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汽車渦輪增壓是什么原理

TSI: 問提問者：網友 | 2017-05-26

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渦輪增壓原理　　使用渦輪增壓發動機的車型現在越來越多，到底什么是渦輪增壓發動機，它的基本結構和工作理又如何呢?現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，如果要改裝又應如何改動?一切的一切，我們都需要從渦輪增壓系統的基本原理談起。　影響發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 的引擎所能夠產生的馬力與扭矩，在理論上必然會比相同設計的2000cc 引擎來得大。那么如何把2.0L 汽缸內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)發動機的做法，逃不開加大節氣門口徑，或換多喉直噴等，使高轉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數后，作用就有限了。畢竟NA 發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。　　有的NA 發動機改用高角度凸輪軸(Hi Cam，借此增加進排氣門重疊角度)，可以在高轉速下獲得高動力，但缺點是低轉的扭矩較差，而且如果角度過大，會有發動機怠速不穩的現象。所以現在不少的新車都用上可變氣門正時技術，再配合可變凸輪軸等技術(如VVTL-i、i-VTEC、MIVEC)……以期在低轉扭矩和高轉馬力之間取得很好的平衡。　　但即便是用盡以上方法，發動機的進氣效率頂多提高60%。NA 發動機始終無法避免其宿命——空氣是被動地被吸入汽缸內的。也就是說，引擎所需的空氣完全依靠活塞下行時產生的負壓而進入，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動機。　　渦輪增壓系統原理解構　　渦輪系統是增壓發動機中最常見的增壓系統之一。　　如果在相同的單位時間里，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)，便能在相同的轉速下產生較自然進氣發動機更大的動力輸出。渦輪增壓利用廢氣驅動，基本沒有額外的能量損耗(對發動機沒有額外的負擔)，便能輕易地創造出大馬力，是非常聰明的設計。情形就像你拿一臺電風扇向汽缸內吹，硬是把風往里面灌，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動。　　一般而言，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所能提供給車輛最大的價值所在。　　該系統包括渦輪增壓器、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的工作原理。　　一，發動機排出的廢氣，推動渦輪排氣端的渦輪葉輪(Turbine Wheel)②，并使之旋轉。由此便能帶動與之相連的另一側的壓氣機葉輪(Turbine Wheel) ③也同時轉動。　　二，壓氣機葉輪把空氣從進風口強制吸進，并經葉片的旋轉壓縮后，再進入管徑越來越小的壓縮通道作二次壓縮，這些經壓縮的空氣被注入汽缸內燃燒。　　三，有的發動機設有中冷器，以此降低被壓縮空氣的溫度、提高密度，防止發動機產生爆震。　　四，被壓縮(并被冷卻后)的空氣經進氣管進入汽缸，參與燃燒做功。　　五，燃燒后的廢氣從排氣管排出，進入渦輪，再重復以上(一)的動作。　　渦輪增壓器渦輪增壓器本體是渦輪增壓系統中最重要的部件，也就是我們一般所說的“蝸牛”或“螺仔”。因渦輪的外形與蝸牛背上的殼或海產攤內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，其基本結構分為：進氣端、排氣端和中間的連接部分。　　其中進氣端包括壓氣機殼體(Compressor Housing，包括壓氣機進風口(Compressor Inlet)、壓氣機出風口(Compressor Discharge)、壓氣機葉輪(Compressor Wheel)。　　而排氣端包括渦輪殼體(Turbine Housing，其中包括渦輪進風口(Turbine Inlet)、渦輪出風口(TurbineDischarge)、渦輪葉輪(Turbine Wheel)。　　