渦輪增壓

渦輪增壓

渦輪增壓是一種利用內燃機(Internal Combustion Engine)運作所產生的廢氣驅動空氣壓縮機(Air-compressor)的技術。與超級增壓器(機械增壓器,Super-Charger)功能相似,兩者都可增加進入內燃機或鍋爐的空氣流量,從而令機器效率提升。常見用於汽車引擎中,透過利用排出廢氣的熱量及流量,渦輪增壓器能提升內燃機的馬力輸出。一般車用內燃機在加裝增壓器後重量都會增加,所用作克服慣性的能量會上升。因為渦輪增壓器大部份時間都是利用引擎排出的廢氣驅動,所以較由引擎曲軸(Crankshaft)驅動的機械增壓器占優。但因引擎於低轉運作時廢氣流量較低,渦輪增壓器的表現不理想,出現渦輪遲滯(Turbo-Lag)現象。

基本信息

發展歷史

渦輪增壓器(Turbo Booster)的發明者是誰,比較公認的說法是瑞士工程師比希,他於1905年申報了此項專利。當時主要套用于飛機發動機和坦克發動機,直到1961年美國通用汽車公司才將渦輪增壓器試探性的裝在其生產的某種車型上。20世紀70年代成為了渦輪增壓器的一個轉折點,裝配增壓發動機的保時捷911問世。但讓渦輪增壓技術煥發青春的非瑞典SAAB薩博公司莫屬,它於1977年推出的SAAB99車型將渦輪增壓技術傳播的更廣泛,但那時的渦輪增壓器僅限於裝配在小車的汽油發動機上面。一直到80年代中期,歐美的卡車製造商才將渦輪增壓技術套用在各自的柴油發動機上面,而國產車是在這10年才開始逐漸流行帶渦輪增壓器車型的。

對比分析

機械增壓

這個裝置安裝在發動機上並由皮帶與發動機曲軸相連線,從發動機輸出軸獲得動力來驅動增壓器的轉子鏇轉,從而將空氣增壓吹到進氣岐道里。其優點是渦輪轉速和發動機相同,因此沒有滯後現象,動力輸出非常流暢。但是由於裝在發動機轉動軸裡面,因此還是消耗了部分動力,增壓出來的效果並不高。

氣波增壓

利用高壓廢氣的脈衝氣波迫使空氣壓縮。這種系統增壓性能好、加速性好但是整個裝置比較笨重,不太適合安裝在體積較小的轎車裡面。

廢氣增壓

這就是我們平時最常見的渦輪增壓裝置了,增壓器與發動機無任何機械聯繫,實際上是一種空氣壓縮機,通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性衝力來推動渦輪室內的渦輪,渦輪又帶動同軸的葉輪,葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣,使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快,廢氣排出速度與禍輪轉速也同步增快,葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸,空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料,相應增加燃料量就可以增加發動機的輸出功率。一般而言,加裝廢氣渦輪增壓器後的發動機功率及扭矩要增大20%—30%。但是廢氣渦輪增壓器技術也有其必須注意的地方,那就是泵輪和渦輪由一根軸相連,也就是轉子,發動機排出的廢氣驅動泵輪,泵輪帶動渦輪鏇轉,渦輪轉動後給進氣系統增壓。增壓器安裝在發動機的排氣一側,所以增壓器的工作溫度很高,而且增壓器在工作時轉子的轉速非常高,可達到每分鐘十幾萬轉,如此高的轉速和溫度使得常見的機械滾針或滾珠軸承無法為轉子工作,因此渦輪增壓器普遍採用全浮動軸承,由機油來進行潤滑,還有冷卻液為增壓器進行冷卻。

電機增壓

採用同廢氣渦輪增壓技術相類似的技術。主要區別與氣動增壓(汽波增壓/廢氣增壓)及機械增壓的地方在於:改變了增壓的動力來源。氣動增壓方式是利用尾氣增壓,機械增壓為動力增壓,電機增壓即利用車載電池帶動電機—空氣壓縮器的原理。此技術已經被極大的套用於家庭轎車。

優點:

1.相對氣動增壓方式其運行性能更加穩定。氣動增壓很容易因為汽車或者發動機運行方式的驟然改變而影響其工作效率,電機增壓不存在以上問題。

2.相對氣動增壓/機械增壓方式其原理及構造更加簡單,改裝方便。電機增壓因為其簡單的安裝方式,更加便捷的被採用(接車載電源,安裝完畢即可使用)。

3.經濟性價比高。電機增壓的安裝相對氣動增壓/機械增壓價格低,不需要太過複雜的安裝工藝,廠家/買家從安裝這一方面可以節省很大的成本。

缺點:

