渦輪增壓
渦輪增壓(Turbo Boost)，是一種利用內(nèi)燃機(jī)(Internal Combustion Engine)運(yùn)作轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動空氣壓縮機(jī)(Air-compressor)的技術(shù)。
發(fā)展歷史
渦輪增壓器(Turbo Booster)的發(fā)明者是誰，比較公認(rèn)的說法是瑞士工程師比希，他于1905年申報(bào)了此項(xiàng)專利。當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)和坦克發(fā)動機(jī)，直到1961年美國通用汽車公司才將渦輪增壓器試探性的裝在其生產(chǎn)的某種車型上。20世紀(jì)70年代成為了渦輪增壓器的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，裝配增壓發(fā)動機(jī)的保時(shí)捷911問世。但讓渦輪增壓技術(shù)煥發(fā)青春的非瑞典SAAB薩博公司莫屬，它于1977年推出的SAAB99車型將渦輪增壓技術(shù)傳播的更廣泛，但那時(shí)的渦輪增壓器僅限于裝配在小車的汽油發(fā)動機(jī)上面。一直到80年代中期，歐美的卡車制造商才將渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用在各自的柴油發(fā)動機(jī)上面，而國產(chǎn)車是在這10年才開始逐漸流行帶渦輪增壓器車型的。
增壓目的
渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺發(fā)動機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺的發(fā)動機(jī)在經(jīng)過增壓之后能夠輸出更大的功率。就拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動力可以達(dá)到2.4L發(fā)動機(jī)的水平，但是耗油量卻并不比1.8L發(fā)動機(jī)高多少，在另外一個(gè)層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。
負(fù)面影響
不過在經(jīng)過了增壓之后，發(fā)動機(jī)在工作時(shí)的壓力和溫度都大大升高，因此發(fā)動機(jī)壽命會比同樣排量沒有經(jīng)過增壓的發(fā)動機(jī)要短，而且機(jī)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(shù)在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。
增壓原理
渦輪增壓工作原理圖，紅色為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣。最早的渦輪增壓器是用于跑車或方程式賽車的，因此在那些發(fā)動機(jī)排量受到限制的賽車比賽里面，發(fā)動機(jī)能夠獲得更大的功率。眾所周知，發(fā)動機(jī)是靠燃料在氣缸內(nèi)燃燒做功來輸出功率的，由于輸入的燃料量受到吸入氣缸內(nèi)空氣量的限制，因此發(fā)動機(jī)所輸出的功率也會受到限制。如果發(fā)動機(jī)的運(yùn)行性能已處于最佳狀態(tài)，再增加輸出功率只能通過壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸來增加燃料量，從而提高燃燒做功能力。因此在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，渦輪增壓器是唯一能使發(fā)動機(jī)在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機(jī)械裝置。
大家可能會覺得渦輪增壓裝置非常復(fù)雜，其實(shí)它并不復(fù)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(jìn)氣口與發(fā)動機(jī)排氣歧管相連，排氣口則接在排氣管上。然后增壓器的進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進(jìn)氣管上，最后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。這就是一個(gè)完整的渦輪增壓裝置，你的發(fā)動機(jī)就好像電腦CPU一樣被“超頻”了。
我們平常所說的渦輪增壓裝置其實(shí)就是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，一般來說，渦輪增壓都是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，葉輪壓縮輸送由空氣濾清器管道來的空氣，使之增壓之后進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣的排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪又壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以使更多的燃料充分燃燒，相應(yīng)的增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)增加發(fā)動機(jī)的輸出功率了。
增壓類型
按排氣能量在渦輪中的利用方式可以分為以下兩種系統(tǒng)：
定壓渦輪增壓系統(tǒng)
定壓渦輪增壓系統(tǒng)是把內(nèi)燃機(jī)所有氣缸的排氣收集到一個(gè)體積足夠大的排氣管內(nèi)，然后再引入渦輪。盡管各缸是交替排氣的，但由于排氣管的穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為定壓增壓系統(tǒng)。
定壓渦輪增壓的主要優(yōu)點(diǎn)是：渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，效率較高；氣流引起的激振較小，不易引起葉片斷裂；排氣系統(tǒng)簡單，成本較低，易于布置維護(hù)。主要缺點(diǎn)是脈沖能量的利用率較低，試驗(yàn)表明，當(dāng)增壓壓力較小時(shí)，定壓增壓系統(tǒng)僅僅利用了排氣能量的12%~15%，高增壓時(shí)可達(dá)30%以上。此外，定壓增壓的內(nèi)燃機(jī)的低速扭矩特性和加速性能較差。
脈沖渦輪增壓系統(tǒng)
脈沖渦輪增壓系統(tǒng)旨在提高在定壓系統(tǒng)中損失能量的利用率。這種方案的特點(diǎn)是排氣管做的短而細(xì)，排氣系統(tǒng)的溶積要盡可能小，使排氣能直接迅速地進(jìn)入渦輪機(jī)中膨脹做功，減少節(jié)流損失。此外，為減少各缸排氣壓力波的相互干擾，往往采用兩根或更多排氣支管將相鄰發(fā)火氣缸的排氣相互隔開。
脈沖系統(tǒng)比定壓系統(tǒng)能更好的利用內(nèi)燃機(jī)的排氣能量，且排氣管容積越小越好，以至于近年來出現(xiàn)了一種將增壓器與排氣管做成一體的緊湊結(jié)構(gòu)。
冷卻系統(tǒng)
