渦輪增壓器
渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)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(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增加，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率了。
結(jié)構(gòu)原理
首先說說渦輪增壓器的大概結(jié)構(gòu)原理，廢氣渦輪增壓器主要由泵輪和渦輪組成，當(dāng)然還有其他一些控制元件。泵輪和渦輪由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)泵輪，泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承，由機(jī)油來進(jìn)行潤滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。以前，渦輪增壓器大都用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，因?yàn)槠秃筒裼偷娜紵绞讲灰粯?，因此發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓器的形式也有所區(qū)別。
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，它進(jìn)入氣缸的不是空氣，而是汽油與空氣的混合氣，壓力過大容易爆燃。因此，安裝渦輪增壓器必須要避免爆燃，這里涉及兩個(gè)相關(guān)問題，一個(gè)是高溫控制，另一個(gè)是點(diǎn)火時(shí)間控制。
強(qiáng)制性增壓后，汽油機(jī)壓縮和燃燒時(shí)的溫度和壓力都會(huì)增加，爆燃傾向增加。另外，汽油機(jī)排氣溫度比柴油機(jī)高，而且不宜采用增大氣門重疊角（進(jìn)、氣排門同時(shí)開啟的時(shí)間）方式來加強(qiáng)排氣的降溫，降低壓縮比又會(huì)造成燃燒不充分。還有，汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)高，空氣流量變化大，很容易造成渦輪增壓器反應(yīng)滯后。針對(duì)汽油機(jī)使用渦輪增壓器出現(xiàn)的一系列問題，工程師有針對(duì)性地一一做了改進(jìn)，使汽油機(jī)也能用上廢氣渦輪增壓器。
中冷器
溫度增高，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝置降低進(jìn)氣溫度的設(shè)備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進(jìn)氣管之間，對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風(fēng)冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過冷卻而逸散到大氣中去。據(jù)測(cè)試，性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比能保持一定值而不會(huì)產(chǎn)生爆燃，同時(shí)降低溫度也可提高進(jìn)氣壓力，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。
葉輪
由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬，空氣流量變化大，因此渦輪增壓器的壓縮葉輪外形是復(fù)雜的三元曲面超薄壁葉輪片，一般有12～30片葉，呈放射線狀曲線排列，葉片厚度在0.5毫米以下，采用鋁材用特殊鑄造法制作。葉片形狀的優(yōu)劣直接影響到到渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。葉輪形狀角度越合理，質(zhì)量越輕，葉輪的啟動(dòng)就越靈敏，渦輪增壓器的天生缺陷“反應(yīng)滯后”也就越小。
爆燃傳感器
除了降低溫度來減少爆燃的可能外，還要采用爆燃傳感器，它的作用就是在產(chǎn)生爆燃之時(shí)，傳感器感到不正常的振動(dòng)會(huì)立即將信息反饋至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（電子控制單元）控制系統(tǒng)，將點(diǎn)火定時(shí)稍推遲一點(diǎn)，不產(chǎn)生爆燃的時(shí)候再恢復(fù)正常點(diǎn)火定時(shí)。
其他
由于轎車汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)高，空氣流速快而且變化范圍大，因此它的渦輪增壓器有更高的要求?，F(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)已普遍采用電子噴射系統(tǒng)，在電子控制技術(shù)及新材料的配合下，渦輪增壓器在汽油機(jī)上的應(yīng)用也會(huì)日益普遍。
轎車用的廢氣渦輪增壓器都采用單入口渦輪外殼，也就是說只利用廢氣排氣的壓力能量，不需使用其它的輔助能量。由于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍大，因此廢氣渦輪增壓器必須要有調(diào)節(jié)裝置，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得比較恒定的增壓壓力。另外，汽油機(jī)是點(diǎn)燃式點(diǎn)火，它的壓縮比是有一定范圍限制的，過高就會(huì)引發(fā)爆燃。因此，還要有爆燃檢測(cè)及控制機(jī)構(gòu)，隨時(shí)調(diào)整點(diǎn)火提前角。
轎車的廢氣渦輪增壓器一般安裝在排氣管附近，渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接，同步旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)不需要增壓時(shí)，例如怠速或者有爆燃先兆時(shí)，一部分排氣會(huì)通過旁通閥泄出而不進(jìn)入渦輪增壓器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘達(dá)到2000轉(zhuǎn)時(shí)，電磁閥就會(huì)關(guān)閉旁通閥讓排氣流指向渦輪一側(cè)，使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。另外還有一種設(shè)計(jì)，就是調(diào)節(jié)渦輪葉片的角度，通過阻力的改變來調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速，從而改變?cè)鰤毫俊?
