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    什么是涡轮增压

  • 作者:91zyc
  • 来源:转载
  • 日期:2016-11-8 10:32:35
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                                   涡轮增压器的结构和原理


在上篇中,我们介绍了机械增压这种古老的增压形式。不过大家目前听得最多的,当然是涡轮增压了。涡轮增压现在风头正劲,欧美中级车已经大规模使用并且向紧凑级车型延伸。关于涡轮增压器,还是有很多有意思的话题的。




涡轮增压器的来源


20世纪20年代,船舶开始配备涡轮增压柴油发动机。第二次时间大战期间,美国战机也大量使用涡轮增压,目的就是我们在第一篇提到的,解决战机在高空吸入空气量不足的问题,其中有不少都是“名机”:例如B-17空中堡垒、B-24轰炸机、P-38闪电和P-47雷电这两款战斗机。



B-17空中堡垒


废气的能量


发动机在燃烧后的混合气体叫做废气,不过这个废气其实其实还是蕴藏很大能量的。正常发动全负荷工作时的排气温度大概在750-900摄氏度。排气压力视乎发动机的工作状态而定,但往往具有数倍的的大气压力值。这些废气在排气门打开的瞬间,流速可以达到500-700m/s,这个动能是相当大的,不利用可就浪费了。




涡轮增压器原理很简单 工艺极复杂


由于废气具备的能量依然很大,不用可就浪费了。因此工程师想到了利用废气的动能,就好比水电站利用水的冲击力一样,利用废气推动增压器产生增压效果,因而得名废气涡轮增压。


涡轮增压器的核心部件就是涡轮和压气机叶轮,这两者是通过转轴连接在一块的。涡轮增压器的工作很简单,高压废气冲击涡轮使其高速旋转,同时也就带动了叶轮高速转动,叶轮就能高速压缩空气了。这个转速非常高,现在车用涡轮增压的转速在12-20万转之间。




涡轮的作用是将废气的动能转化为转轴的高速旋转,叶轮的作用是对空气进行压缩,因此两者的形状是完全不同的的,气流的运动方向也完全不一致。由于涡轮承受的是发动机高温高压的废气,所以对材料的要求极高。




涡轮增压器的优势


涡轮增压器的动力来源于高温高压废气,因此不会额外消耗发动机自身功率,这和机械增压器会消耗发动机7%功率的情况是完全不一样的。此外,涡轮增压器直接连接在排气管上,结构紧凑。




“压力越大,动力越大”这是涡轮增压的真实写照。上篇我们提到过的机械增压器增压值一般在0.5bar以下(以后数据都以bar为单位),并且随着转速的提升消耗发动机的功率也越多。但涡轮增压完全没有这样的缺点,反而会因为转速的上升而更具威力。因为随着发动机转速的升高,排气压力也会越来越大,冲击涡轮的力量也更大,整个转子的转速将会快速上升,压气叶轮也能高速转动起来。


涡轮增压则很容易超过1bar的增压值,例如高尔夫R能达到1.3。不少改装车经过缸体强化和电脑调教之后也能够轻易实现1.5的高增压值,例如十代翼豹STI原厂增压值0.9,调整发动机电脑后能够轻易达到1.5。不过我们一般购买的家用非性能车,例如家用的高尔夫1.4T,君威2.0T,增压值都远低于1,一般在0.3-0.5之间,这样可以平衡性能、油耗和发动机的寿命。从中看出,涡轮增压比机械增压的增压值高得多,相应而获得的发动机功率提升也更大。


涡轮增压器的认识误区


高温是涡轮增压器最大的杀手


涡轮增压器结构简单、不消耗发动机自身的功率、增压值高,这些因素导致涡轮增压具备强大的优势。不过涡轮增压的原理使其具备一个最大的隐患:高温。也正是这个隐患导致涡轮增压迟迟没有进入民用领域。


热量的来源有几个方面。第一是废气温度、前面我们讲过,汽油发动机的排气温度在全负荷工作时能够达到750-900度,在一般工作状态下也有将近700度。这些废气在推动涡轮旋转的过程中自身会降温,这个温度跑去哪呢?就是被涡轮叶片所吸收了。


其次,连接涡轮和叶轮的转轴以十多万转的转速高速旋转,转轴和轴承之间的摩擦就会产生大量的热量。最后,进气叶轮不断地吸入空气,压缩空气,自身的温度也会升高。这些因素加起来,使整个涡轮增压器处于绝对的“热火”之中。


高温导致的涡轮失效主要在于涡轮叶片变形烧蚀、转轴拉伤失效。多年来工程师为了对付这个问题想出了各种方法,概括来说无非就是两种:使用更耐热的材料和采用更有效的降温方法。


涡轮增压真的有“迟滞”吗


“涡轮迟滞”曾经是最为用户诟病的缺点。所谓的迟滞是我们踩下油门踏板那一刻,到发动机输出相应功率所需要的时间。实际上所有的发动机都会存在这个迟滞,只是多少而已。因为如果您仔细感觉的话,都可以感觉出来。我们在踩下油门踏板的瞬间,发动机需要吸入更多的空气、调整喷油量,这些都需要时间。


因为早期的涡轮增压发动机在“迟滞”方面表现突出,因为被广为认知。那么涡轮的迟滞是从哪里来的呢?一是涡轮转动的惯性、要将其加速需要时间;二是转轴和轴承之间的摩擦;最后就是因为叶轮搅动空气所形成的阻力了。在这三个因素里,叶轮搅动空气所产生的阻力是最为主要的。正是因为整个涡轮转子的转速提升需要时间,叶轮越大,增压值越大,所需要的加速时间就越长,形成的“迟滞”就越明显。


改善涡轮迟滞的方法有很多,一方面可以借助直喷技术,间接提升低速时的扭矩特性,从而使发动机转速快速上升,增加废气能量推动涡轮,减少涡轮迟滞。另一方面,可以通过减少增压值,减少整个涡轮转子的尺寸和重量,一方面可以减少惯性和摩擦,更为重要的是减少了叶轮阻力。




早期的涡轮增压发动机由于没有直喷的帮助,加上为了追求性能而采用高增压大涡轮,迟滞现象相当明显。现在的涡轮增压发动机普遍采用直喷技术,另外采用低增压技术,涡轮迟滞现象已经得到很大改善,在日常普通驾驶几乎难以察觉,唯有在急加速时方能有所察觉,但这种迟滞现象和自然吸气发动机在加速时的动力提升缓慢又有多大区别呢?(除非你开大排量自然吸气)目前的低增压直喷涡轮发动机的“迟滞”现象根本不能和早期的高增压发动机相比,只不过由于迟滞的说法已经存在多年,先入为主而已。


涡轮介入的说法准确吗


我们经常会在听到“涡轮介入”的说法,例如大众1.8T发动机在1500转的时候能够达到最大扭矩250牛米,通常的说法是“涡轮在1500转的时候介入”。事实上这一说法并不准确。其实只要涡轮达到一定转速,叶轮产生的进气压力高于自然吸气时的压力,就可以说涡轮介入工作了,而1500转则是达到了最大的增压压力状态,我们可以称为涡轮全开。因此,涡轮介入工作的时间远远比我们看到的最大扭矩出现的时间要早,但具体在什么转速开始介入则要视乎不同的发动机而定。

 
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