中冷器是增壓系統(tǒng)的一部分。當(dāng)空氣被高比例壓縮后會產(chǎn)很高的熱量，導(dǎo)致空氣膨脹密度降低，而同時(shí)也會使發(fā)動機(jī)溫度過高造成損壞。為了得到更高的容積效率，需要在注入氣缸之前對高溫空氣進(jìn)行冷卻。這就需要加裝一個(gè)散熱器，原理類似于水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細(xì)小的管道里，而管道外有常溫空氣高速流過，從而達(dá)到降溫目的（可以將氣體溫度從150℃降到50℃左右）。由于這個(gè)散熱器位于發(fā)動機(jī)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(huán)境與保養(yǎng)方法
渦輪增壓器是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動渦輪，它再怎么先進(jìn)還是一套機(jī)械裝置，由于它經(jīng)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(zhuǎn)速也非常高，因此為了保證增壓器的正常工作，對它的正確使用和維護(hù)十分重要。主要我們要遵循以下的方法：
1、汽車發(fā)動機(jī)啟動之后，不能急踩加速踏板，應(yīng)先怠速運(yùn)轉(zhuǎn)三分鐘，這是為了使機(jī)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，然后才能提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，起步行駛，這點(diǎn)在冬天顯得尤為重要，至少需要熱車5分鐘以上。
2、發(fā)動機(jī)長時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，不能立即熄火。原因是發(fā)動機(jī)工作時(shí)，有一部分機(jī)油供給渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承潤滑和用于冷卻，正在運(yùn)行的發(fā)動機(jī)突然停機(jī)后，機(jī)油壓力迅速下降為零，機(jī)油潤滑會中斷，渦輪增壓器內(nèi)部的熱量也無法被機(jī)油帶走，這時(shí)增壓器渦輪部分的高溫會傳到中間，軸承支承殼內(nèi)的熱量不能迅速帶走，而同時(shí)增壓器轉(zhuǎn)子仍在慣性作用下高速旋轉(zhuǎn)。這樣就會造成渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸與軸套之間“咬死”而損壞軸承和軸。此外發(fā)動機(jī)突然熄火后，此時(shí)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，將停留在增壓器內(nèi)部的機(jī)油熬成積炭。當(dāng)這種積炭越積越多時(shí)就會阻塞進(jìn)油口，導(dǎo)致軸套缺油，加速渦輪轉(zhuǎn)軸與軸套之間的磨損。因此發(fā)動機(jī)熄火前應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)三分鐘左右，使渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。此外值得注意的就是渦輪增壓發(fā)動機(jī)同樣不適宜長時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般應(yīng)該保持在10分鐘之內(nèi)。
3、選擇機(jī)油的時(shí)候一定要注意。由于渦輪增壓器的作用，使進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量與體積有大幅度的提高，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊、更合理，較高的壓縮比，使發(fā)動機(jī)的工作強(qiáng)度更高。機(jī)械加工精度也更高，裝配技術(shù)要求更嚴(yán)格。所有這些都決定了渦輪增壓發(fā)動機(jī)的高溫、高轉(zhuǎn)速、大功率、大扭矩、低排放的工作特點(diǎn)。同時(shí)也就決定了發(fā)動機(jī)的內(nèi)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(jī)油時(shí)，就要考慮到它的特殊性，所使用的機(jī)油必須抗磨性好，耐高溫，建立潤滑油模塊，油膜強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好。而合成機(jī)油或半合成機(jī)油恰好可以滿足這一要求，所以機(jī)油除了最好使用原廠規(guī)定機(jī)油外還可以選用合成機(jī)油、半合成機(jī)油等高品質(zhì)潤滑油。
4、發(fā)動機(jī)機(jī)油和濾清器必須保持清潔，防止雜質(zhì)進(jìn)入，因?yàn)闇u輪增壓器的轉(zhuǎn)軸與軸套之間配合間隙很小，如果機(jī)油潤滑能力下降，就會造成渦輪增壓器的過早報(bào)廢。
5、需要按時(shí)清潔空氣濾清器，防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的壓氣葉輪，造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或軸套和密封件加劇磨損。
6、需要經(jīng)常檢查渦輪增壓器的密封環(huán)是否密封。因?yàn)槿绻芊猸h(huán)沒有密封住，那么廢氣會通過密封環(huán)進(jìn)入發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，將機(jī)油變臟，并使曲軸箱壓力迅速升高，此外發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)油也會通過密封環(huán)從排氣管排出或進(jìn)入燃燒室燃燒，從而造成機(jī)油的過度消耗產(chǎn)生“燒機(jī)油”的情況。
7、渦輪增壓器要經(jīng)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(zhuǎn)子軸承精密度很高，維修及安裝時(shí)的工作環(huán)境要求很嚴(yán)格，因此當(dāng)增壓器出現(xiàn)故障或損壞時(shí)應(yīng)到指定的維修站進(jìn)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(fā)動機(jī)相比，渦輪增壓發(fā)動機(jī)對清潔的要求更高。因?yàn)槿綦s質(zhì)進(jìn)入壓氣葉輪，會造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或軸套和密封件加劇磨損。
10、發(fā)動機(jī)機(jī)油保持清潔，渦輪增壓發(fā)動機(jī)對機(jī)油的要求也比較高，必須保持清潔。另外如果機(jī)油變質(zhì)要及時(shí)更換。否則機(jī)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(yǎng)成本，甚至造成渦輪增壓器的過早報(bào)廢。
11、著車就走和立即熄火對渦輪增壓發(fā)動機(jī)都不好，發(fā)動機(jī)發(fā)動后最好怠速運(yùn)轉(zhuǎn)一陣，使?jié)櫥统浞譂櫥S承，對發(fā)動機(jī)起到很好的保護(hù)作用。另外，發(fā)動機(jī)長時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3-5分鐘再熄火，否則，會引起渦輪增壓器內(nèi)滯留的機(jī)油過熱而損壞軸承和軸。
