隨著國(guó)內(nèi)排放法規(guī)越來越嚴(yán)格的當(dāng)下，加上電動(dòng)化大趨勢(shì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)品牌的發(fā)動(dòng)機(jī)逐步小排量渦輪化。因此，在國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)越來越多的看到汽車搭載小排量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

例如高爾夫的1.4T，吉利帝豪的1.4T，長(zhǎng)安逸動(dòng)的1.4T，卡羅拉的1.2T等等。基礎(chǔ)排量都是相對(duì)比較小的，并且都加裝了渦輪機(jī)。

說到渦輪技術(shù)，其實(shí)很早就被發(fā)明了，在二戰(zhàn)期間也被大范圍使用過。本期推文，就為大家一起分享汽車內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓技術(shù)。

渦輪增壓(Turbo Boost)，是一種利用內(nèi)燃機(jī)(運(yùn)作轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的技術(shù)。

發(fā)展歷史

19世紀(jì)末期，隨著葉輪式機(jī)械的誕生，人們便認(rèn)識(shí)到它與活塞式內(nèi)燃機(jī)的不同。1905年11月瑞士工程師布希（ Alfred Buchi）提出了活塞式內(nèi)燃機(jī)與葉輪式機(jī)械相結(jié)合的方案即廢氣渦輪增壓器。1925年布希獲得“脈沖增壓”專利，21世紀(jì)仍作為提高內(nèi)燃機(jī)性能的重要手段繼續(xù)被研究。

20世紀(jì)20年代，瑞士某公司首先設(shè)計(jì)并試制成第一臺(tái)廢氣渦輪增壓器，和四沖程柴油機(jī)匹配。這臺(tái)增壓器增壓比為1.3，采用兩級(jí)離心式壓氣機(jī)，是柴油機(jī)發(fā)展史上另一個(gè)里程碑。1926年，世界上第一家增壓器公司在瑞士成立，同年德國(guó)生產(chǎn)出第一批渦輪增壓柴油機(jī)，使柴油機(jī)的功率由423 kW提高到551 kW，提高了30%。但其增壓比不超過15，使用壽命也比較短。

20世紀(jì)40年代，渦輪增壓器的技術(shù)逐步成熟起來，如美國(guó)某公司早期生產(chǎn)低壓比的BF、E系列，1949 年開始生產(chǎn)的L、H系列，60 年代生產(chǎn)的C系列，瑞士某公司公司制定的VTR系列，英國(guó)某公司制定的MS和HP系列等。這一時(shí)期代表性的增壓器是法國(guó)某公司于1962年在漢諾威展覽會(huì)上首次展出的HS-400渦輪增壓器，增壓比達(dá)25，渦輪進(jìn)（最高溫度600，最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，增壓器重145 kg，用于功率294.2~441.3kW馬力的柴油機(jī)。

從20世紀(jì)50年代初到60年代初，船用柴油機(jī)增壓度從30%提高到了60%，這兩者使柴油機(jī)功率達(dá)到了22065kW。20世紀(jì)70年代，渦輪增壓器朝著高壓比、超高壓比的方向發(fā)展。如瑞士某公司1978年底完成的VTR4系列將壓比提高到了4.0-4.5，總效率達(dá)到了64%一65%，而其開發(fā)的TPS系列船用增壓器，致力于高流通能力和高壓比，全負(fù)荷時(shí)壓比達(dá)到4.7。在壓比升高的同時(shí)，增壓器的流量范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大。現(xiàn)在，渦輪增壓器的壓氣機(jī)在相同的殼體下，在高效率區(qū)域內(nèi)最大流量和最小流量之比可達(dá)3.5以上。在研制高壓比、流量的增壓器同時(shí)，渦輪增壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其制造工藝也相應(yīng)的簡(jiǎn)化。如一種新的潤(rùn)滑油泵，它能利用離心力的作用分離出潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)，從而提高軸承的壽命。再如某公司的SUPER MET渦輪增壓器采用新的進(jìn)氣消音器后使壓氣機(jī)效率提高1.5%~3.5%。

