引言

當(dāng)人們談?wù)撡愜嚮蚋咝阅芘苘嚂r，渦輪增壓器通常都是必談的話題。 渦輪增壓器也用于大型柴油機(jī)發(fā)動機(jī)中。渦輪可以顯著提升發(fā)動機(jī)的馬力，而不會大幅度增加發(fā)動機(jī)重量，這也是渦輪增壓器如此受歡迎的一個重要因素。

 

在本文中，我們將了解渦輪增壓器在極端工作條件下如何增加發(fā)動機(jī)的動力輸出。同時我們也將了解“廢氣泄放閥”、陶瓷渦輪葉片以及滾珠軸承如何幫助渦輪增壓器提高性能。

渦輪增壓器是一種強(qiáng)制引導(dǎo)系統(tǒng)。 它對流入發(fā)動機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮（有關(guān)普通發(fā)動機(jī)中氣流的介紹，請參考汽車發(fā)動機(jī)工作原理）。壓縮空氣可以使發(fā)動機(jī)能夠?qū)⒏嗟目諝鈮旱綒飧桌铮嗫諝饩鸵馕吨芟驓飧變?nèi)注入更多的燃料。因此，每個氣缸的燃燒沖程就能產(chǎn)生更多動力。 渦輪增壓發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力要比相同普通發(fā)動機(jī)大得多。這樣就可顯著提高發(fā)動機(jī)的動力重量比（有關(guān)詳細(xì)信息，請參考馬力及其應(yīng)用）。

為了獲得這種性能上的提升，渦輪增壓器使用發(fā)動機(jī)排出的廢氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪則帶動氣泵旋轉(zhuǎn)。渦輪在渦輪機(jī)中的最高轉(zhuǎn)速為每分鐘150,000轉(zhuǎn)——這相當(dāng)于大多數(shù)汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的30倍。同時由于與排氣管相連，渦輪的溫度通常非常高。

渦輪增壓器基礎(chǔ)知識

增加發(fā)動機(jī)所能燃燒的燃料和空氣是提升發(fā)動機(jī)動力最可靠的方法之一。 增加燃料和空氣的方法之一是增加氣缸數(shù)或增大氣缸容積。有時這些方法并不可行。這時使用渦輪將是增加動力更簡便、有效的方法，尤其在購買后自行改裝時更是如此。

 

渦輪增壓器使發(fā)動機(jī)能將更多的燃料和空氣注入氣缸，從而使發(fā)動機(jī)能夠燃燒更多的燃料和空氣。渦輪增壓器通常能夠產(chǎn)生41-55千帕的氣壓。 由于在海平面大氣壓力為1012.8千帕，因此發(fā)動機(jī)中注入的空氣會增加50%。從而發(fā)動機(jī)內(nèi)部動力可增加50%。 但上述過程并不能完全實(shí)現(xiàn)，實(shí)際動力可能增加30-40%。

在使用渦輪增加發(fā)動機(jī)動力過程中，有一個原因會導(dǎo)致渦輪效率低下，那就是需要動力動渦輪旋轉(zhuǎn)。將渦輪裝在排氣管內(nèi)會增加排氣管內(nèi)的空氣阻力。 這意味著，發(fā)動機(jī)在排氣沖程時，不得不克服更高的負(fù)壓。這會稍微減少發(fā)動機(jī)在燃燒時產(chǎn)生的動力。

渦輪增壓器適用于高海拔

渦輪增壓器在空氣較為稀薄的高海拔地區(qū)很有用。在高海拔地區(qū)，通常普通發(fā)動機(jī)的動力會減小，因?yàn)樵诨钊拿總€沖程中，發(fā)動機(jī)都只能獲得少量的空氣。渦輪增壓發(fā)動機(jī)可能同樣會減小動力，但減小量會少很多，因?yàn)橄”〉目諝鈺菀妆粶u輪增壓器抽入發(fā)動機(jī)。

裝有化油器的老式汽車為了適應(yīng)氣缸內(nèi)增加的空氣，會自動增加燃料。 使用燃料直噴技術(shù)的現(xiàn)代汽車一定程度上也會在作相同的調(diào)整。燃料噴射系統(tǒng)通過裝在排氣管內(nèi)的氧氣含量傳感器來判斷空燃比是否正確，因此加裝渦輪后，系統(tǒng)會自動增加燃料。

在采用燃料直噴技術(shù)的汽車中，如果渦輪增壓器過多地增加空氣壓縮率，系統(tǒng)可能無法提供足夠的燃料（要么是控制器的軟件程序不允許，要么是燃料泵和噴射器無法提供如此多的燃料）。在這種情況下，為了最大程度地利用渦輪增壓器，必須對車輛進(jìn)行其他改進(jìn)。

渦輪增壓器的工作原理

渦輪增壓器連接到發(fā)動機(jī)的排氣歧管。氣缸內(nèi)排出的尾氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，與燃?xì)廨啓C(jī)類似。 渦輪通過軸與安裝在空氣過濾器與吸氣管之間的壓縮機(jī)相連。壓縮機(jī)把空氣壓縮到氣缸中。

 

氣缸排出的尾氣流過渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)。 流過葉片的尾氣越多，渦輪旋轉(zhuǎn)速度就越快。

 

