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涡轮增压

出处:爱卡汽车网 爱卡汽车网 汽车论坛 汽车报价 [ ]

 

   涡轮增压

有什么用?

•加速迅猛直接,推后背感强。起步、超车时优势明显。

•可大幅度提高发动机的功率和扭矩,小排量获得更强的动力性可得以实现。

涡轮增压

 

不足:

•反应不直接,会有迟滞现象。

•养护成本高

误区:

•涡轮增压并不省油。多进气就要多喷油,所以涡轮增压相对费油。

•机械增压和涡轮增压各有所长,不能相比好坏。

代表车型:

君威1.6T 2.0T 致胜2.0T

技术概括:

    涡轮增压器是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作所产生的废气驱动之空气压缩机(Air-compressor)。与超级增压器(机械增压器, Super-Charger)功能相若,两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量,从而令机器效率提升。常见用于汽车引擎中,透过利用排出废气的热量及流量,涡轮增压器能提升内燃机的马力输出

    一般车用内燃机在加装增压器后重量都会增加,所用作克服惯性(inertia)的能量会上升。因涡轮增压器大部份时间都是利用引擎排出之废气驱动,所以较由引擎曲轴(Crankshaft)驱动之机械增压器占优。但因引擎于低转运作时废气流量较低,涡轮增压器之表现未如理想,出现涡轮迟滞(Turbo-Lag)现象。

    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产生更大的功率。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,但是耗油量却比1.8发动机并不高多少,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。

涡轮增压

 

技术原理:

    涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机,涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内),涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内,叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,废气排出速度与涡轮转速也同步加快,空气压缩程度就得以加大,发动机的进气量就相应地得到增加,就可以增加发动机的输出功率了。

    涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后,其输出的最大功率与未装增压器相比,可增加大约40%甚至更多。

    最早的涡轮增压器用于跑车或方程式赛车上的,这样在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面,发动机就能够获得更大的功率。  

    众所周知,发动机是靠燃料在汽缸内燃烧做功来产生功率的,由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制,因此发动机所产生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汽缸来增加燃料量,从而提高燃烧做功能力。因此在目前的技术条件下,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,排气口接在进气歧管上,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。这样一个整体的涡轮增压装置就做好,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,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

    涡轮增压器常使用于增加内燃机的进气量,进而增加马力输出量。在飞航应用上涡轮增压器是为了能在高海拔的地方能够有自然进气引擎在低海拔的进气量,通常称之增压正常化(turbonormalizer)。轴、轴承、轮叶与涡轮会以数万到数十万RPM运转。许多种轴承在如此高的转速需要润滑与冷却系统。涡轮增压器的润滑系统可以是独立系统或是从引擎供油系统提供。提供润滑系统的冷却器可能为双重冷却系统,冷却剂可以是外来的,如引擎冷却系统,或是空冷机组。通常汽车上涡轮增压器的润滑与冷却水系统是来自于机油与引擎冷却液。有些特殊的轴承,像是箔轴承,能够减少或不需额外润滑且降低冷却系统的门槛。

    CHRA的对面是涡轮机与轮叶,包含在它们折叠起来像是蜗牛壳的锥形风罩内。这些风罩是在收集与导风流的方向。而这个风罩的形状与大小可以很直接的影响涡轮增压器的整体特性与性能。圆锥管道的每一处截面积(A), 和该处与风罩中心所成的半径(R) , 可以表示成一个比值(AR,A/R,A:R)。通常基本的涡轮增压器拥有多种AR值的涡轮风罩可供选择。这样便可允许设计者对整个动力系统去对性能、反应度与效率去做协调。 

    废气涡轮增压系统:这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了,增压器与发动机无任何机械联系,实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它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,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废涡轮增压技术

    气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言,加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方,那就是泵轮和涡轮由一根轴相连,也就是转子,发动机排出的废气驱动泵轮,泵轮带动涡轮旋转,涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧,所以增压器的工作温度很高,而且增压器在工作时转子的转速非常高,可达到每分钟十几万转,如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作,因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承,由机油来进行润滑,还有冷却液为增压器进行冷却。

    在加速型赛车内的一对涡轮增压器套用到直列六缸引擎上以相当高的速度旋转的压缩涡轮机会吸引大量的空气推进引擎内。当涡轮增压机的输出流量超过汽缸容量,进气系统就会出现正压。而组件旋转的速度是与压缩空气总质量的气流成比例。为了防止涡轮产生的压力超出引擎的负荷,或是为了增加耐久度,转速必需要可以被控制住。泄压阀是最常见的机械式转速控制系统,通常也会另外增加压力控制器(boost controller)来辅助。泄压阀的主要功能是当进气压达到设定的上限,一部分的废气就会绕过涡轮机,就会达到稳定压力的效果。

