轉(zhuǎn)速一旦提升，進氣口內(nèi)的氣流就會逐漸向周圍擴散，轉(zhuǎn)速提升愈高，氣流就愈向周圍靠近，導(dǎo)致渦輪葉片中央位置會愈來愈吸不到空氣，到最后甚至?xí)尸F(xiàn)真空的狀態(tài)，使得空氣只能從葉片周圍進入，進氣效率當(dāng)然也就會跟著下降，這樣的現(xiàn)象就是所謂的Surge 效應(yīng)。而迎風(fēng)角度大的葉片，進氣效率雖較好，但卻容易在高轉(zhuǎn)速時發(fā)生Surge 效應(yīng)，而角度較小的葉片則反之?！　榱朔乐埂皻怏w剝離”現(xiàn)象，把葉片角度設(shè)計成向運轉(zhuǎn)方向縮小(與渦輪軸線方向更接近)，以維持流速均一化的“反向”壓縮輪漸漸成為改裝品的主流，而這也就是改裝界所謂的“斜流”葉片?！靶绷鳌比~片通常都在原有的主葉片下，多加半個葉片(一般其角度更接近渦輪軸線方向，即更豎直)。若從進氣入口正視壓氣機葉輪，可看到兩個葉片重疊，就代表這是“斜流” 葉輪。而Hybrid Turbine 的壓氣機葉輪通常亦會使用“斜流”葉片( 后方并加以切平) 搭配漏斗式的加大吸氣口來增加出風(fēng)量。此外，還有壓氣機進風(fēng)口處加設(shè)循環(huán)排氣孔，讓流失的壓縮空氣2次循環(huán)來減少surge效應(yīng)的新設(shè)計(此處不贅述，HKS T04Z 便有此設(shè)計)?！　?nèi)置式排氣旁通閥　　內(nèi)置式排氣旁通閥(Internal Wastegate，俗稱Actuator)，是目前渦輪系統(tǒng)中最常見的泄壓裝置，一般又被稱為連動式排氣泄壓閥?！癆ctuator”直接配置在渦輪上，利用一支連桿來控制渦輪排氣中的閥門，一旦渦輪壓縮空氣端的增壓值達到限定的程度，進氣壓力便會推“Actuator”的連桿，使渦輪排氣側(cè)內(nèi)的旁通閥門開啟，部分廢氣不經(jīng)渦輪葉輪(Turbine Wheel)直接排到排氣管。這樣減少“吹動”渦輪葉輪的廢氣流量，渦輪葉輪轉(zhuǎn)速降低，同時帶動壓氣機葉輪轉(zhuǎn)速降低。因此“Actuator”既是限制渦輪最高轉(zhuǎn)速的裝置，也是使渦輪進氣端增壓壓力維持一個穩(wěn)定值(不會長時間過高)的裝置。　　外置式排氣旁通閥　　外置式排氣旁通閥(External Wastegate，俗稱Wastegate)也被稱為排氣泄壓閥，功能與“Actuator”大致相同，但結(jié)構(gòu)與安裝位置有別。結(jié)構(gòu)上“Wastegate”省去了連桿和在渦輪內(nèi)的排氣閥門。而位置上“Wastegate”以獨立方式安裝在渦輪與排氣管頭段之間，而無須像“Actuator”那樣依附于渦輪增壓器本體上。一旦渦輪增壓值達到設(shè)定上限，“Wastegate”排出( 可直接排向大氣或?qū)Щ嘏艢夤軆?nèi)) 多余的廢氣，減少“吹動”渦輪葉輪的廢氣流量，進而使渦輪保持穩(wěn)定的增壓值?！癢astegate”比“Actuator”有更大的增壓容量(可配用大的彈簧)且反應(yīng)靈敏，所以更適合用在大馬力或高增壓渦輪發(fā)動機上，尤其是使用差異過大的Hybird 渦輪，更是必備用品!　　