增壓目的

渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過增壓之后能夠輸出更大的功率。就拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動(dòng)力可以達(dá)到2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，但是耗油量卻并不比1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)高多少，在另外一個(gè)層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。

渦輪增壓的工作原理

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是靠汽油與空氣形成的可燃混合氣在缸內(nèi)燃燒做功輸出動(dòng)力的，電噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩的的大小取決于進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能已處于最佳狀態(tài)時(shí)，要想提高其輸出功率只有通過壓縮更多的空氣進(jìn)入汽缸來增加可燃混合氣量，從而提高燃燒做功能力，提高其輸出功率。渦輪增壓器即是利用壓力推動(dòng)殼體里的泵輪葉輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)進(jìn)氣增壓室渦輪葉輪將空氣壓進(jìn)汽缸，從而使提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的控制裝置。

介紹

廢氣渦輪增壓器的工作原理如上圖所示。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上（渦輪室進(jìn)氣口）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定壓力的高溫廢氣經(jīng)渦輪殼4進(jìn)入噴嘴環(huán)3時(shí)，由于此處面積由大到小，因而廢氣的壓力和溫度下降，流速迅速提高。高溫高速的廢氣氣流沖擊渦輪2，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣的壓力、溫度、流速越高，渦輪轉(zhuǎn)速也越高。通過渦輪的廢氣后排入大氣。這時(shí)與渦輪2同裝在一根轉(zhuǎn)子軸5上的壓氣機(jī)葉輪9也以相同的速度，將經(jīng)空氣濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機(jī)殼10。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進(jìn)入形狀做成進(jìn)口小出口大的擴(kuò)壓器8，使氣流的速度下降，壓力升高。再通過斷面由小到大的環(huán)形壓氣機(jī)殼10，使空氣壓力繼續(xù)升高。最后，高壓空氣流經(jīng)中冷器11和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管6進(jìn)入汽缸。由于增大了充氣效率，使燃油燃燒更加充分，在排量不變的情況下使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更大的功率。

渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)是由渦輪增壓器和中冷器兩部分組成，通過渦輪增壓器壓縮空氣，由中冷器對(duì)壓縮后的空氣進(jìn)行冷卻。渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進(jìn)氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器的進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在通往進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣管路上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸鋼性聯(lián)接。中冷器是渦輪增壓系統(tǒng)的一部分。空氣被高比例壓縮后溫度會(huì)升高，容積率反而降低。所以，增壓后的空氣在進(jìn)入汽缸前要對(duì)其進(jìn)行冷卻。原理是在發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器之間加裝一個(gè)散熱器（稱作中央冷卻器，簡(jiǎn)稱中冷器），結(jié)構(gòu)類似于水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細(xì)小的管道里，管道外有常溫空氣高速流過（有的采用循環(huán)水冷或冷卻風(fēng)扇），達(dá)到降溫的目的（可以將壓縮空氣的溫度從150℃降到50℃左右），在提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的同時(shí)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮始點(diǎn)的溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、熱負(fù)荷和 NOx的排放

渦輪增壓技術(shù)分類

目前主要的渦輪增壓技術(shù)有混流式渦輪增壓技術(shù)、可變渦輪增壓技術(shù)、兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)、電輔助渦輪增壓技術(shù)。

（1）混流式渦輪增壓技術(shù)

混流式渦輪也稱斜流式渦輪，是一種介于徑流式渦輪和軸流式渦輪的一種中間形式。如下圖所示，由于葉片進(jìn)口傾斜，使得氣流能很好地適應(yīng)葉型的變化而平緩地過渡至軸向，并且可以有效地防止葉輪出口外徑增大帶來的輪緣處氣流脫離現(xiàn)象，使葉輪的內(nèi)部流場(chǎng)大為改善，與同樣輪徑的徑流式渦輪相比，流通能力增加約40%，可以滿足渦輪增壓器向高速、大容量變化發(fā)展要求。世界各國(guó)最新車用增壓器產(chǎn)品上，已采用大容量混流式渦輪和寬流量范圍的前傾后彎壓氣機(jī)來獲得高效率的增壓器性能。

