涡轮增压原理
使用涡轮增压发动机的车型现在越来越多,到底什么是涡轮增压发动机,它的基本结构和工作理又如何呢?现在坊间越来越多车迷朋友知道涡轮增压可以提升动力,但却不知道它是如何完成,如果要改装又应如何改动?一切的一切,我们都需要从涡轮增压系统的基本原理谈起。 影响发动机动力输出的原因有很多,但其中最重要的,莫过于如何把更多的空气塞进汽缸,提高容积效率(更多的空气将带来更大的动力)。排量为3000cc 的引擎所能够产生的马力与扭矩,在理论上必然会比相同设计的2000cc 引擎来得大。
NA动力提升方法 一般的NA(自然进气)发动机的做法,逃不开加大节气门口径,或换多喉直喷等,使高转速时可以在同油门深度下,获得更多的空气量。但这种方法在某一转数后,作用就有限了。毕竟NA 发动机的空气是靠真空吸入的。在汽缸容积固定不变的情况下,真空吸入空气有一个相对的限度。
有的NA 发动机改用高角度凸轮轴(Hi Cam,借此增加进排气门重叠角度),可以在高转速下获得高动力,但缺点是低转的扭矩较差,而且如果角度过大,会有发动机怠速不稳的现象。所以现在不少的新车都用上可变气门正时技术,再配合可变凸轮轴等技术(如VVTL-i、i-VTEC、MIVEC)……以期在低转扭矩和高转马力之间取得很好的平衡。
但即便是用尽以上方法,发动机的进气效率顶多提高60%。NA 发动机始终无法避免其宿命——空气是被动地被吸入汽缸内的。也就是说,引擎所需的空气完全依靠活塞下行时产生的负压而进入,即便汽缸吸满了空气,缸中气压也就小于或等于一个大气压。所以NA 发动机的升功率始终远不如能将空气与燃油强制送入的汽缸中,可轻松获得一倍以上马力的增压发动机。
涡轮增压系统原理解构
涡轮系统是增压发动机中最常见的增压系统之一。
如果在相同的单位时间里,能够把更多的空气及燃油的混合气强制挤入汽缸(燃烧室)进行压缩燃爆动作(小排气量的引擎能“吸入”和大排气量相同的空气,提高容积效率),便能在相同的转速下产生较自然进气发动机更大的动力输出。涡轮增压利用废气驱动,基本没有额外的能量损耗(对发动机没有额外的负担),便能轻易地创造出大马力,是非常聪明的设计。情形就像你拿一台电风扇向汽缸内吹,硬是把风往里面灌,使里面的空气量增多,以得到较大的马力,只是这个扇子不是用电动马达,而是用引擎排出的废气来驱动。
一般而言,引擎在配合这样的一个“强制进气”的动作后,起码都能提升30%-40% 的额外动力,如此惊人的效果就是涡轮增压器令人爱不释手的原因。况且,获得完美的燃烧效率以及让动力得以大幅提升,原本就是涡轮增压系统所能提供给车辆最大的价值所在。
该系统包括涡轮增压器、中冷器、进气旁通阀、排气旁通阀及配套的进排气管道。
涡轮增压系统的工作
用以下简单的步骤让你明白涡轮增压的工作顺序,从而便能清楚了解涡轮增压系统的工作原理。
一,发动机排出的废气,推动涡轮排气端的涡轮叶轮(Turbine Wheel)②,并使之旋转。由此便能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮(Turbine Wheel) ③也同时转动。
二,压气机叶轮把空气从进风口强制吸进,并经叶片的旋转压缩后,再进入管径越来越小的压缩通道作二次压缩,这些经压缩的空气被注入汽缸内燃烧。
三,有的发动机设有中冷器,以此降低被压缩空气的温度、提高密度,防止发动机产生爆震。
四,被压缩(并被冷却后)的空气经进气管进入汽缸,参与燃烧做功。
五,燃烧后的废气从排气管排出,进入涡轮,再重复以上(一)的动作。
涡轮增压器 涡轮增压器本体是涡轮增压系统中最重要的部件,也就是我们一般所说的“蜗牛”或“螺仔”。因涡轮的外形与蜗牛背上的壳或海产摊内的海螺十分近似而得名。
涡轮增压器本体是提高容积效率的核心部件,其基本结构分为:进气端、排气端和中间的连接部分。
其中进气端包括压气机壳体(Compressor Housing,包括压气机进风口(Compressor Inlet)、压气机出风口(Compressor Discharge)、压气机叶轮(Compressor Wheel)。
而排气端包括涡轮壳体(Turbine Housing, 其中包括涡轮进风口(Turbine Inlet)、涡轮出风口(TurbineDischarge)、涡轮叶轮(Turbine Wheel)。
在两个壳体间负责连接两者的,还有一个轴承室(CenterHousing),安装有负责连接并承托起压气机叶轮、涡轮叶轮,应付上万转速的涡轮轴(Shaft),以及与之对应的机油入口(Oil Inlet)、机油出口(OilOutlet)等(甚至包括水入口和出口)。
“高温”是涡轮增压器运作时面临的最大考验。涡轮运转时,首先接触的便是由引擎排出的高温废气(第一热源),其推动涡轮叶轮并带动了另一侧的压气机叶轮同步运转。整个叶片轮轴的转速动辄120000-160000rpm。所以涡轮轴高速转动所产生的热量非常惊人(第二热源),再加上空气经压气机叶轮压缩后所提高的温度(第三热源),这三者成为涡轮增压器最最严峻的高温负担。涡轮增压器成为一个集高温原件于一体的独立工作系统。所以“散热”对于涡轮增压器非常重要。涡轮本体内部有专门的机油道(散热及润滑),有不少更同时设计有机油道以及水道,通过油冷及水冷双重散热,降低增压器温度。
涡轮轴
涡轮轴(Bearing)看起来只是简单的一根金属管,但实际上它是一个肩负120000-160000rpm 转动及超高温的精密零件。其精细的加工工差、精深的材料运用和处理正是所有涡轮厂最为核心的技术。传统的涡轮轴使用波司轴承(Bushing Bearing)结构。它确实只是一根金属管,其完全倚仗高压进入轴承室的机油实现承托散热,因此才能高速地转动。
而新近出现的滚珠轴承(Ball Bearing)逐渐成为涡轮轴发展的趋势。顾名思义,滚珠轴承就是在涡轮轴上安装滚珠,取代机油成为轴承。滚珠轴承有众多好处:摩擦力更小,因此将有更好的涡轮响应(可减少涡轮迟滞),并对动力的极限榨取更有利;它对涡轮轴的转动动态控制更稳定(传统的是靠机油做轴承,行程漂浮);对机油压力和品质的要求相对可以降低,间接提高了涡轮的使用寿命。但其缺点是耐用性不如传统的波司轴承,大约7 万-8 万公里就到寿命极限,且不易维修、维修费昂贵。因此重视耐久性的涡轮制造厂( 如KKK) 就不会推出此型式涡轮。