中冷器　　中冷器(中央冷卻器，Intercooler)位于壓氣機出風(fēng)口與節(jié)氣門之間的“散熱排”。其構(gòu)造有點像水箱，就是運用橫向的眾多小扁鋁管分割壓縮空氣，然后利用外界的冷風(fēng)吹過與細管相連的散熱鰭片，達到冷卻壓縮空氣的目的，使進氣溫度較為接近常溫?！　∫孀畈幌矚g高溫的氣體，因為高溫空氣會使馬力下降。特別是四季炎熱的亞熱帶地區(qū)。但由于渦輪增壓器會把吸進引擎的氣體進行強制壓縮，從而使空氣密度提高，但與此同時，空氣的溫度也會急劇上升。溫度上升又反過來造成被壓縮空氣的氧含量下降。此外這股熱氣未經(jīng)冷卻即進入高溫的汽缸，將導(dǎo)致燃油的不規(guī)則預(yù)燃(爆震)，使引擎溫升進一步加劇，增加了熔毀活塞的可能?！　榱颂嵘諝饷芏?，同時兼顧空氣中的含氧量，我們需要在壓縮空氣后(壓縮程度較大)降低進氣的溫度。中冷器因此而產(chǎn)生。中冷器的面積及厚度越大，其散熱能力越強。因為面積和厚度大，其內(nèi)的小扁管數(shù)量、長度和散熱葉片等皆隨之增加，中冷器內(nèi)的高溫壓縮空氣及中冷器外的大氣就有更多的接觸面積及接觸時間，熱交換(散熱)的面積和時間更充分，降溫效果更好。雖然大容量中冷器有更好的冷卻效能，但其加長了散熱路徑和增大了進氣容度，會帶來相對的壓力損失，TurboLag 容易變大?！　∵M氣旁通閥　　進氣旁通閥(ReliefValve)一般又稱為“進氣泄壓閥”。它安裝在靠近節(jié)氣門的進氣管上，它是大部分渦輪增壓發(fā)動機出廠時原配的泄壓裝置?！　∮捎跍u輪是利用廢氣排出的力量來驅(qū)動，當(dāng)駕駛過程中收油門(如換擋、急剎車時)，節(jié)氣門關(guān)閉。渦輪葉片(壓氣機葉輪)在慣性作用下仍舊持續(xù)轉(zhuǎn)動。此時因節(jié)氣門的截斷和葉片的繼續(xù)增壓所致，進氣管路中(在節(jié)氣門與渦輪之間)的空氣壓力會迅速提高。為了保護增壓系統(tǒng)，當(dāng)壓力達到某一限定值后，進氣旁通閥打開，把過剩的空氣(壓力)導(dǎo)回至濾清器與渦輪之間，實現(xiàn)降壓保護的功能?！　low-Off Valve(BOV)即俗稱的“放氣哇佬”，同樣屬于進氣旁通閥。只是它一般被用作取代Relief Valve的改裝部件。其功能基本上和Relief Valve 相同，唯一的差異僅在于Blow-off Valve的閥門并不會像Relief Valve那樣容易受到進氣壓力的影響而開啟(導(dǎo)致進氣壓力下降)。而且在節(jié)氣門關(guān)閉后，Blow-off Valve 是將剩余壓力直接向大氣釋放，并非再導(dǎo)于渦輪與濾清器之間再度增壓。因此BlowoffValve 除了同樣具有保護渦輪系統(tǒng)的效果外，在泄壓反應(yīng)上也比起原廠配置的Relief Valve 更為優(yōu)異。但對于小排量或小增壓的渦輪發(fā)動機來說，Blow-off Valve對再加油的動力響應(yīng)會變差。另外Blow-off Valve 泄壓時會產(chǎn)生更大的泄氣聲，令人聽得更為興奮，也成為渦輪增壓車最為特殊的音效。: 回答者：網(wǎng)友

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