在連接渦輪的軸另一端，壓縮機(jī)將空氣抽到氣缸中。壓縮機(jī)是一種離心泵，它在葉片的中心位置吸入空氣，并在旋轉(zhuǎn)時將空氣甩到外面。

為了適應(yīng)高達(dá)150,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，必須小心支撐渦輪軸。大部分軸承在這樣的高速下會爆炸，所以絕大多數(shù)的渦輪增壓機(jī)使用的是液壓軸承。這類軸承能使軸浮于一層薄薄的油膜上，這些油從軸四周恒定抽入。 這可以起到兩個作用：一方面能夠降低軸和一些其他渦輪增壓機(jī)部件的溫度，另一方面能夠減小軸在旋轉(zhuǎn)時遇到的摩擦。

 

在為發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)渦輪增壓機(jī)時，需要權(quán)衡許多利弊。在下一節(jié)，我們將了解一些需要權(quán)衡的因素，并說明其如何影響渦輪增壓機(jī)的性能。

 

過度增壓

由于空氣在渦輪增壓機(jī)的壓迫下進(jìn)入氣缸，然后又被活塞進(jìn)一步壓縮（請參考汽車發(fā)動機(jī)工作原理示例），所以發(fā)生爆震的危險會增大。爆震之所以會發(fā)生，是因?yàn)榭諝獗粔嚎s時溫度會上升。 空氣溫度可能在火花塞點(diǎn)火之前就升高到足以點(diǎn)燃燃料的程度。安裝渦輪增壓機(jī)的汽車通常使用高辛烷值燃料，以防止發(fā)動機(jī)爆震。如果增壓壓力確實(shí)非常高，就必須降低發(fā)動機(jī)的空氣壓縮率，以防止爆震。

 

渦輪增壓器的設(shè)計(jì)考慮因素

渦輪增壓機(jī)的一個主要問題是：當(dāng)踩下油門時，發(fā)動機(jī)不會立即產(chǎn)生增壓，而是需要幾秒時間使渦輪提升轉(zhuǎn)速，之后才能產(chǎn)生增壓。這樣就產(chǎn)生了延時感，即踩下油門后，要等渦輪轉(zhuǎn)速上升，汽車才會加速前進(jìn)。

減少渦輪延時的方法之一是減小旋轉(zhuǎn)件的慣性，這主要通過減少旋轉(zhuǎn)件的重量來實(shí)現(xiàn)。這樣就使渦輪和壓縮機(jī)能夠更快地加速，更快地產(chǎn)生增壓。 減小渦輪增壓器的尺寸是降低渦輪及壓縮機(jī)慣性的一個有效方法。小型渦輪增壓機(jī)在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時能更快地產(chǎn)生增壓，但無法在發(fā)動機(jī)處于高轉(zhuǎn)速、更多空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)時產(chǎn)生更多的增壓。同時，發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，更多的尾氣會經(jīng)過渦輪，還可能存在使渦輪轉(zhuǎn)速過快的危險。

大型渦輪可以在發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較多的增壓，但因?yàn)槠錅u輪和壓縮機(jī)偏重，以致加速緩慢，從而產(chǎn)生較嚴(yán)重的渦輪延時。幸運(yùn)的是，我們可以通過一些小竅門來克服這些問題。

多數(shù)渦輪增壓機(jī)都有一個廢氣泄放閥，由于它的存在，我們可在采用小型渦輪增壓機(jī)降低增壓延時的同時，防止發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時渦輪旋轉(zhuǎn)過快。廢氣泄放閥是一個閥門，它使排出的廢氣繞過渦輪葉片。 廢氣泄放閥能感知增壓壓力。如果壓力過高，廢氣泄放閥就會指示渦輪旋轉(zhuǎn)太快，此時廢氣泄放閥使一部分尾氣經(jīng)過渦輪葉片，從而降低渦輪葉片的轉(zhuǎn)速。

一些渦輪增壓機(jī)用滾珠軸承代替液壓軸承來支承渦輪軸。但它們不是普通的滾珠軸承，而是用高級材料制造出的高精度軸承，用以應(yīng)對渦輪增壓器的速度和溫度。渦輪軸旋轉(zhuǎn)時，這類滾珠軸承承受的摩擦力小于大多數(shù)渦輪增壓器液壓軸承中的摩擦力。 同時還允許使用略小、略輕的軸。這樣渦輪增壓器加速更快，進(jìn)一步降低了渦輪延時。

陶瓷渦輪葉片比大多數(shù)渦輪增壓器中使用的鋼制渦輪葉片要輕。 同樣，這也使渦輪能更快地加速，從而降低渦輪延時。

有些發(fā)動機(jī)同時使用兩個不同尺寸的渦輪增壓機(jī)。較小的一個可較快地加大轉(zhuǎn)速，降低渦輪延時，而較大的一個在發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生更多增壓。

空氣被壓縮時，溫度升高；而空氣溫度升高時，就會發(fā)生膨脹。因此當(dāng)使用渦輪增壓時，空氣在進(jìn)入發(fā)動機(jī)前就已經(jīng)因?yàn)閴嚎s生熱而產(chǎn)生了一些膨脹。為了提升發(fā)動機(jī)動力，需要使更多的空氣分子進(jìn)入氣缸，而并不一定要產(chǎn)生更多的氣壓。

 

中間冷卻器或進(jìn)氣冷卻器是外觀像散熱器一樣的附加組件，只不過空氣同時從中間冷卻器的內(nèi)部和外部經(jīng)過。渦輪吸入的空氣通過密封管路流過冷卻器，而發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)從它外部的散熱片流過。

在來自壓縮機(jī)的壓縮空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)之前，中間冷卻器會將其冷卻，從而進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)的動力。這意味著，如果渦輪增壓機(jī)在337千帕的增壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，中間冷卻器就會產(chǎn)生337千帕溫度更低的空氣，這些空氣密度更高，含有的空氣分子比溫度較高的同氣壓空氣多。

 

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