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渦輪增壓起什么作用？工作原理是？

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-08-07

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使用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車型現(xiàn)在越來越多，到底什么是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，它的基本結(jié)構(gòu)和工作理又如何呢?現(xiàn)在坊間越來越多車迷朋友知道渦輪增壓可以提升動(dòng)力，但卻不知道它是如何完成，如果要改裝又應(yīng)如何改動(dòng)?一切的一切，我們都需要從渦輪增壓系統(tǒng)的基本原理談起。　影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(jìn)汽缸，提高容積效率(更多的空氣將帶來更大的動(dòng)力)。排量為3000cc 的引擎所能夠產(chǎn)生的馬力與扭矩，在理論上必然會(huì)比相同設(shè)計(jì)的2000cc 引擎來得大。那么如何把2.0L 汽缸內(nèi)的容積效率提升到接近甚至超過3.0L 呢?　　NA動(dòng)力提升方法一般的NA(自然進(jìn)氣)發(fā)動(dòng)機(jī)的做法，逃不開加大節(jié)氣門口徑，或換多喉直噴等，使高轉(zhuǎn)速時(shí)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(zhuǎn)數(shù)后，作用就有限了。畢竟NA 發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)相對(duì)的限度?！　∮械腘A 發(fā)動(dòng)機(jī)改用高角度凸輪軸(Hi Cam，借此增加進(jìn)排氣門重疊角度)，可以在高轉(zhuǎn)速下獲得高動(dòng)力，但缺點(diǎn)是低轉(zhuǎn)的扭矩較差，而且如果角度過大，會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)的現(xiàn)象。所以現(xiàn)在不少的新車都用上可變氣門正時(shí)技術(shù)，再配合可變凸輪軸等技術(shù)(如VVTL-i、i-VTEC、MIVEC)……以期在低轉(zhuǎn)扭矩和高轉(zhuǎn)馬力之間取得很好的平衡?！　〉幢闶怯帽M以上方法，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率頂多提高60%。NA 發(fā)動(dòng)機(jī)始終無法避免其宿命——空氣是被動(dòng)地被吸入汽缸內(nèi)的。也就是說，引擎所需的空氣完全依靠活塞下行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓而進(jìn)入，即便汽缸吸滿了空氣，缸中氣壓也就小于或等于一個(gè)大氣壓。所以NA 發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率始終遠(yuǎn)不如能將空氣與燃油強(qiáng)制送入的汽缸中，可輕松獲得一倍以上馬力的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)?！　u輪增壓系統(tǒng)原理解構(gòu)　　渦輪系統(tǒng)是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中最常見的增壓系統(tǒng)之一?！　∪绻谙嗤膯挝粫r(shí)間里，能夠把更多的空氣及燃油的混合氣強(qiáng)制擠入汽缸(燃燒室)進(jìn)行壓縮燃爆動(dòng)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(zhuǎn)速下產(chǎn)生較自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)更大的動(dòng)力輸出。渦輪增壓利用廢氣驅(qū)動(dòng)，基本沒有額外的能量損耗(對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有額外的負(fù)擔(dān))，便能輕易地創(chuàng)造出大馬力，是非常聰明的設(shè)計(jì)。情形就像你拿一臺(tái)電風(fēng)扇向汽缸內(nèi)吹，硬是把風(fēng)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(gè)扇子不是用電動(dòng)馬達(dá)，而是用引擎排出的廢氣來驅(qū)動(dòng)。　　一般而言，引擎在配合這樣的一個(gè)“強(qiáng)制進(jìn)氣”的動(dòng)作后，起碼都能提升30%-40% 的額外動(dòng)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(dòng)力得以大幅提升，原本就是渦輪增壓系統(tǒng)所能提供給車輛最大的價(jià)值所在?！　≡撓到y(tǒng)包括渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)氣旁通閥、排氣旁通閥及配套的進(jìn)排氣管道?！　u輪增壓系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理。　　一，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，推動(dòng)渦輪排氣端的渦輪葉輪(Turbine Wheel)②，并使之旋轉(zhuǎn)。