在兩個殼體間負責連接兩者的，還有一個軸承室(CenterHousing)，安裝有負責連接并承托起壓氣機葉輪、渦輪葉輪，應付上萬轉速的渦輪軸(Shaft)，以及與之對應的機油入口(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的壓氣機葉輪同步運轉。整個葉片輪軸的轉速動輒120000-160000rpm。所以渦輪軸高速轉動所產生的熱量非常驚人(第二熱源)，再加上空氣經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。渦輪增壓器成為一個集高溫原件于一體的獨立工作系統。所以“散熱”對于渦輪增壓器非常重要。渦輪本體內部有專門的機油道(散熱及潤滑)，有不少更同時設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。　　渦輪軸　　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。傳統的渦輪軸使用波司軸承(Bushing Bearing)結構。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承托散熱，因此才能高速地轉動。　　而新近出現的滾珠軸承(Ball Bearing)逐漸成為渦輪軸發展的趨勢。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(可減少渦輪遲滯)，并對動力的極限榨取更有利;它對渦輪軸的轉動動態控制更穩定(傳統的是靠機油做軸承，行程漂浮);對機油壓力和品質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。　　渦輪葉輪　　渦輪葉輪的葉片型式，可分為“水車式” 葉片(外形是直片設計，讓廢氣沖撞而產生回旋力量，直接與回轉運動結合)，及“風車式”葉片(外形為彎曲型葉片設計，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會影響馬力線性，理論上來說，葉片數愈少，低速響應較差，但高速時的爆發力與持續力卻不是多葉片可比擬的。　　渦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)，但由于鐵本身的質量較大，于是又輕又強的鈦合金葉片因此產生。只是在量產車中，現在只有三菱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。　　壓氣機葉輪　　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，然后再加以決定其形狀。　　一般原廠渦輪的壓氣機葉輪(Compressor Wheel) 都使用全葉片的設計，即葉片是整片從頂端到末端的設計。而為了增加吸入空氣的通路面積，提升高速回轉時的效率，目前已出現了許多在全葉片旁穿插安裝半塊葉片的葉輪(此種設計多出現在改裝品上)。　　而壓氣機葉輪設計的另一個目的是讓壓縮空氣的流速均等化。傳統的葉輪為“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。當節氣門半開時，壓氣機葉輪轉速下降，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“真空”的狀態，無法輸送空氣(壓氣機葉輪轉速無法產生大于進氣管中氣壓的壓力)，相對壓力也就無法產生了(壓力回饋)，這也就是所謂的“氣體剝離” (Compressor Surge) 現象。　　所謂的Surge 效應，就好比我們用手去攪動水桶里的水，當手攪動的速度愈快，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，而無法落下。這樣的現象也會發生在空氣流體力學上。大家可以試想：壓氣機進風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，當渦輪葉片轉速一旦提升，進氣口內的氣流就會逐漸向周圍擴散，轉速提升愈高，氣流就愈向周圍靠近，導致渦輪葉片中央位置會愈來愈吸不到空氣，到最后甚至會呈現真空的狀態，使得空氣只能從葉片周圍進入，進氣效率當然也就會跟著下降，這樣的現象就是所謂的Surge 效應。而迎風角度大的葉片，進氣效率雖較好，但卻容易在高轉速時發生Surge 效應，而角度較小的葉片則反之。　　為了防止“氣體剝離”現象，把葉片角度設計成向運轉方向縮小(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。“斜流”葉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量。