聊聊涡轮增压.......

阿诺

发展历史


    (Turbo Booster)的发明者是谁，比较公认的说法是瑞士工程师比希，他于1905年申报了此项专利。当时主要应用于飞机发动机和坦克发动机，直到1961年美国通用汽车公司才将涡轮增压器试探性的装在其生产的某种车型上。20世纪70年代成为了涡轮增压器的一个转折点，装配增压发动机的保时捷911问世。但让涡轮增压技术焕发青春的非瑞典SAAB萨博公司莫属，它于1977年推出的SAAB99车型将涡轮增压技术传播的更广泛，但那时的涡轮增压器仅限于装配在小车的汽油发动机上面。一直到80年代中期，欧美的卡车制造商才将涡轮增压技术应用在各自的柴油发动机上面，而国产车是在这10年才开始逐渐流行带涡轮增压器车型的。


2增压目的

     涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够输出更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却并不比1.8L发动机高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。[1]


3负面影响

     不过在经过了增压之后，发动机在工作时的压力和温度都大大升高，因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。

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4增压原理



涡轮增压工作原理图，红色为高温废气，蓝色为新鲜空气。




   最早的涡轮增压器是用于跑车或方程式赛车的，因此在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面，发动机能够获得更大的功率。众所周知，发动机是靠燃料在气缸内燃烧做功来输出功率的，由于输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，因此发动机所输出的功率也会受到限制。如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，从而提高燃烧做功能力。因此在现有的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。



     大家可能会觉得涡轮增压装置非常复杂，其实它并不复杂，涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。这就是一个完整的涡轮增压装置，你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。



我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气量，一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压缩输送由空气滤清器管道来的空气，使之增压之后进入气缸。当发动机转速增快，废气的排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮又压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以使更多的燃料充分燃烧，相应的增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以实现增加发动机的输出功率了。
5增压类型

按排气能量在涡轮中的利用方式可以分为以下两种系统：


定压涡轮增压系统

     定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内，然后再引入涡轮。尽管各缸是交替排气的，但由于排气管的稳压作用，涡轮入口处的压力基本不变，故称为定压增压系统。


定压涡轮增压的主要优点是：涡轮在定压下全周进气，效率较高；气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气系统简单，成本较低，易于布置维护。主要缺点是脉冲能量的利用率较低，试验表明，当增压压力较小时，定压增压系统仅仅利用了排气能量的12%~15%，高增压时可达30%以上。此外，定压增压的内燃机的低速扭矩特性和加速性能较差。


脉冲涡轮增压系统



   脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损失能量的利用率。这种方案的特点是排气管做的短而细，排气系统的溶积要尽可能小，使排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功，减少节流损失。此外，为减少各缸排气压力波的相互干扰，往往采用两根或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互隔开。
脉冲系统比定压系统能更好的利用内燃机的排气能量，且排气管容积越小越好，以至于近年来出现了一种将增压器与排气管做成一体的紧凑结构。

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6冷却系统

    中冷器是增压系统的一部分。当空气被高比例压缩后会产很高的热量，导致空气膨胀密度降低，而同时也会使发动机温度过高造成损坏。为了得到更高的容积效率，需要在注入气缸之前对高温空气进行冷却。这就需要加装一个散热器，原理类似于水箱散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而达到降温目的（可以将气体温度从150℃降到50℃左右）。由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间，所以又称作中间冷却器，简称中冷器。


7工作环境与保养方法

   涡轮增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮，它再怎么先进还是一套机械装置，由于它经常处于高速、高温下工作，增压器废气涡轮端的温度在600度以上，增压器的转速也非常高，因此为了保证增压器的正常工作，对它的正确使用和维护十分重要。主要我们要遵循以下的方法：



1、汽车发动机启动之后，不能急踩加速踏板，应先怠速运转三分钟，这是为了使机油温度升高，流动性能变好，从而使涡轮增压器得到充分润滑，然后才能提高发动机转速，起步行驶，这点在冬天显得尤为重要，至少需要热车5分钟以上。