    涡轮增压器能够提高输出引擎效率,但是需要解决它的缺点才能推广。汽车的自然进气引擎为了吸取空气进汽缸,使用活塞创造一个低压区。由汽缸容积与活塞速度来决定有多少空气能被"抽"入引擎里,因为大气是恒压的,最后进气量会被限制住。而利用这个方式把空气吸入燃烧室内的多寡称之容积效率(volumetric efficiency)。从涡轮增压器增加了空气进入汽缸的压力,与该空气量进入到汽缸内很大程度上取决于时间与压力,气体吸引造成压力增加。吸收的压力大小,在缺乏涡轮增压器之下是决定于大气压力,但是加入涡轮增压器之后增加的压力就能控制。

    利用压缩机增加进气缸的气压通常称为强制进气(forced induction)。离心式机械增压器的运作方式与涡轮增压器相同;然而,让压缩机的旋转能量前者是引擎曲轴而后者是废气。因此涡轮增压原则上是比较有效率的,因为涡轮的动力来自引擎的热能,把废气的能量转化成动能,不然就浪费掉能量了。机械增压器的使用,是在牺牲一部分引擎产生的能量,产生了净增产值的能量。 

    涡轮增压器虽让引擎增加可观的马力输出,但是引擎也产生更多的废热。当车子本身设计无法承受高热环境,把涡轮增压器装进去可能会是一个难题。额外的废热加上增压器提供较低的压缩比(扩张比)稍微有助于较低的热效率,但是却直接影响整体的燃油效率。还有另种称为主管冷却型的冷却法会很大的影响到燃料效率。即使中冷是有帮助的,但是燃烧室内的总压缩比还是比自然吸气引擎还大。当引擎释放出最大能量时为避免爆震出现,通常会为了冷却目的会提供额外的燃料。这看似不合常理,因为这部份的燃油不会燃烧。但是这是利用额外燃油在液体雾化成气雾时把热量吸走。而且,氮是燃烧室内相对密度高的物质,所以氮气能够承受比较高的热量。氮气把持住这个热量直到经由废气排出来避免破坏性的爆震。这使设计者经由牺牲燃油经济性取得燃油泵内较好的热力性能输出功率。要完整燃烧汽油,最理想的空/燃比(A/F)是14.7:1。通常一部拥有涡轮增压引擎车在最大的boost的A/F值大约是12:1。设计系统时,较多杂质汽油在运转时有时会有瑕疵,像是触媒转化器不能在太高的温度下运作,或是引擎有太高的压缩比而无法与供油系统有效运作。最后,高效率的涡轮增压器也会对自身影响到燃油效率。使用较小的涡轮增压器在中低转速上会提供比较快的回应与较低的延迟(lag),但是会堵塞引擎的排气部位与转速提升时产生巨大的热量。比较大的涡轮增压器在高转速的时候相当有效率,但是在正常行驶时并不实用。可变式轮叶与滚珠轴承技术能使涡轮增压器在更大的运作范围内更有效率的运转,然而,不少汽车使用这类技术会产生额外的问题。目前使用这种涡轮增压器的汽油车只有Porsche 911 (997) Turbo。目前只有连续式双涡轮增压器(sequential turbocharging)才能提供全面性的输出优势,因为它在低转速时用小涡轮,而高转速时用大涡轮。大多数现今的汽车的引擎管理系(engine management systems)能够根据当时温度、燃料品质、海拔高度及其他因素控制歧管压力与燃油压力。有些系统则是先进到能够提供更精确的燃料燃烧状况的数据。像是Saab的Trionic-7 system使用电子式指示提供燃烧上更优秀的回应性。 Volkswagen/Audi的新2.0升FSI涡轮引擎结合了偏时点火与缸内直喷技术能在低负荷状态保有推进力在低负荷状态。这个系统是非常复杂到包含许多移动性的零件与感应器去维持气室的气流特性,能够使用多段指示来提供更优秀的雾化。缸内直喷系统同时拥有很大的影响,使发动机具有更佳的冷却效果,就能够使用较典型的气门式涡轮喷射引擎更高的压缩比。

    涡轮增压器可能会被脏或是衰退的机油加速耗损,而且大多的制造商建议要帮涡轮增压引擎勤加换油;许多拥有者及一些公司建议使用合成机油,与传统机油相比,他比较易于稀而且比较不容易衰退。因为涡轮增压器运转时容易发热,很多人建议在熄火前如果涡轮增压器才刚运转完毕,让引擎待命1至3分钟(多数的制造商指出在熄火前待机10秒来确定涡轮增压器确实运行于它的待机速度,来避免因机油停止供给造成轴承损坏)。这样可让涡轮吸入较低的排气温度来降温,而且能够保证当涡轮与排气歧管温度依然非常高时机油有输送到涡轮增压器,否则润滑油的煤焦会再轴承吸收油时卡在机器内,导致当汽车重新启动时轴承很快的耗损。高温机油内的杂质会累积起来并导致堵塞供油系统。这问题在柴油引擎上并不明显,因为柴油引擎的废弃温较低与引擎转速相对比较低。

