TURBO

TURBO

發動機技術
渦輪增壓(Turbo Boost),是一種利用内燃機(Internal Combustion Engine)運作轉産生的廢氣驅動空氣壓縮機(Air-compressor)的技術。[1]
  • 中文名:渦輪增壓
  • 外文名:Turbo Boost
  • 别名:
  • 功能:提升内燃機的馬力輸出
  • 分類:徑流式渦輪增壓器、軸流式渦輪增壓器等

發展曆史

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,他于1905年申報了此項專利。當時主要應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将渦輪增壓器試探性的裝在其生産的某種車型上。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,它于1977年推出的SAAB99車型将渦輪增壓技術傳播的更廣泛,但那時的渦輪增壓器僅限于裝配在小車的汽油發動機上面。一直到80年代中期,歐美的卡車制造商才将渦輪增壓技術應用在各自的柴油發動機上面,而國産車是在這10年才開始逐漸流行帶渦輪增壓器車型的。

概念

渦輪增壓的英文名字為Turbo,一般來說,如果在轎車尾部看到Turbo或者T,即表明該車采用的發動機是渦輪增壓發動機。

增壓目的

渦輪增壓的主要作用就是提高發動機進氣量,從而提高發動機的功率和扭矩,讓車子更有勁。一台發動機裝上渦輪增壓器後,其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味着同樣一台的發動機在經過增壓之後能夠産生更大的功率。就拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發動機來說,經過增壓之後,動力可以達到2.4L發動機的水平,但是耗油量卻比1.8發動機并不高多少,在另外一個層面上來說就是提高燃油經濟性和降低尾氣排放。

負面影響

不過在經過了增壓之後,發動機在工作時候的壓力和溫度都大大升高,因此發動機壽命會比同樣排量沒有經過增壓的發動機要短,而且機械性能、潤滑性能都會受到影響,這樣也在一定程度上限制了渦輪增壓技術在發動機上的應用。

增壓原理

最早的渦輪增壓器用于跑車或方程式賽車上的,這樣在那些發動機排量受到限制的賽車比賽裡面,發動機就能夠獲得更大的功率。

衆所周知,發動機是靠燃料在汽缸内燃燒做功來産生功率的,由于輸入的燃料量受到吸入汽缸内空氣量的限制,因此發動機所産生的功率也會受到限制,如果發動機的運行性能已處于最佳狀态,再增加輸出功率隻能通過壓縮更多的空氣進入汽缸來增加燃料量,從而提高燃燒做功能力。因此在目前的技術條件下,渦輪增壓器是唯一能使發動機在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機械裝置。

人們可能會覺得渦輪增壓裝置非常複雜,其實并不複雜,渦輪增壓裝置主要是由渦輪室和增壓器組成。首先是渦輪室的進氣口與發動機排氣歧管相連,排氣口則接在排氣管上。然後增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連,排氣口接在進氣歧管上,最後渦輪和葉輪分别裝在渦輪室和增壓器内,二者同軸剛性聯接。

平常所說的渦輪增壓裝置其實就是一種空氣壓縮機,通過壓縮空氣來增加發動機的進氣量,一般來說,渦輪增壓都是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室内的渦輪,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,使之增壓進入汽缸。當發動機轉速增快,廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快,葉輪就壓縮更多的空氣進入汽缸,空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料,相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速,就可以增加發動機的輸出功率了。

增壓類型

機械增壓系統

這個裝置安裝在發動機上并由皮帶與發動機曲軸相連接,從發動機輸出軸獲得動力來驅動增壓器的轉子旋轉,從而将空氣增壓吹到進氣岐道裡。其優點是渦輪轉速和發動機相同,因此沒有滞後現象,動力輸出非常流暢。但是由于裝在發動機轉動軸裡面,因此還是消耗了部分動力,增壓出來的效果并不高。

氣波增壓系統

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

廢氣渦輪增壓系統

這就是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系,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沖力來推動渦輪室内的渦輪,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,廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快,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渦輪,渦輪帶動泵輪旋轉,泵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采用全浮動軸承,由機油來進行潤滑,還有冷卻液為增壓器進行冷卻。

複合增壓系統

即廢氣渦輪增壓和機械增壓并用,機械增壓有助于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。發動機的設計師們于是就設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采用比較多,汽油機上采用雙增壓系統(複合增壓系統)的車型還比較少,大衆的1.4TSI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1500rpm時,兩個增壓器同時提供增壓壓力。

随着轉速的提高,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)采用了這一系統。其發動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小,隻是結構太複雜,技術含量高,維修保養不容易,因此很難普及。

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産很高的熱量,導緻空氣膨脹密度降低,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,原理類似于水箱散熱器,将高溫高壓空氣分散到許多細小的管道裡,而管道外有常溫空氣高速流過,從而達到降溫目的(可以将氣體溫度從150℃降到50℃左右)。由于這個散熱器位于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。

工作環境與保養方法

渦輪增壓器是利用發動機排出的廢氣驅動渦輪,它再怎麼先進還是一套機械裝置,由于它經常處于高速、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,對它的正确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,不能急踩加速踏闆,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于冷卻,正在運行的發動機突然停機後,機油壓力迅速下降為零,機油潤滑會中斷,渦輪增壓器内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,軸承支承殼内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旋轉。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,将停留在增壓器内部的機油熬成積炭。當這種積炭越積越多時就會阻塞進油口,導緻軸套缺油,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左右,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适宜長時間怠速運轉,一般應該保持在10分鐘之内。

3、選擇機油的時候一定要注意。由于渦輪增壓器的作用,使進入燃燒室的空氣質量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内部零部件要承受較高的溫度及更大的撞擊、擠壓和剪切力的工作條件。

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,建立潤滑油模塊,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。

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旋轉的壓氣葉輪,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,那麼廢氣會通過密封環進入發動機潤滑系統,将機油變髒,并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産生“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、着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,會引起渦輪增壓器内滞留的機油過熱而損壞軸承和軸。

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