2、发动机长时间高速运转后，不能立即熄火。原因是发动机工作时，有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却，正在运行的发动机突然停机后，机油压力迅速下降为零，机油润滑会中断，涡轮增压器内部的热量也无法被机油带走，这时增压器涡轮部分的高温会传到中间，轴承支承壳内的热量不能迅速带走，而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转。这样就会造成涡轮增压器转轴与轴套之间“咬死”而损坏轴承和轴。此外发动机突然熄火后，此时排气歧管的温度很高，其热量就会被吸收到涡轮增压器壳体上，将停留在增压器内部的机油熬成积炭。当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口，导致轴套缺油，加速涡轮转轴与轴套之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转三分钟左右，使涡轮增压器转子转速下降。此外值得注意的就是涡轮增压发动机同样不适宜长时间怠速运转，一般应该保持在10分钟之内。


3、选择机油的时候一定要注意。由于涡轮增压器的作用，使进入燃烧室的空气质量与体积有大幅度的提高，发动机结构更紧凑、更合理，较高的压缩比，使发动机的工作强度更高。机械加工精度也更高，装配技术要求更严格。所有这些都决定了涡轮增压发动机的高温、高转速、大功率、大扭矩、低排放的工作特点。同时也就决定了发动机的内部零部件要承受较高的温度及更大的撞击、挤压和剪切力的工作条件。所以在选用涡轮增压轿车车用机油时，就要考虑到它的特殊性，所使用的机油必须抗磨性好，耐高温，建立润滑油模块，油膜强度高和稳定性好。而合成机油或半合成机油恰好可以满足这一要求，所以机油除了最好使用原厂规定机油外还可以选用合成机油、半合成机油等高品质润滑油。


4、发动机机油和滤清器必须保持清洁，防止杂质进入，因为涡轮增压器的转轴与轴套之间配合间隙很小，如果机油润滑能力下降，就会造成涡轮增压器的过早报废。

5、需要按时清洁空气滤清器，防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气叶轮，造成转速不稳或轴套和密封件加剧磨损。

6、需要经常检查涡轮增压器的密封环是否密封。因为如果密封环没有密封住，那么废气会通过密封环进入发动机润滑系统，将机油变脏，并使曲轴箱压力迅速升高，此外发动机低速运转时机油也会通过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧，从而造成机油的过度消耗产生“烧机油”的情况。


7、涡轮增压器要经常检查有没有异响或者不寻常的震动，润滑油管和接头有没有渗漏。

8、涡轮增压器转子轴承精密度很高，维修及安装时的工作环境要求很严格，因此当增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修，而不是到普通的修理店。

9、要保持空气滤清器的清洁，与普通发动机相比，涡轮增压发动机对清洁的要求更高。因为若杂质进入压气叶轮，会造成转速不稳或轴套和密封件加剧磨损。

10、发动机机油保持清洁，涡轮增压发动机对机油的要求也比较高，必须保持清洁。另外如果机油变质要及时更换。否则机油的润滑能力下降，会造成增压器轴承的润滑不足而损坏，增加保养成本，甚至造成涡轮增压器的过早报废。

11、着车就走和立即熄火对涡轮增压发动机都不好，发动机发动后最好怠速运转一阵，使润滑油充分润滑轴承，对发动机起到很好的保护作用。另外，发动机长时间高速运转后，应怠速运转3-5分钟再熄火，否则，会引起涡轮增压器内滞留的机油过热而损坏轴承和轴。

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　关于涡轮增压器的寿命问题厂家往往宣传其能够与发动机等寿，但实际上涡轮转子长期处于高温高压以及高转速环境下很难达到运行几十万公里而不出现任何问题。现在的技术虽然可以让涡轮正常运转十万公里以上，但与当今发动机几十万公里的寿命相距甚远。对于一部要开很久的家用车来说，使用或保养不当，涡轮增压器很可能会提前报销。