此外，還有壓氣機進風口處加設循環排氣孔，讓流失的壓縮空氣2次循環來減少surge效應的新設計(此處不贅述，HKS T04Z 便有此設計)。　　內置式排氣旁通閥　　內置式排氣旁通閥(Internal Wastegate，俗稱Actuator)，是目前渦輪系統中最常見的泄壓裝置，一般又被稱為連動式排氣泄壓閥。“Actuator”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，使渦輪排氣側內的旁通閥門開啟，部分廢氣不經渦輪葉輪(Turbine Wheel)直接排到排氣管。這樣減少“吹動”渦輪葉輪的廢氣流量，渦輪葉輪轉速降低，同時帶動壓氣機葉輪轉速降低。因此“Actuator”既是限制渦輪最高轉速的裝置，也是使渦輪進氣端增壓壓力維持一個穩定值(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，但結構與安裝位置有別。結構上“Wastegate”省去了連桿和在渦輪內的排氣閥門。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定上限，“Wastegate”排出( 可直接排向大氣或導回排氣管內) 多余的廢氣，減少“吹動”渦輪葉輪的廢氣流量，進而使渦輪保持穩定的增壓值。“Wastegate”比“Actuator”有更大的增壓容量(可配用大的彈簧)且反應靈敏，所以更適合用在大馬力或高增壓渦輪發動機上，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)位于壓氣機出風口與節氣門之間的“散熱排”。其構造有點像水箱，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。　　引擎最不喜歡高溫的氣體，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。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。此外這股熱氣未經冷卻即進入高溫的汽缸，將導致燃油的不規則預燃(爆震)，使引擎溫升進一步加劇，增加了熔毀活塞的可能。　　為了提升空氣密度，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，其內的小扁管數量、長度和散熱葉片等皆隨之增加，中冷器內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。　　進氣旁通閥　　進氣旁通閥(ReliefValve)一般又稱為“進氣泄壓閥”。它安裝在靠近節氣門的進氣管上，它是大部分渦輪增壓發動機出廠時原配的泄壓裝置。　　由于渦輪是利用廢氣排出的力量來驅動，當駕駛過程中收油門(如換擋、急剎車時)，節氣門關閉。渦輪葉片(壓氣機葉輪)在慣性作用下仍舊持續轉動。此時因節氣門的截斷和葉片的繼續增壓所致，進氣管路中(在節氣門與渦輪之間)的空氣壓力會迅速提高。為了保護增壓系統，當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)導回至濾清器與渦輪之間，實現降壓保護的功能。　　Blow-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(導致進氣壓力下降)。而且在節氣門關閉后，Blow-off Valve 是將剩余壓力直接向大氣釋放，并非再導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的效果外，在泄壓反應上也比起原廠配置的Relief Valve 更為優異。但對于小排量或小增壓的渦輪發動機來說，Blow-off Valve對再加油的動力響應會變差。另外Blow-off Valve 泄壓時會產生更大的泄氣聲，令人聽得更為興奮，也成為渦輪增壓車最為特殊的音效。 [編輯本段]國內市場主流渦輪增壓發動機　　2008年Wardsauto世界十佳發動機中的前三名,全部被渦輪增壓發動機占據,其中第一名為大眾公司的2.0TFSI發動機；第二名為寶馬公司的3.0T I6發動機；第三名是戴姆勒公司的V6 3.0T 柴油發動機。此外，馬自達公司的2.3T在十佳發動機中位列第六。渦輪增壓發動機已經連續多年在世界十　　目前公認的發動機發展方向是追求高升功率，渦輪增壓發動機自1977年面世以來就一直在這一方面獨占鰲頭。隨著國際廠商的大舉進入，中國市場上配備渦輪增壓發動機的車型越來越多，而自主品牌也逐漸開始了帶“T”發動機的研發與生產。“T車”不僅在公商務領域獨樹一幟，如今也在向家轎市場滲透。　　■ 大眾1.8T　　最大功率：110千瓦　　最大扭矩：210牛·米　　裝備車型：一汽大眾速騰、上海大眾帕薩特、上海大眾領馭、上海大眾途安、甲殼蟲、A4　　這款1.8T發動機，是由大眾1993年推出的EA113系列直列四缸水冷發動機改進而來。