科技改變生活 · 科技引領未來
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隨著國內排放法規越來越嚴格的當下，加上電動化大趨勢的發展，國內品牌的發動機逐步小排量渦輪化。因此，在國內汽車市場越來越多的看到汽車搭載小排量渦輪發動機。
例如高爾夫的1.4T，吉利帝豪的1.4T，長安逸動的1.4T，卡羅拉的1.2T等等。基礎排量都是相對比較小的，并且都加裝了渦輪機。
說到渦輪技術，其實很早就被發明了，在二戰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燃機的渦輪增壓技術。
渦輪增壓(Turbo Boost)，是一種利用內燃機(運作轉產生的廢氣驅動空氣壓縮機的技術。
19世紀末期，隨著葉輪式機械的誕生，人們便認識到它與活塞式內燃機的不同。1905年11月瑞士工程師布希（ Alfred Buchi）提出了活塞式內燃機與葉輪式機械相結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世紀仍作為提高內燃機性能的重要手段繼續被研究。
20世紀20年代，瑞士某公司首先設計并試制成第一臺廢氣渦輪增壓器，和四沖程柴油機匹配。這臺增壓器增壓比為1.3，采用兩級離心式壓氣機，是柴油機發展史上另一個里程碑。1926年，世界上第一家增壓器公司在瑞士成立，同年德國生產出第一批渦輪增壓柴油機，使柴油機的功率由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40年代，渦輪增壓器的技術逐步成熟起來，如美國某公司早期生產低壓比的BF、E系列，1949 年開始生產的L、H系列，60 年代生產的C系列，瑞士某公司公司制定的VTR系列，英國某公司制定的MS和HP系列等。這一時期代表性的增壓器是法國某公司于1962年在漢諾威展覽會上首次展出的HS-400渦輪增壓器，增壓比達25，渦輪進（最高溫度600，最高轉速為20000r/min，增壓器重145 kg，用于功率294.2~441.3kW馬力的柴油機。
從20世紀50年代初到60年代初，船用柴油機增壓度從30%提高到了60%，這兩者使柴油機功率達到了22065kW。20世紀70年代，渦輪增壓器朝著高壓比、超高壓比的方向發展。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，總效率達到了64%一65%，而其開發的TPS系列船用增壓器，致力于高流通能力和高壓比，全負荷時壓比達到4.7。在壓比升高的同時，增壓器的流量范圍也進一步擴大。現在，渦輪增壓器的壓氣機在相同的殼體下，在高效率區域內最大流量和最小流量之比可達3.5以上。在研制高壓比、流量的增壓器同時，渦輪增壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其制造工藝也相應的簡化。如一種新的潤滑油泵，它能利用離心力的作用分離出潤滑油中的雜質，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氣消音器后使壓氣機效率提高1.5%~3.5%。
渦輪增壓的主要作用就是提高發動機進氣量，從而提高發動機的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺發動機裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺發動機在經過增壓之后能夠輸出更大的功率。就拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發動機來說，經過增壓之后，動力可以達到2.4L發動機的水平，但是耗油量卻并不比1.8L發動機高多少，在另外一個層面上來說就是提高燃油經濟性和降低尾氣排放。
汽油發動機是靠汽油與空氣形成的可燃混合氣在缸內燃燒做功輸出動力的，電噴汽油發動機輸出功率和轉矩的的大小取決于進入汽缸內的空氣量，當發動機的運行性能已處于最佳狀態時，要想提高其輸出功率只有通過壓縮更多的空氣進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殼體里的泵輪葉輪旋轉從而帶動進氣增壓室渦輪葉輪將空氣壓進汽缸，從而使提高發動機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。發動機排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上（渦輪室進氣口）。當發動機排出的具有一定壓力的高溫廢氣經渦輪殼4進入噴嘴環3時，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，廢氣的壓力、溫度、流速越高，渦輪轉速也越高。通過渦輪的廢氣后排入大氣。這時與渦輪2同裝在一根轉子軸5上的壓氣機葉輪9也以相同的速度，將經空氣濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機殼10。高速旋轉的壓氣機葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進入形狀做成進口小出口大的擴壓器8，使氣流的速度下降，壓力升高。再通過斷面由小到大的環形壓氣機殼10，使空氣壓力繼續升高。最后，高壓空氣流經中冷器11和發動機進氣管6進入汽缸。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動機輸出更大的功率。