由此便能帶動(dòng)與之相連的另一側(cè)的壓氣機(jī)葉輪(Turbine Wheel) ③也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)?！　《瑝簹鈾C(jī)葉輪把空氣從進(jìn)風(fēng)口強(qiáng)制吸進(jìn)，并經(jīng)葉片的旋轉(zhuǎn)壓縮后，再進(jìn)入管徑越來越小的壓縮通道作二次壓縮，這些經(jīng)壓縮的空氣被注入汽缸內(nèi)燃燒?！　∪械陌l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有中冷器，以此降低被壓縮空氣的溫度、提高密度，防止發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震。　　四，被壓縮(并被冷卻后)的空氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸，參與燃燒做功?！　∥?，燃燒后的廢氣從排氣管排出，進(jìn)入渦輪，再重復(fù)以上(一)的動(dòng)作?！　u輪增壓器渦輪增壓器本體是渦輪增壓系統(tǒng)中最重要的部件，也就是我們一般所說的“蝸?！被颉奥葑小?。因渦輪的外形與蝸牛背上的殼或海產(chǎn)攤內(nèi)的海螺十分近似而得名?！　u輪增壓器本體是提高容積效率的核心部件，其基本結(jié)構(gòu)分為：進(jìn)氣端、排氣端和中間的連接部分?！　∑渲羞M(jìn)氣端包括壓氣機(jī)殼體(Compressor Housing，包括壓氣機(jī)進(jìn)風(fēng)口(Compressor Inlet)、壓氣機(jī)出風(fēng)口(Compressor Discharge)、壓氣機(jī)葉輪(Compressor Wheel)?！　《艢舛税u輪殼體(Turbine Housing，其中包括渦輪進(jìn)風(fēng)口(Turbine Inlet)、渦輪出風(fēng)口(TurbineDischarge)、渦輪葉輪(Turbine Wheel)。　　在兩個(gè)殼體間負(fù)責(zé)連接兩者的，還有一個(gè)軸承室(CenterHousing)，安裝有負(fù)責(zé)連接并承托起壓氣機(jī)葉輪、渦輪葉輪，應(yīng)付上萬轉(zhuǎn)速的渦輪軸(Shaft)，以及與之對(duì)應(yīng)的機(jī)油入口(Oil Inlet)、機(jī)油出口(OilOutlet)等(甚至包括水入口和出口)?！　　案邷亍笔菧u輪增壓器運(yùn)作時(shí)面臨的最大考驗(yàn)。渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先接觸的便是由引擎排出的高溫廢氣(第一熱源)，其推動(dòng)渦輪葉輪并帶動(dòng)了另一側(cè)的壓氣機(jī)葉輪同步運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)葉片輪軸的轉(zhuǎn)速動(dòng)輒120000-160000rpm。所以渦輪軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱量非常驚人(第二熱源)，再加上空氣經(jīng)壓氣機(jī)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(yán)峻的高溫負(fù)擔(dān)。渦輪增壓器成為一個(gè)集高溫原件于一體的獨(dú)立工作系統(tǒng)。所以“散熱”對(duì)于渦輪增壓器非常重要。渦輪本體內(nèi)部有專門的機(jī)油道(散熱及潤滑)，有不少更同時(shí)設(shè)計(jì)有機(jī)油道以及水道，通過油冷及水冷雙重散熱，降低增壓器溫度?！　u輪軸　　渦輪軸(Bearing)看起來只是簡單的一根金屬管，但實(shí)際上它是一個(gè)肩負(fù)120000-160000rpm 轉(zhuǎn)動(dòng)及超高溫的精密零件。其精細(xì)的加工工差、精深的材料運(yùn)用和處理正是所有渦輪廠最為核心的技術(shù)。傳統(tǒng)的渦輪軸使用波司軸承(Bushing Bearing)結(jié)構(gòu)。它確實(shí)只是一根金屬管，其完全倚仗高壓進(jìn)入軸承室的機(jī)油實(shí)現(xiàn)承托散熱，因此才能高速地轉(zhuǎn)動(dòng)?！　《陆霈F(xiàn)的滾珠軸承(Ball Bearing)逐漸成為渦輪軸發(fā)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(jī)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(yīng)(可減少渦輪遲滯)，并對(duì)動(dòng)力的極限榨取更有利;它對(duì)渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)控制更穩(wěn)定(傳統(tǒng)的是靠機(jī)油做軸承，行程漂浮);對(duì)機(jī)油壓力和品質(zhì)的要求相對(duì)可以降低，間接提高了渦輪的使用壽命。但其缺點(diǎn)是耐用性不如傳統(tǒng)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(fèi)昂貴。