對(duì)空氣進(jìn)行冷卻可以使空氣收縮增大密度，在同等容積下塞進(jìn)更多空氣，還可以防止爆燃。因此轎車的渦輪增壓器都安裝有中間冷卻器，這種中間冷卻器一般用空氣冷卻，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器前面、旁邊或者單獨(dú)一個(gè)位置，利用汽車迎面氣流或者自身風(fēng)扇冷卻。
渦輪增壓器的關(guān)鍵零件是軸承。這種根據(jù)潤滑形式命名的軸承被稱為“全浮式軸承”，工作轉(zhuǎn)速極高，工作環(huán)境惡劣。因此，保證潤滑是非常重要的事情。如果因油壓低導(dǎo)致機(jī)油供給緩慢，就會(huì)損壞軸承從而導(dǎo)致渦輪增壓器失效。在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是不會(huì)發(fā)生此類故障的，但如果發(fā)動(dòng)機(jī)更換機(jī)油和機(jī)油過濾器后第一次啟動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)油供給緩慢現(xiàn)象，使軸承缺乏機(jī)油潤滑。在這種情況下，啟動(dòng)后要怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3分鐘左右，不可直接將轉(zhuǎn)速提升到渦輪增壓器啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。同樣，在高速及上坡后也不要使發(fā)動(dòng)機(jī)立即停止，要使發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)怠速運(yùn)行1分鐘左右，使仍繼續(xù)空轉(zhuǎn)的渦輪增壓器軸承不會(huì)缺油。因此，使用渦輪增壓器汽車的司機(jī)，一定要遵循廠家的指示操作，還要十分注意機(jī)油的質(zhì)量，不宜將渦輪增壓器汽車視同一般汽車進(jìn)行操作。
增壓器分類
汽車要跑得快，就須要有強(qiáng)勁的動(dòng)力。目前汽車的動(dòng)力系統(tǒng)可粗分為自然進(jìn)氣系統(tǒng)及增壓進(jìn)氣系統(tǒng)兩大類。在歐洲跑車中，除了寶馬汽車公司依然堅(jiān)持使用自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)外，其他各汽車公司為了提升車輛的動(dòng)力性能，紛紛采用增壓系統(tǒng)，例如：奔馳跑車使用機(jī)械增壓系統(tǒng)，紳寶汽車則為渦輪增壓的開山鼻祖。近年日系汽車也開始大量采用渦輪增壓技術(shù)。自然進(jìn)氣系統(tǒng)沒有安裝任何形式的增壓器，只是利用活塞下行所產(chǎn)生的負(fù)壓來吸進(jìn)混合氣。雖然自然進(jìn)氣系統(tǒng)通過可變氣門正時(shí)系統(tǒng)能夠得到較大的馬力輸出，但動(dòng)力的提升很有限。為了有效增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，采用增壓系統(tǒng)可說是有效的方式。
常見的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)有機(jī)械增壓與廢氣渦輪增壓兩種。
機(jī)械增壓
發(fā)動(dòng)機(jī)以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器進(jìn)行增壓，稱為機(jī)械增壓。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械增壓時(shí)，通常由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過齒輪驅(qū)動(dòng)增壓器。增壓器一般采用離心式或羅茨壓氣機(jī)，個(gè)別的采用螺桿式壓氣機(jī)。近年來，在國外也開始采用新型的機(jī)械渦旋式增壓器。因?yàn)轵?qū)動(dòng)壓氣機(jī)消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)一定的輸出功率，所以機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率不一定得到改善，有時(shí)反而比非增壓內(nèi)燃機(jī)還低些。選擇增壓壓力時(shí)，首先要保證能達(dá)到所要求的平均有效壓力，其次要獲得盡可能低的燃油消耗率。擔(dān)這兩個(gè)要求對(duì)于機(jī)械增壓來說常常是相互矛盾的。如果追求平均有效壓力，則必然導(dǎo)致機(jī)械效率降低，燃油消耗率升高。因此，增壓壓力值的選取應(yīng)在功率和燃油消耗率兩者之間尋求良好的妥協(xié)方案。機(jī)械增壓系統(tǒng)目前在歐洲車上用得較普遍。由于機(jī)械增壓的增壓機(jī)是在曲軸的帶動(dòng)下持續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不動(dòng)產(chǎn)生像渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象。機(jī)械增壓雖然只能提升約10%20%的動(dòng)力輸出，但平順連續(xù)性是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所不及的。
廢氣渦輪增壓
利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，稱為廢氣渦輪增壓（簡稱渦輪增壓），如圖所示是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)是在渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒有機(jī)械連接。它們之間靠氣路相通。因?yàn)閴簹鈾C(jī)消耗的功是渦輪從廢氣中回收的一部分能量，所以渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而且可以提高其熱效率，降低燃油消耗率。如果在轎車尾部看到Turbo或者T的標(biāo)識(shí)，即表明該車采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是渦輪增壓的。渦輪增壓器實(shí)際上是臺(tái)空氣壓縮機(jī)，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性推動(dòng)渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的空氣，使空氣增壓后進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步提高，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃油，相應(yīng)增加油量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。
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