汽油機渦輪增壓系統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，由中冷器對壓縮后的空氣進行冷卻。渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在通往進氣歧管的進氣管路上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸鋼性聯接。中冷器是渦輪增壓系統的一部分。空氣被高比例壓縮后溫度會升高，容積率反而降低。所以，增壓后的空氣在進入汽缸前要對其進行冷卻。原理是在發動機和渦輪增壓器之間加裝一個散熱器（稱作中央冷卻器，簡稱中冷器），結構類似于水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細小的管道里，管道外有常溫空氣高速流過（有的采用循環水冷或冷卻風扇），達到降溫的目的（可以將壓縮空氣的溫度從150℃降到50℃左右），在提高發動機功率輸出的同時，降低了發動機壓縮始點的溫度和整個循環的平均溫度，從而降低了發動機的排氣溫度、熱負荷和 NOx的排放
目前主要的渦輪增壓技術有混流式渦輪增壓技術、可變渦輪增壓技術、兩級渦輪增壓技術、電輔助渦輪增壓技術。
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，由于葉片進口傾斜，使得氣流能很好地適應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象，使葉輪的內部流場大為改善，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、大容量變化發展要求。世界各國最新車用增壓器產品上，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來獲得高效率的增壓器性能。
原理
渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進氣截面、蝸殼出口環形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調節因實現起來較為復雜且易造成較大損失，調節效果不如前兩者，故一般不予
考慮。基于此可變渦輪增壓器有兩種結構，即可動舌片增壓結構和可變噴嘴增壓結構。對于無葉徑流式渦輪機，采用可動舌片增壓結構。如圖3所示，在渦輪進氣截面后加擺動舌片，通過舌片的擺動，改變蝸殼的面徑比A/R值，對進氣量進行調節。在發動機低速時，減小A/R值，提高渦輪轉速，增加進氣壓力；當發動機轉速較高時，增加A/R值，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。可動舌片增壓結構簡單，調節方便，易實現自動控制，但由于流動損失較大且調節范圍有一定限制，增壓器總效率低。
原理
對于有葉徑流式渦輪機，采用可變噴嘴增壓結構。此結構主要適用于在大排量重型車用渦輪增壓發動機。如下圖所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發動機低速或怠速時，噴嘴葉片關閉或開度很小，增加進氣壓力，從而提高發動機的低速轉矩和響應性；當發動機轉速較高時，噴嘴葉片全開或開度加大，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問題，在設計和制造上難度較大，生產成本高。
二級渦輪增壓技術，就是在發動機進氣系統中采用兩個相互獨立的渦輪增壓器，實現增壓器與發動機在更大工況范圍的良好匹配的一種技術。如下圖該渦輪增壓系統由一大一小兩個渦輪增壓器串聯搭配而成。在發動機低速時，只有一個質量小的渦輪增壓器工作，這時較少的排氣即可驅動這只渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，改善發動機的低速轉矩和渦輪遲滯問題。當發動機轉速較高時，質量大的渦輪增壓器開始介人工作，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。
二級渦輪增壓技術在提高發動機動力性和加速性的同時，可以改善渦輪遲滯現象，但與單級系統相比，在部分負荷時采用二級增壓系統增壓比下降快，使得發動機低負荷性能惡化。此外，二級渦輪增壓器結構復雜，制造成本較高。
（1）增壓效果差
主要表現在動力下降，冒黑煙、藍煙，燃油經濟性差，機油消耗量明顯過多。
（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，使氣缸內充量減少，不但柴油機功率下降，而且會使氣缸內燃燒過程惡化，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。增壓器轉速很高，其浮動軸承的潤滑全靠來自油底殼的潤滑油潤滑。以正常壓力進入軸承間隙的機油在通過軸承工作面后，機油壓力變為零，靠自身重力流回油底殼，不會從增壓器兩端流出。在正常工作時，增壓器兩葉輪之間有一定的壓力，機油是不會從低壓的軸承區流向兩端高壓區的，而且兩葉輪和浮動軸承之間還有密封環，一般情況下不會發生漏油現象，但在下列情況下機油有可能從增壓器兩端漏出。
上述內容相對比較簡單的為各位朋友介紹了汽車的渦輪增壓技術，希望能給大家帶來幫助。我是六六科技人，大家也可以同時關注我的微信公眾號《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、聊人生。
王同