在當今眾多的高科技渦輪增壓發動機中，這款1.8T發動機的參數并不顯眼，然而就是這樣一款老式的鑄鐵發動機，卻為大眾在中國立下了汗馬功勞，貫穿了大眾在華投產的數代產品。從最早的帕薩特、寶來和奧迪A6，到今天的領馭和速騰，這款1.8T發動機一直在服役。　　大眾1.8T發動機中也存在著一些經過技術改進的型號，比如一汽大眾速騰和進口大眾甲殼蟲的1.8T發動機，最大功率110千瓦，最大扭矩220牛·米；奧迪A4搭載的1.8T發動機最大功率為120千瓦，最大扭矩為225牛·米。　　■ 大眾1.8TSI　　最大功率：118千瓦　　最大扭矩：250牛·米　　裝備車型：一汽大眾邁騰、上海大眾斯柯達明銳　　作為老款1.8T的換代產品，從去年開始，采用FSI（缸內燃油直噴）技術的1.8TSI發動機裝備在大眾的新車型上。新技術的運用，不僅將發動機的功率和扭矩提升了一大截，還將油耗降了下來。　　隨著大眾與一汽合資建設的大連發動機工廠的逐步完善，1.8TSI將全面取代1.8T發動機,目前速騰的發動機升級工作正在進行之中。不過技術的提升是否會為消費者帶來額外的售后服務支出，還有待觀望。　　■ 大眾2.0TSI　　最大功率：147千瓦　　最大扭矩：280牛·米　　裝備車型：邁騰、高爾夫GTI、EOS、奧迪A4、奧迪A6L　　目前，中國是大眾品牌全球第一大市場、奧迪品牌全球第二大市場，那么大眾將這款位列今年世界十佳發動機榜首的2.0TSI發動機帶來，也算是對中國市場的回報了。147千瓦的高功率和280牛·米的高扭矩，全面超過了目前市面上主流的2.4升發動機，配在中高檔商務車和運動型轎車再合適不過了。　　不過耐人尋味的是，國產A6L所搭載的2.0TSI發動機不知為何功率“縮水”了，僅為125千瓦,難道是在為“行政級排量”的2.4升車型讓路？　　■ 上汽1.8T　　最大功率：118千瓦　　最大扭矩：215牛·米　　裝備車型：榮威750、榮威550、名爵MG7、華泰勝達菲·躍　　在上南合并之前，榮威和名爵雖然分別擁有自己的1.8T發動機，但其技術卻是同源，都是原MG Rover的研究成果，這一點從他們各自發動機的性能參數就可見一斑。隨著上南整合的深入，雙方的1.8T發動機也不再分彼此，臨港發動機工廠和南京動力總成工廠的產品，也將在上汽“五個統一”的總發展規劃下真正成為“一家人”。　　上世紀90年代歐洲的發動機技術，如今在上汽的手中得以重新運用與改良，并為中國消費者提供了相對便宜的“T車”。除了供應榮威和名爵兩個品牌的車型之外，上汽的1.8T發動機也向其他廠商銷售，自主品牌SUV生產企業華泰汽車就是首批受益者。　　■ 華晨1.8T　　最大功率：125千瓦　　最大扭矩：235牛·米　　裝備車型：尊馳、駿捷、酷寶　　攜手德國FEV公司共同開發出的1.8T發動機，令華晨成為最早推出“T車”的自主車企。因為技術較新，所以從性能參數上看，華晨的這顆“中國芯”要比大眾和上汽的1.8T發動機都要強勁。　　同一款渦論增壓發動機，配備在華晨旗下的公商務車、家用轎車和轎跑車上，可見它對于華晨產品規劃的重要性。在掌握汽車重要零部件核心技術之后，如何將它大規模推向市場，是每一個自主車企都要認真思考的問題。　　■ 沃爾沃2.5T　　最大功率：147千瓦/162千瓦　　最大扭矩：300牛·米/320牛·米　　裝備車型：S40、S80、XC90、C70　　常見的發動機，汽缸排列有以下幾種：直列4缸（L4）、直列6缸（L6，寶馬特有）、V型6缸（V6）、V型8缸（V8）、V型10缸（V10）、V型12缸（V12）和大眾特有的W型12缸（W12）。發動機的汽缸數一般都為偶數，而沃爾沃的很多車型卻搭載了罕見的直列5缸（T5）發動機。　　別出心裁的發動機設計帶給沃爾沃汽車出眾的動力性能，除了定位行政級用車的S80外，其他沃爾沃車型所搭載的T5發動機均經過高性能調校。這款2.5T發動機還裝備在海外版福特蒙迪歐的頂配車型上。　　■ 薩博2.0T　　最大功率：129千瓦/154千瓦　　最大扭矩：265牛·米/300牛·米　　裝備車型：薩博9-3　　制造飛機出身的薩博，是世界上第一個將渦輪增壓發動機運用在民用汽車上的廠商，可以被稱為民用“T車”的鼻祖。能夠讓薩博9-3如飛機一樣實現“貼地飛行”的正是薩博2.0T系列發動機。目前，在中國市場上的薩博9-3搭載了兩款不同的2.0T發動機，它們分別是Linear2.0T和Vector2.0TS，兩者除了裝備上的差異之外，最大的不同在于前者采用的是輕渦輪增壓發動機，后者則是采用了動力更加強勁的強渦輪增壓技術。: 回答者：網友

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