1、增壓功率相對較低。相比機械增壓和渦輪增壓,電機因為車載電池的功率掣肘,一般增壓只能增幅12%~16%。

2、車載電池壽命下降。電機增壓因為不間斷的工作會使車載電池壽命下降較快。

氮氧增壓

即往燃燒室注入一氧化二氮(英文縮寫N.O.S. Nitrous Oxide System,中文簡稱笑氣),使發動機燃燒空氣及氮氧所分解出來的氧氣(氮氣在燃燒室內作為不可燃燒氣體,起降溫作用)。區別與其他的增壓方式是:氮氧增壓是直接通過燃燒介質,而其他技術是通過改變空氣密度。注意:因為氮氧增壓的效率相當高,所帶來的熱效率及不穩定性(氣缸壽命下降,或者氮氧瓶身在顛簸中的破損)很容易造成事故,所以任何體育性質的比賽都嚴禁使用此技術,但是在一些國家,競技類比賽(特別是非法比賽,可參考< 速度與激情 >系列)被允許使用此技術。

優點

增壓效率穩定,效率高,增壓幅度大。

缺點

工作穩定性差。較長時間(視氮氧的每秒投入量與氣缸容積而定,此處時間只作為一個參考)使用會時發動機壽命下降加快或者爆缸,會使車輛的零部件在過負荷工作狀態下加速疲勞導致損壞。

增壓結構

排氣渦輪增壓器包括渦輪機葉輪和軸,空氣壓縮機機輪,軸承與軸承的情況下,壓縮機殼體和渦輪機殼體。此外小排氣渦輪增壓器

需要一個單元,用於控制集成的渦輪機殼體中的電荷的空氣壓力。

1壓縮機背板上

2推力軸承

3軸承下

4熱禁止

5渦輪增壓住房

6渦輪機葉輪

7汽輪機排氣

8廢物門

9攝入量為9號汽輪機

10油排氣

11軸承

12主軸承

13壓縮環和保持器

14壓縮機輪

15強制墨盒

16進氣口

17壓力軟管

18擴散

19壓縮機外殼

20油的攝入量

21排氣

複合增壓

複合增壓複合增壓

即廢氣渦輪增壓和機械增壓並用,機械增壓有助於低轉速時的扭力輸出,但是高轉速時功率輸出有限;而廢氣渦輪增壓在高轉速時擁有強大的功率輸出,但低轉速時則力不從心。發動機的設計師們於是就構想把機械增壓和渦輪增壓結合在一起,來解決兩種技術各自的不足,同時解決低速扭矩和高速功率輸出的問題。這種裝置在大功率柴油機上採用比較多,汽油機上採用雙增壓系統(複合增壓系統)的車型還比較少,大眾的1.4 TSI發動機(這款發動機兼顧了低速扭力輸出和高速功率輸出。在低轉速時,由機械增壓提供大部分的增壓壓力,在1 500rpm時,兩個增壓器同時提供增壓壓力。隨著轉速的提高,渦輪增壓器能使發動機獲得更大的功率,與此同時,機械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機械增壓通過電磁離合器控制,它與水泵集合在一起。在轉速超過3500rpm時,由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力,此時機械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發動機分離,防止消耗發動機功率)採用了了這一系統。其發動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小,只是結構太複雜,技術含量高,維修保養不容易,因此很難普及。

優點:在相同排量的前提下,能大幅提升發動機的功率和扭矩,大約40%左右,也就是1.8T大約能相當於2.4L。燃料燃燒的更充分。

缺點:維護保養費用貴不少,並且在城市中大部分時候渦輪增壓器是不工作的,因為一般都設定在3500轉左右才會啟動渦輪增壓。而且安了渦輪增壓的車動力輸出反應滯後,油門踩下去提速會有一個延時,因為廢氣渦輪增壓器需要發動機的廢氣驅動,當你踩下油門後渦輪增壓器並沒有馬上提高工