    涡轮计时器(turbo timer)可以让运转中的引擎提供一个已预先指定的时间来自动的提供降温周期。箔轴承内的煤焦也能除去。更复杂的是使用水冷式轴承卡夹需要防止煤焦跑进去。当引擎关闭和自然的热循环会使卡夹内的水沸腾。所以还是不要在涡轮还在运转时把引擎关闭。

    依照惯例是使用管状顶盖而不是使用铸铁的歧管,这样会因为较轻的顶盖而减少冷却所需的时间。

涡轮增压

 

扩展阅读:

    涡轮延迟(Turbo lag)有时会使驾驶者感觉在踏下油门与涡轮提供冲力之间有一段时间差。这个问题是由于当时排气系统推动涡轮的压力需要克服涡轮的旋转惯性与要提供歧管压力的最低转速。而利用曲轴带动的机械增压则不会出现这个现象。相反的在转速低的状况之下涡轮增压器提供较低的压力,但高转速时涡轮增压引擎比装载机械增压的引擎还要有效率。

    延迟现象可以由降低涡轮零件(轴承或扇叶)的惯性而减少,像是使用较轻的材质来使涡轮比较易于转动。陶瓷涡轮在这里是很好的解决之道。但相对的在产生最大压力的时候是比其他材料脆弱。

    诚然,涡轮增压的确能够提升发动机的动力,不过它的缺点也有不少,其中最明显的就是动力输出反应滞后。我们看看前面有关涡轮增压的工作原理就知道了,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,也就是说从你大脚踩油门加大马力,到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差,而且这个时间还不短。一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。如果你要突然加速的话,瞬间会有提不上速度的感觉。  

    随着技术的进步,虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行改进,但是由于设计原理问题,因此安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的。譬如说我们买了1.8T的涡轮增压汽车,在实际的行驶之中,加速肯定不如2.4L的,但是只要度过了那段等待期,1.8T的动力同样会窜上来,因此如果你追求驾驶的感觉的话,涡轮增压引擎并不适合你,如果你是跑高速之类的,涡轮增压才显得特别有用。  

    如果你的爱车经常在城市内行驶,那么有必要考虑需要什么样的涡轮增压,因为涡轮并不是随时都在启动的。对于那些启动转速高的涡轮增压发动机,就拿斯巴鲁(富士)翼豹的涡轮增压来说,它的启动是在3500转左右,5挡能够上到3500转估计速度都破120了,除非你故意停留在低档位,否则不超过120公里的时速翼豹的涡轮增压根本无法启动。这时那些低转速启动的涡轮增压发动机更为合适,例如大众的1.4Tsi/1.8Tsi发动机,在1750甚至1500转的时候涡轮增就介入了,即使在2000~3000换档,也能保证换档前后转速保持在燃油应用效率更高的涡轮增压区域。  

    此外涡轮增压还有维护保养方面的问题,就拿宝来的1.8T来说,6万公里左右就要更换涡轮了,虽然次数不算多,毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费,这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。

保养方法:

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的,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,建立润滑油膜快,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。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。

发展历史:

    第一部使用这种涡轮增压器的汽车是1989年份限量版的Shelby CSX-VNT,采用2.2L的汽油引擎。Shelby CSX-VNT利用一颗Garrett的VNT-25型涡轮,因为它使用与Garrett T-25相同的本体和轴心。这一涡轮机通常称之可变式喷嘴涡轮增压器(VNT)。涡轮增压器的制造商Aerocharger使用名为’可变区域涡轮喷嘴’(Variable Area Turbine Nozzle,VATN)来诠释这种涡轮喷嘴。另外常见的说法包括’可变涡轮截面’(Variable Turbine Geometry,VTG)、’可变涡轮几何增压器’(Variable Geometry Turbo,VGT)与’可变配气相位’(Variable Vane Turbine,VVT)。Chrysler公司在1990年有一批汽车使用这种涡轮增压器,包含Dodge Daytona 与 Dodge Shadow。这些引擎能够产生174匹马力与225磅-呎的扭力,与正常的引擎相比,它使用正常的冷却系统,产生出来相同的马力但增加25磅-呎的扭力与比较快的反应(较少的延迟)。然而,不包含VATN或VNT的Turbo III引擎能够产生224匹马力。目前不知道为何Chrysler不继续使用VGT涡轮增压引擎,最有可能的原因是市场需要Chrysler设计的V6引擎更甚于VGT引擎。

    2006年的Porsche 911 Turbo有3.6L水平对置六缸双涡轮增压引擎,而涡轮是使用BorgWarner的可变几何涡轮系统(VGTs)。这显然因为虽然在柴油引擎与Shelby CSX-VNT上VGT系统采用了一段时间,但是这是自从1989-90的1250颗Dodge引擎以外的第一次在汽油车使用这种技术。有些人抱怨使用此系统的汽油车废气温度比使用柴油引擎高不少,而这对敏感的可动式涡轮叶片会有不利的影响。而且这个装置也比其他的涡轮增压器还要昂贵。Porsche的工程师声称新的911 Turbo已经解决这些问题。