帶你認(rèn)識增壓發(fā)動機(jī)(3)：渦輪增壓器

　　[太平洋汽車網(wǎng) 導(dǎo)購頻道]在上篇中，我們介紹了機(jī)械增壓這種古老的增壓形式。不過大家目前聽得最多的，當(dāng)然是渦輪增壓了。渦輪增壓現(xiàn)在風(fēng)頭正勁，歐美中級車已經(jīng)大規(guī)模使用并且向緊湊級車型延伸。關(guān)于渦輪增壓器，還是有很多有意思的話題的。

　　渦輪增壓器的來源

　　20世紀(jì)20年代，船舶開始配備渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)。第二次時(shí)間大戰(zhàn)期間，美國戰(zhàn)機(jī)也大量使用渦輪增壓，目的就是我們在第一篇提到的，解決戰(zhàn)機(jī)在高空吸入空氣量不足的問題，其中有不少都是“名機(jī)”：例如B-17空中堡壘、B - 24轟炸機(jī)、P - 38閃電和P - 47雷電這兩款戰(zhàn)斗機(jī)。

B-17空中堡壘

　　廢氣的能量

　　發(fā)動機(jī)在燃燒后的混合氣體叫做廢氣，不過這個(gè)廢氣其實(shí)其實(shí)還是蘊(yùn)藏很大能量的。正常發(fā)動全負(fù)荷工作時(shí)的排氣溫度大概在750-900攝氏度。排氣壓力視乎發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)而定，但往往具有數(shù)倍的的大氣壓力值。這些廢氣在排氣門打開的瞬間，流速可以達(dá)到500-700m/s，這個(gè)動能是相當(dāng)大的，不利用可就浪費(fèi)了。

　　渦輪增壓器 原理很簡單 工藝極復(fù)雜

　　由于廢氣具備的能量依然很大，不用可就浪費(fèi)了。因此工程師想到了利用廢氣的動能，就好比水電站利用水的沖擊力一樣，利用廢氣推動增壓器產(chǎn)生增壓效果，因而得名廢氣渦輪增壓。 

　　渦輪增壓器的核心部件就是渦輪和壓氣機(jī)葉輪，這兩者是通過轉(zhuǎn)軸連接在一塊的。渦輪增壓器的工作很簡單，高壓廢氣沖擊渦輪使其高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也就帶動了葉輪高速轉(zhuǎn)動,葉輪就能高速壓縮空氣了。這個(gè)轉(zhuǎn)速非常高，現(xiàn)在車用渦輪增壓的轉(zhuǎn)速在12-20萬轉(zhuǎn)之間。

　　渦輪的作用是將廢氣的動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)，葉輪的作用是對空氣進(jìn)行壓縮，因此兩者的形狀是完全不同的的，氣流的運(yùn)動方向也完全不一致。由于渦輪承受的是發(fā)動機(jī)高溫高壓的廢氣，所以對材料的要求極高。

　　渦輪增壓器的優(yōu)勢

　　渦輪增壓器的動力來源于高溫高壓廢氣，因此不會額外消耗發(fā)動機(jī)自身功率，這和機(jī)械增壓器會消耗發(fā)動機(jī)7%功率的情況是完全不一樣的。此外，渦輪增壓器直接連接在排氣管上，結(jié)構(gòu)緊湊。

　　“壓力越大，動力越大”這是渦輪增壓的真實(shí)寫照。上篇我們提到過的機(jī)械增壓器增壓值一般在0.5bar以下（以后數(shù)據(jù)都以bar為單位），并且隨著轉(zhuǎn)速的提升消耗發(fā)動機(jī)的功率也越多。但渦輪增壓完全沒有這樣的缺點(diǎn)，反而會因?yàn)檗D(zhuǎn)速的上升而更具威力。因?yàn)殡S著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，排氣壓力也會越來越大，沖擊渦輪的力量也更大，整個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將會快速上升，壓氣葉輪也能高速轉(zhuǎn)動起來。

　　渦輪增壓則很容易超過1bar的增壓值，例如高爾夫R能達(dá)到1.3。不少改裝車經(jīng)過缸體強(qiáng)化和電腦調(diào)教之后也能夠輕易實(shí)現(xiàn)1.5的高增壓值，例如十代翼豹STI原廠增壓值0.9，調(diào)整發(fā)動機(jī)電腦后能夠輕易達(dá)到1.5。不過我們一般購買的家用非性能車，例如家用的高爾夫1.4T，君威2.0T，增壓值都遠(yuǎn)低于1，一般在0.3-0.5之間，這樣可以平衡性能、油耗和發(fā)動機(jī)的壽命。從中看出，渦輪增壓比機(jī)械增壓的增壓值高得多，相應(yīng)而獲得的發(fā)動機(jī)功率提升也更大。

　　高溫是渦輪增壓器最大的殺手

　　渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡單、不消耗發(fā)動機(jī)自身的功率、增壓值高，這些因素導(dǎo)致渦輪增壓具備強(qiáng)大的優(yōu)勢。不過渦輪增壓的原理使其具備一個(gè)最大的隱患：高溫。也正是這個(gè)隱患導(dǎo)致渦輪增壓遲遲沒有進(jìn)入民用領(lǐng)域。