因此重視耐久性的渦輪制造廠( 如KKK) 就不會(huì)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(shè)計(jì)，讓廢氣沖撞而產(chǎn)生回旋力量，直接與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)合)，及“風(fēng)車式”葉片(外形為彎曲型葉片設(shè)計(jì)，除了利用沖撞的力量以外，還能有效利用氣流進(jìn)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(shù)會(huì)影響馬力線性，理論上來說，葉片數(shù)愈少，低速響應(yīng)較差，但高速時(shí)的爆發(fā)力與持續(xù)力卻不是多葉片可比擬的?！　u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(shù))，但由于鐵本身的質(zhì)量較大，于是又輕又強(qiáng)的鈦合金葉片因此產(chǎn)生。只是在量產(chǎn)車中，現(xiàn)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(hào)為TD05-HRA，一般的則為TD05-HR 請(qǐng)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?！　簹鈾C(jī)葉輪　　葉片是渦輪的動(dòng)力來源。但壓氣機(jī)葉輪及渦輪葉輪各有不同的功用，因此葉片外形當(dāng)然也不一樣。壓氣機(jī)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(wù)，然后再加以決定其形狀?！　∫话阍瓘S渦輪的壓氣機(jī)葉輪(Compressor Wheel) 都使用全葉片的設(shè)計(jì)，即葉片是整片從頂端到末端的設(shè)計(jì)。而為了增加吸入空氣的通路面積，提升高速回轉(zhuǎn)時(shí)的效率，目前已出現(xiàn)了許多在全葉片旁穿插安裝半塊葉片的葉輪(此種設(shè)計(jì)多出現(xiàn)在改裝品上)?！　《鴫簹鈾C(jī)葉輪設(shè)計(jì)的另一個(gè)目的是讓壓縮空氣的流速均等化。傳統(tǒng)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(yùn)轉(zhuǎn)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?yàn)槲胱枇盎貕毫Φ纫蛩兀魉佥^慢。當(dāng)節(jié)氣門半開時(shí)，壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)入壓縮輪的空氣速度就會(huì)降低。而之前已被壓縮的空氣量如果此時(shí)相對(duì)過多，便會(huì)出現(xiàn)“真空”的狀態(tài)，無法輸送空氣(壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速無法產(chǎn)生大于進(jìn)氣管中氣壓的壓力)，相對(duì)壓力也就無法產(chǎn)生了(壓力回饋)，這也就是所謂的“氣體剝離” (Compressor Surge) 現(xiàn)象?！　∷^的Surge 效應(yīng)，就好比我們用手去攪動(dòng)水桶里的水，當(dāng)手?jǐn)噭?dòng)的速度愈快，水桶里的水就會(huì)愈來愈向水桶邊緣擴(kuò)散，接著水桶里的水位也就會(huì)愈來愈低，到最后水桶里的水則變成只能在水桶周圍旋轉(zhuǎn)，而無法落下。這樣的現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在空氣流體力學(xué)上。大家可以試想：壓氣機(jī)進(jìn)風(fēng)口就好比是一個(gè)水桶，周圍空氣就像是水，至于渦輪葉片就好比是攪動(dòng)的手，當(dāng)渦輪葉片轉(zhuǎn)速一旦提升，進(jìn)氣口內(nèi)的氣流就會(huì)逐漸向周圍擴(kuò)散，轉(zhuǎn)速提升愈高，氣流就愈向周圍靠近，導(dǎo)致渦輪葉片中央位置會(huì)愈來愈吸不到空氣，到最后甚至?xí)尸F(xiàn)真空的狀態(tài)，使得空氣只能從葉片周圍進(jìn)入，進(jìn)氣效率當(dāng)然也就會(huì)跟著下降，這樣的現(xiàn)象就是所謂的Surge 效應(yīng)。而迎風(fēng)角度大的葉片，進(jìn)氣效率雖較好，但卻容易在高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生Surge 效應(yīng)，而角度較小的葉片則反之?！　榱朔乐埂皻怏w剝離”現(xiàn)象，把葉片角度設(shè)計(jì)成向運(yùn)轉(zhuǎn)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?！靶绷鳌比~片通常都在原有的主葉片下，多加半個(gè)葉片(一般其角度更接近渦輪軸線方向，即更豎直)。若從進(jìn)氣入口正視壓氣機(jī)葉輪，可看到兩個(gè)葉片重疊，就代表這是“斜流” 葉輪。而Hybrid Turbine 的壓氣機(jī)葉輪通常亦會(huì)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(fēng)量。此外，還有壓氣機(jī)進(jìn)風(fēng)口處加設(shè)循環(huán)排氣孔，讓流失的壓縮空氣2次循環(huán)來減少surge效應(yīng)的新設(shè)計(jì)(此處不贅述，HKS T04Z 便有此設(shè)計(jì))?！　?nèi)置式排氣旁通閥　　內(nèi)置式排氣旁通閥(Internal Wastegate，俗稱Actuator)，是目前渦輪系統(tǒng)中最常見的泄壓裝置，一般又被稱為連動(dòng)式排氣泄壓閥?！癆ctuator”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(dá)到限定的程度，進(jìn)氣壓力便會(huì)推“Actuator”的連桿，使渦輪排氣側(cè)內(nèi)的旁通閥門開啟，部分廢氣不經(jīng)渦輪葉輪(Turbine Wheel)直接排到排氣管。