原理

（2）可變截面渦輪增壓技術(shù)

渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進(jìn)氣截面、蝸殼出口環(huán)形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調(diào)節(jié)因?qū)崿F(xiàn)起來較為復(fù)雜且易造成較大損失，調(diào)節(jié)效果不如前兩者，故一般不予

考慮。基于此可變渦輪增壓器有兩種結(jié)構(gòu)，即可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)和可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。對(duì)于無葉徑流式渦輪機(jī)，采用可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在渦輪進(jìn)氣截面后加擺動(dòng)舌片，通過舌片的擺動(dòng)，改變蝸殼的面徑比A/R值，對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，減小A/R值，提高渦輪轉(zhuǎn)速，增加進(jìn)氣壓力；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，增加A/R值，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于流動(dòng)損失較大且調(diào)節(jié)范圍有一定限制，增壓器總效率低。

原理

對(duì)于有葉徑流式渦輪機(jī)，采用可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要適用于在大排量重型車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。如下圖所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速或怠速時(shí)，噴嘴葉片關(guān)閉或開度很小，增加進(jìn)氣壓力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和響應(yīng)性；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，噴嘴葉片全開或開度加大，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問題，在設(shè)計(jì)和制造上難度較大，生產(chǎn)成本高。

（3）二級(jí)渦輪增壓技術(shù)

二級(jí)渦輪增壓技術(shù)，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中采用兩個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器，實(shí)現(xiàn)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)在更大工況范圍的良好匹配的一種技術(shù)。如下圖該渦輪增壓系統(tǒng)由一大一小兩個(gè)渦輪增壓器串聯(lián)搭配而成。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，只有一個(gè)質(zhì)量小的渦輪增壓器工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，質(zhì)量大的渦輪增壓器開始介人工作，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

二級(jí)渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和加速性的同時(shí)，可以改善渦輪遲滯現(xiàn)象，但與單級(jí)系統(tǒng)相比，在部分負(fù)荷時(shí)采用二級(jí)增壓系統(tǒng)增壓比下降快，使得發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷性能惡化。此外，二級(jí)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。

渦輪增壓器常見故障及原因

（1）增壓效果差

主要表現(xiàn)在動(dòng)力下降，冒黑煙、藍(lán)煙，燃油經(jīng)濟(jì)性差，機(jī)油消耗量明顯過多。

（2）增壓壓力偏低

增壓壓力偏低是指與正常情況相比（增壓壓力低于正常值的 90%)）。增壓壓力偏低，使氣缸內(nèi)充量減少，不但柴油機(jī)功率下降，而且會(huì)使氣缸內(nèi)燃燒過程惡化，油耗和排氣溫度升高。

（3）增壓器一端或兩端漏油

這是比較常見的故障，也是影響增壓器使用壽命的主要原因。增壓器轉(zhuǎn)速很高，其浮動(dòng)軸承的潤(rùn)滑全靠來自油底殼的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。以正常壓力進(jìn)入軸承間隙的機(jī)油在通過軸承工作面后，機(jī)油壓力變?yōu)榱悖孔陨碇亓α骰赜偷讱ぃ粫?huì)從增壓器兩端流出。在正常工作時(shí)，增壓器兩葉輪之間有一定的壓力，機(jī)油是不會(huì)從低壓的軸承區(qū)流向兩端高壓區(qū)的，而且兩葉輪和浮動(dòng)軸承之間還有密封環(huán)，一般情況下不會(huì)發(fā)生漏油現(xiàn)象，但在下列情況下機(jī)油有可能從增壓器兩端漏出。

上述內(nèi)容相對(duì)比較簡(jiǎn)單的為各位朋友介紹了汽車的渦輪增壓技術(shù)，希望能給大家?guī)韼椭Ｎ沂橇萍既耍蠹乙部梢酝瑫r(shí)關(guān)注我的微信公眾號(hào)《六六科技信息》，我們一起談車說科技。歡迎有相同興趣的朋友加入我們的工作微信cangshui95，聊汽車、聊科技、聊熱點(diǎn)、聊人生。