作效率,要等個兩秒以上才會反應過來。

誠然,渦輪增壓的確能夠提升發動機的動力,不過它的缺點也有不少,其中最明顯的就是動力輸出反應滯後。我們看看前面有關渦輪增壓的工作原理就知道了,即由於葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩,也就是說從你大腳踩油門加大馬力,到葉輪轉動將更多空氣壓進發動機獲得更大動力之間存在一個時間差,而且這個時間還不短。一般經過改良的渦輪增壓也要至少2秒左右來增加或者減少發動機動力輸出。如果你要突然加速的話,瞬間會有提不上速度的感覺。

隨著技術的進步,雖然各個使用渦輪增壓的廠家都在對渦輪增壓技術進行改進,但是由於設計原理問題,因此安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來的感覺是和大排量的汽車有一定差異的。譬如說我們買了1.8T的渦輪增壓汽車,在實際的行駛之中,加速肯定不如2.4L的,但是只要度過了那段等待期,1.8T的動力同樣會竄上來,因此如果你追求駕駛的感覺的話,渦輪增壓引擎並不適合你,如果你是跑高速之類的,渦輪增壓才顯得特別有用。

如果你的愛車經常在城市內行駛,那么有必要考慮需要什麼樣的渦輪增壓,因為渦輪並不是隨時都在啟動的。對於那些啟動轉速高的渦輪增壓發動機,就拿斯巴魯(富士)翼豹的渦輪增壓來說,它的啟動是在3500轉左右,5擋能夠上到3500轉估計速度都破120了,除非你故意停留在低檔位,否則不超過120公里的時速翼豹的渦輪增壓根本無法啟動。這時那些低轉速啟動的渦輪增壓發動機更為合適,例如大眾的1.4Tsi發動機,在1750甚至1500轉的時候渦輪增壓就介入了,即使在2000~3000換檔,也能保證換檔前後轉速保持在燃油套用效率更高的渦輪增壓區域。

冷卻系統

中冷器是增壓系統的一部分。當空氣被高比例壓縮後會產很高的熱量,導致空

渦輪增壓渦輪增壓

渦輪增壓

氣膨脹密度降低,而同時也會使發動機溫度過高造成損壞。為了得到更高的容積效率,需要在注入汽缸之前對高溫空氣進行冷卻。這就需要加裝一個散熱器,原理類似於水箱散熱器,將高溫高壓空氣分散到許多細小的管道里,而管道外有常溫空氣高速流過,從而達到降溫目的(可以將氣體溫度從150℃降到50℃左右)。由於這個散熱器位於發動機和渦輪增壓器之間,所以又稱作中間冷卻器,簡稱中冷器。

使用保養

渦輪增壓原理渦輪增壓原理

渦輪增壓器是利用發動機排出的廢氣驅動渦輪,它再怎么先進還是一套機械裝置,由於它工作的環境經常處於高速、高溫下工作,增壓器廢氣渦輪端的溫度在600度以上,增壓器的轉速也非常高,因此為了保證增壓器的正常工作,對它的正確使用和維護十分重要。主要我們要遵循以下的方法:

1、汽車發動機啟動之後,不能急踩加速踏板,應先怠速運轉三分鐘,這是為了使機油溫度升高,流動性能變好,從而使渦輪增壓器得到充分潤滑,然後才能提高發動機轉速,起步行駛,這點在冬天顯得尤為重要,至少需要熱車5分鐘以上。

2、發動機長時間高速運轉後,不能立即熄火。原因是發動機工作時,有一部分機油供給渦輪增壓器轉子軸承潤滑和

用於冷卻的,正在運行的發動機突然停機後,機油壓力迅速下降為零,機油潤滑。

3、選擇機油的時候一定要注意。由於渦輪增壓器的作用,使進入燃燒室的空氣品質與體積有大幅度的提高,發動機結構更緊湊、更合理,較高的壓縮比,使發動機的工作強度更高。機械加工精度也更高,裝配技術要求更嚴格。所有這些都決定了渦輪增壓發動機的高溫、高轉速、大功率、大扭矩、低排放的工作特點。同時也就決定了發動機的內部零部件要承受較高的溫度及更大的撞擊、擠壓和剪下力的工作條件。所以在選用渦輪增壓轎車車用機油時,就要考慮到它的特殊性,所使用的機油必須抗磨性好,耐高溫,建立潤滑油膜塊,油膜強度高和穩定性好。而合成機油或半合成機油恰好可以滿足這一要求,所以機油除了最好使用原廠規定機油外還可以選用合成機油、半合成機油等高品質潤滑油。會中斷,渦輪增壓器內部的熱量也無法被機油帶走,這時增壓器渦輪部分的高溫會傳到中間,軸承支承殼內的熱量不能迅速帶走,而同時增壓器轉子仍在慣性作用下高速鏇轉。這樣就會造成渦輪增壓器轉軸與軸套之間“咬死”而損壞軸承和軸。此外發動機突然熄火後,此時排氣歧管的溫度很高,其熱量就會被吸收到渦輪增壓器殼體上,將停留在增壓器內部的機油熬成積炭。當這種積炭越積越多時就會阻塞進油口,導致軸套缺油,加速渦輪轉軸與軸套之間的磨損。因此發動機熄火前應怠速運轉三分鐘作用,使渦輪增壓器轉子轉速下降。此外值得注意的就是渦輪增壓發動機同樣不適宜長時間怠速運轉,一般應該保持在10分鐘之內。