這樣減少“吹動(dòng)”渦輪葉輪的廢氣流量，渦輪葉輪轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速降低。因此“Actuator”既是限制渦輪最高轉(zhuǎn)速的裝置，也是使渦輪進(jìn)氣端增壓壓力維持一個(gè)穩(wěn)定值(不會(huì)長時(shí)間過高)的裝置?！　⊥庵檬脚艢馀酝ㄩy　　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(jié)構(gòu)與安裝位置有別。結(jié)構(gòu)上“Wastegate”省去了連桿和在渦輪內(nèi)的排氣閥門。而位置上“Wastegate”以獨(dú)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(dá)到設(shè)定上限，“Wastegate”排出( 可直接排向大氣或?qū)Щ嘏艢夤軆?nèi)) 多余的廢氣，減少“吹動(dòng)”渦輪葉輪的廢氣流量，進(jìn)而使渦輪保持穩(wěn)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(yīng)靈敏，所以更適合用在大馬力或高增壓渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)出風(fēng)口與節(jié)氣門之間的“散熱排”。其構(gòu)造有點(diǎn)像水箱，就是運(yùn)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(fēng)吹過與細(xì)管相連的散熱鰭片，達(dá)到冷卻壓縮空氣的目的，使進(jìn)氣溫度較為接近常溫?！　∫孀畈幌矚g高溫的氣體，因?yàn)楦邷乜諝鈺?huì)使馬力下降。特別是四季炎熱的亞熱帶地區(qū)。但由于渦輪增壓器會(huì)把吸進(jìn)引擎的氣體進(jìn)行強(qiáng)制壓縮，從而使空氣密度提高，但與此同時(shí)，空氣的溫度也會(huì)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(jīng)冷卻即進(jìn)入高溫的汽缸，將導(dǎo)致燃油的不規(guī)則預(yù)燃(爆震)，使引擎溫升進(jìn)一步加劇，增加了熔毀活塞的可能?！　榱颂嵘諝饷芏?，同時(shí)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(jìn)氣的溫度。中冷器因此而產(chǎn)生。中冷器的面積及厚度越大，其散熱能力越強(qiáng)。因?yàn)槊娣e和厚度大，其內(nèi)的小扁管數(shù)量、長度和散熱葉片等皆隨之增加，中冷器內(nèi)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(shí)間，熱交換(散熱)的面積和時(shí)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(jìn)氣容度，會(huì)帶來相對(duì)的壓力損失，TurboLag 容易變大。　　進(jìn)氣旁通閥　　進(jìn)氣旁通閥(ReliefValve)一般又稱為“進(jìn)氣泄壓閥”。它安裝在靠近節(jié)氣門的進(jìn)氣管上，它是大部分渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)原配的泄壓裝置?！　∮捎跍u輪是利用廢氣排出的力量來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)駕駛過程中收油門(如換擋、急剎車時(shí))，節(jié)氣門關(guān)閉。渦輪葉片(壓氣機(jī)葉輪)在慣性作用下仍舊持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)因節(jié)氣門的截?cái)嗪腿~片的繼續(xù)增壓所致，進(jìn)氣管路中(在節(jié)氣門與渦輪之間)的空氣壓力會(huì)迅速提高。為了保護(hù)增壓系統(tǒng)，當(dāng)壓力達(dá)到某一限定值后，進(jìn)氣旁通閥打開，把過剩的空氣(壓力)導(dǎo)回至濾清器與渦輪之間，實(shí)現(xiàn)降壓保護(hù)的功能。　　Blow-Off Valve(BOV)即俗稱的“放氣哇佬”，同樣屬于進(jìn)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(huì)像Relief Valve那樣容易受到進(jìn)氣壓力的影響而開啟(導(dǎo)致進(jìn)氣壓力下降)。而且在節(jié)氣門關(guān)閉后，Blow-off Valve 是將剩余壓力直接向大氣釋放，并非再導(dǎo)于渦輪與濾清器之間再度增壓。因此BlowoffValve 除了同樣具有保護(hù)渦輪系統(tǒng)的效果外，在泄壓反應(yīng)上也比起原廠配置的Relief Valve 更為優(yōu)異。但對(duì)于小排量或小增壓的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)來說，Blow-off Valve對(duì)再加油的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)變差。另外Blow-off Valve 泄壓時(shí)會(huì)產(chǎn)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。: 回答者：網(wǎng)友

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