　　熱量的來源有幾個(gè)方面。第一是廢氣溫度、前面我們講過，汽油發(fā)動機(jī)的排氣溫度在全負(fù)荷工作時(shí)能夠達(dá)到750-900度，在一般工作狀態(tài)下也有將近700度。這些廢氣在推動渦輪旋轉(zhuǎn)的過程中自身會降溫，這個(gè)溫度跑去哪呢?就是被渦輪葉片所吸收了。

　　其次，連接渦輪和葉輪的轉(zhuǎn)軸以十多萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸和軸承之間的摩擦就會產(chǎn)生大量的熱量。最后，進(jìn)氣葉輪不斷地吸入空氣，壓縮空氣，自身的溫度也會升高。這些因素加起來，使整個(gè)渦輪增壓器處于絕對的“熱火”之中。

　　高溫導(dǎo)致的渦輪失效主要在于渦輪葉片變形燒蝕、轉(zhuǎn)軸拉傷失效。多年來工程師為了對付這個(gè)問題想出了各種方法，概括來說無非就是兩種：使用更耐熱的材料和采用更有效的降溫方法。（這些我們將會在以后的文章介紹）

　　渦輪增壓真的有“遲滯”嗎

　　“渦輪遲滯”曾經(jīng)是最為用戶詬病的缺點(diǎn)。所謂的遲滯是我們踩下油門踏板那一刻，到發(fā)動機(jī)輸出相應(yīng)功率所需要的時(shí)間。實(shí)際上所有的發(fā)動機(jī)都會存在這個(gè)遲滯，只是多少而已。因?yàn)槿绻�您仔�?xì)感覺的話，都可以感覺出來。我們在踩下油門踏板的瞬間，發(fā)動機(jī)需要吸入更多的空氣、調(diào)整噴油量，這些都需要時(shí)間。

　　因?yàn)樵缙诘臏u輪增壓發(fā)動機(jī)在“遲滯”方面表現(xiàn)突出，因?yàn)楸粡V為認(rèn)知。那么渦輪的遲滯是從哪里來的呢?一是渦輪轉(zhuǎn)動的慣性、要將其加速需要時(shí)間；二是轉(zhuǎn)軸和軸承之間的摩擦；最后就是因?yàn)槿~輪攪動空氣所形成的阻力了。在這三個(gè)因素里，葉輪攪動空氣所產(chǎn)生的阻力是最為主要的。正是因?yàn)檎麄�(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提升需要時(shí)間，葉輪越大，增壓值越大，所需要的加速時(shí)間就越長，形成的“遲滯”就越明顯。

　　改善渦輪遲滯的方法有很多，一方面可以借助直噴技術(shù)，間接提升低速時(shí)的扭矩特性，從而使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，增加廢氣能量推動渦輪，減少渦輪遲滯。另一方面，可以通過減少增壓值，減少整個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的尺寸和重量，一方面可以減少慣性和摩擦，更為重要的是減少了葉輪阻力。

　　早期的渦輪增壓發(fā)動機(jī)由于沒有直噴的幫助，加上為了追求性能而采用高增壓大渦輪，遲滯現(xiàn)象相當(dāng)明顯。現(xiàn)在的渦輪增壓發(fā)動機(jī)普遍采用直噴技術(shù)，另外采用低增壓技術(shù)，渦輪遲滯現(xiàn)象已經(jīng)得到很大改善，在日常普通駕駛幾乎難以察覺，唯有在急加速時(shí)方能有所察覺，但這種遲滯現(xiàn)象和自然吸氣發(fā)動機(jī)在加速時(shí)的動力提升緩慢又有多大區(qū)別呢?（除非你開大排量自然吸氣）目前的低增壓直噴渦輪發(fā)動機(jī)的“遲滯”現(xiàn)象根本不能和早期的高增壓發(fā)動機(jī)相比，只不過由于遲滯的說法已經(jīng)存在多年，先入為主而已。

相關(guān)視頻：直噴技術(shù)是如何幫助改善渦輪遲滯的

　　渦輪介入的說法準(zhǔn)確嗎

　　我們經(jīng)常會在聽到“渦輪介入”的說法，例如大眾1.8T發(fā)動機(jī)在1500轉(zhuǎn)的時(shí)候能夠達(dá)到最大扭矩250牛米，通常的說法是“渦輪在1500轉(zhuǎn)的時(shí)候介入”。事實(shí)上這一說法并不準(zhǔn)確。其實(shí)只要渦輪達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，葉輪產(chǎn)生的進(jìn)氣壓力高于自然吸氣時(shí)的壓力，就可以說渦輪介入工作了，而1500轉(zhuǎn)則是達(dá)到了最大的增壓壓力狀態(tài)，我們可以稱為渦輪全開。因此，渦輪介入工作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們看到的最大扭矩出現(xiàn)的時(shí)間要早，但具體在什么轉(zhuǎn)速開始介入則要視乎不同的發(fā)動機(jī)而定。

大眾1.8T 發(fā)動機(jī)工況圖

　　在最近兩期中，我們給網(wǎng)友詳細(xì)介紹了兩種增壓器的原理和特點(diǎn)。不過這僅僅是關(guān)于增壓器本身，很多重要的附件以及使用上的問題我們都沒有涉及到，畢竟一個(gè)好漢三個(gè)幫，沒有這些重要附件的幫忙，增壓器本身是無法獨(dú)立完成工作的，這些問題我們將會在下期介紹。

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　　《帶你認(rèn)識增壓發(fā)動機(jī)(一)：增壓器的由來》

　　《帶你認(rèn)識增壓發(fā)動機(jī)（二）：機(jī)械增壓器》