渦輪增壓渦輪增壓

4、發動機機油和濾清器必須保持清潔,防止雜質進入,因為渦輪增壓器的轉軸與軸套之間配合間隙很小,如果機油潤滑能力下降,就會造成渦輪增壓器的過早報廢。

5、需要按時清潔空氣濾清器,防止灰塵等雜質進入高速鏇轉的壓氣葉輪,造成轉速不穩或軸套和密封件加劇磨損。

6、需要經常檢查渦輪增壓器的密封環是否密封。因為如果密封環沒有密封住,那么廢氣會通過密封環進入發動機潤滑系統,將機油變髒,並使曲軸箱壓力迅速升高,此外發動機低速運轉時機油也會通過密封環從排氣管排出或進入燃燒室燃燒,從而造成機油的過度消耗產生“燒機油”的情況。

7、渦輪增壓器要經常檢查有沒有異響或者不尋常的震動,潤滑油管和接頭有沒有滲漏。

8、渦輪增壓器轉子軸承精密度很高,維修及安裝時的工作環境要求很嚴格,因此當增壓器出現故障或損壞時應到指定的維修站進行維修,而不是到普通的修理店。

9、要保持空氣濾清器的清潔,與普通發動機相比,渦輪增壓發動機對清潔的要求更高。因為若雜質進入壓氣葉輪,會造成轉速不穩或軸套和密封件加劇磨損。

10、發動機機油保持清潔,渦輪增壓發動機對機油的要求也比較高,必須保持清潔。另外如果機油變質要及時更換。否則機油的潤滑能力下降,會造成增壓器軸承的潤滑不足而損壞,增加保養成本,甚至造成渦輪增壓器的過早報廢。

11、著車就走和立即熄火對渦輪增壓發動機都不好,發動機發動後最好怠速運轉一陣,使潤滑油充分潤滑軸承,對發動機起到很好的保護作用。另外,發動機長時間高速運轉後,應怠速運轉3-5分鐘再熄火,否則,會引起渦輪增壓器內滯留的機油過熱而損壞軸承和軸。

保養誤區

誤區一隨意更換機油
在“喝”機油方面,渦輪增壓器確實比較“嬌氣”,除了量比普通自然吸氣發動機大一些外,對油品的要求也更高。因為渦輪增壓器的設計與自然吸氣發動機不同,其主轉軸採用浮動式設計,渦輪本體和主轉軸之間充滿了機油,整個主轉軸依靠潤滑油來散熱與潤滑,而劣質機油的粘稠度較高,流動性較差,無法較好地發揮作用。建議車主在這方面增加一些投入,給車輛更換全合成機油。
誤區二到目的地馬上熄火
在發動機長時間高負荷運轉後,車主在關閉發動機之前,一定要怠速運轉幾分鐘,讓機件能有效冷卻並得到潤滑。
誤區三一啟動就轟油門
能在短時間內提高速度是渦輪增壓車的一大特點,但是這並非意味著車主可以粗魯地對待愛車,實際上,剛啟動後猛轟油門易損壞增壓器油封。渦輪增壓發動機的轉數很高,啟動車輛後,不能急踩加速踏板,應先怠速運轉3—5分鐘,使機油泵有充足的時間把機油輸送到渦輪增壓器的各個部位,同時機油溫度慢慢上升後,流動性更好,此時提速才會“如魚得水”。

汽車組成部分

拆解當代汽車,將它的每一個部分都弄弄清楚。有車的人多了,還得多些懂車的人才行。

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