引言

當(dāng)人們談?wù)撡愜嚮蚋咝阅芘苘嚂r(shí)，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(dòng)機(jī)中。渦輪可以顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力，而不會(huì)大幅度增加發(fā)動(dòng)機(jī)重量，這也是渦輪增壓器如此受歡迎的一個(gè)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。同時(shí)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(duì)流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮（有關(guān)普通發(fā)動(dòng)機(jī)中氣流的介紹，請(qǐng)參考汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理）。壓縮空氣可以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)⒏嗟目諝鈮旱綒飧桌?，而更多空氣就意味著能向氣缸?nèi)注入更多的燃料。因此，每個(gè)氣缸的燃燒沖程就能產(chǎn)生更多動(dòng)力。 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力要比相同普通發(fā)動(dòng)機(jī)大得多。這樣就可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力重量比（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)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(dòng)機(jī)排出的廢氣帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪則帶動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的30倍。同時(shí)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(shí)

增加發(fā)動(dòng)機(jī)所能燃燒的燃料和空氣是提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(shí)這些方法并不可行。這時(shí)使用渦輪將是增加動(dòng)力更簡(jiǎn)便、有效的方法，尤其在購(gòu)買后自行改裝時(shí)更是如此。

 

渦輪增壓器使發(fā)動(dòng)機(jī)能將更多的燃料和空氣注入氣缸，從而使發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)中注入的空氣會(huì)增加50%。從而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部動(dòng)力可增加50%。 但上述過(guò)程并不能完全實(shí)現(xiàn)，實(shí)際動(dòng)力可能增加30-40%。

在使用渦輪增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力過(guò)程中，有一個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致渦輪效率低下，那就是需要?jiǎng)恿?dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。將渦輪裝在排氣管內(nèi)會(huì)增加排氣管內(nèi)的空氣阻力。 這意味著，發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣沖程時(shí)，不得不克服更高的負(fù)壓。這會(huì)稍微減少發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)減小，因?yàn)樵诨钊拿總€(gè)沖程中，發(fā)動(dòng)機(jī)都只能獲得少量的空氣。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可能同樣會(huì)減小動(dòng)力，但減小量會(huì)少很多，因?yàn)橄”〉目諝鈺?huì)更容易被渦輪增壓器抽入發(fā)動(dòng)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(huì)自動(dòng)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(huì)在作相同的調(diào)整。燃料噴射系統(tǒng)通過(guò)裝在排氣管內(nèi)的氧氣含量傳感器來(lái)判斷空燃比是否正確，因此加裝渦輪后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(guò)多地增加空氣壓縮率，系統(tǒng)可能無(wú)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(wú)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(duì)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(dòng)機(jī)的排氣歧管。氣缸內(nèi)排出的尾氣帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，與燃?xì)廨啓C(jī)類似。 渦輪通過(guò)軸與安裝在空氣過(guò)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(guò)渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)。 流過(guò)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(shí)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(huì)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(gè)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(shí)遇到的摩擦。

 

在為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)渦輪增壓機(jī)時(shí)，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(shuō)明其如何影響渦輪增壓機(jī)的性能。

 

過(guò)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(qǐng)參考汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理示例），所以發(fā)生爆震的危險(xiǎn)會(huì)增大。爆震之所以會(huì)發(fā)生，是因?yàn)榭諝獗粔嚎s時(shí)溫度會(huì)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(dòng)機(jī)爆震。如果增壓壓力確實(shí)非常高，就必須降低發(fā)動(dòng)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(gè)主要問(wèn)題是：當(dāng)踩下油門時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)立即產(chǎn)生增壓，而是需要幾秒時(shí)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(shí)感，即踩下油門后，要等渦輪轉(zhuǎn)速上升，汽車才會(huì)加速前進(jìn)。

減少渦輪延時(shí)的方法之一是減小旋轉(zhuǎn)件的慣性，這主要通過(guò)減少旋轉(zhuǎn)件的重量來(lái)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(gè)有效方法。小型渦輪增壓機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)能更快地產(chǎn)生增壓，但無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速、更多空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生更多的增壓。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，更多的尾氣會(huì)經(jīng)過(guò)渦輪，還可能存在使渦輪轉(zhuǎn)速過(guò)快的危險(xiǎn)。

大型渦輪可以在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)。幸運(yùn)的是，我們可以通過(guò)一些小竅門來(lái)克服這些問(wèn)題。

多數(shù)渦輪增壓機(jī)都有一個(gè)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(shí)的同時(shí)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)渦輪旋轉(zhuǎn)過(guò)快。廢氣泄放閥是一個(gè)閥門，它使排出的廢氣繞過(guò)渦輪葉片。 廢氣泄放閥能感知增壓壓力。如果壓力過(guò)高，廢氣泄放閥就會(huì)指示渦輪旋轉(zhuǎn)太快，此時(shí)廢氣泄放閥使一部分尾氣經(jīng)過(guò)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(lái)支承渦輪軸。但它們不是普通的滾珠軸承，而是用高級(jí)材料制造出的高精度軸承，用以應(yīng)對(duì)渦輪增壓器的速度和溫度。渦輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)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(shí)。

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(shí)。

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

空氣被壓縮時(shí)，溫度升高；而空氣溫度升高時(shí)，就會(huì)發(fā)生膨脹。因此當(dāng)使用渦輪增壓時(shí)，空氣在進(jìn)入發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)動(dòng)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(guò)空氣同時(shí)從中間冷卻器的內(nèi)部和外部經(jīng)過(guò)。渦輪吸入的空氣通過(guò)密封管路流過(guò)冷卻器，而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)從它外部的散熱片流過(guò)。

在來(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前，中間冷卻器會(huì)將其冷卻，從而進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(huì)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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