涡轮增压原理

东东8500R · 发表于 2007-11-8 00:08:00

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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。那么如何把2.0L 汽缸内的容积效率提升到接近甚至超过3.0L 呢?
   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。
   涡轮增压系统如何工作？

   我们希望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（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。
涡轮叶轮的叶片型式，可分为“水车式” 叶片（外形是直片设计，让废气冲撞而产生回旋力量，直接与回转运动结合），及“风车式”叶片（外形为弯曲型叶片设计，除了利用冲撞的力量以外，还能有效利用气流进入叶片与叶片之间，获取废气膨胀能量）。涡轮叶轮的轮径及叶片数会影响马力线性，理论上来说，叶片数愈少，低速响应较差，但高速时的爆发力与持续力却不是多叶片可比拟的。
   涡轮叶轮的叶片大多以耐高热的钢铁制造（有的使用陶瓷技术），但由于铁本身的质量较大，于是又轻又强的钛合金叶片因此产生。只是在量产车中，现在只有三菱LancerEVO Ⅸ RS 车型有搭载钛合金叶片涡轮（EVO 的钛合金涡轮型号为TD05-HRA，一般的则为TD05-HR 请读者明鉴）。而改装品中，也只有Garrett 出品的赛车专用涡轮使用钛合金，除此以外暂没听说。
压气机叶轮
叶片是涡轮的动力来源。但压气机叶轮及涡轮叶轮各有不同的功用，因此叶片外形当然也不一样。压气机叶轮基本上是把如何将空气有效率地推挤入压缩信道视为首要任务，然后再加以决定其形状。
   一般原厂涡轮的压气机叶轮(Compressor Wheel) 都使用全叶片的设计，即叶片是整片从顶端到末端的设计。而为了增加吸入空气的通路面积，提升高速回转时的效率，目前已出现了许多在全叶片旁穿插安装半块叶片的叶轮（此种设计多出现在改装品上）。
   而压气机叶轮设计的另一个目的是让压缩空气的流速均等化。传统的叶轮为“放射型压缩轮”，其两叶片之间的气体流速变化很快：位于叶轮运转方向前方的空气，被叶片挤压，故流速很快。但叶片后方的空气则因为吸入阻力及回压力等因素，流速较慢。当节气门半开时，压气机叶轮转速下降，进入压缩轮的空气速度就会降低。而之前已被压缩的空气量如果此时相对过多，便会出现“真空”的状态，无法输送空气（压气机叶轮转速无法产生大于进气管中气压的压力），相对压力也就无法产生了（压力回馈），这也就是所谓的“气体剥离” (Compressor Surge) 现象。
   所谓的Surge 效应，就好比我们用手去搅动水桶里的水，当手搅动的速度愈快，水桶里的水就会愈来愈向水桶边缘扩散，接着水桶里的水位也就会愈来愈低，到最后水桶里的水则变成只能在水桶周围旋转，而无法落下。这样的现象也会发生在空气流体力学上。大家可以试想：压气机进风口就好比是一个水桶，周围空气就像是水，至于涡轮叶片就好比是搅动的手，当涡轮叶片转速一旦提升，进气口内的气流就会逐渐向周围扩散，转速提升愈高，气流就愈向周围靠近，导致涡轮叶片中央位置会愈来愈吸不到空气，到最后甚至会呈现真空的状态，使得空气只能从叶片周围进入，进气效率当然也就会跟着下降，这样的现象就是所谓的Surge 效应。而迎风角度大的叶片，进气效率虽较好，但却容易在高转速时发生Surge 效应，而角度较小的叶片则反之。
   为了防止“气体剥离”现象，把叶片角度设计成向运转方向缩小（与涡轮轴线方向更接近），以维持流速均一化的“反向”压缩轮渐渐成为改装品的主流，而这也就是改装界所谓的“斜流”叶片。“斜流”叶片通常都在原有的主叶片下，多加半个叶片（一般其角度更接近涡轮轴线方向，即更竖直）。若从进气入口正视压气机叶轮，可看到两个叶片重叠，就代表这是“斜流” 叶轮。而Hybrid Turbine 的压气机叶轮通常亦会使用“斜流”叶片( 后方并加以切平) 搭配漏斗式的加大吸气口来增加出风量。此外，还有压气机进风口处加设循环排气孔，让流失的压缩空气2次循环来减少surge效应的新设计（此处不赘述，HKS T04Z 便有此设计）。
内置式排气旁通阀
内置式排气旁通阀（Internal Wastegate，俗称Actuator），是目前涡轮系统中最常见的泄压装置，一般又被称为连动式排气泄压阀。“Actuator”直接配置在涡轮上，利用一支连杆来控制涡轮排气中的阀门，一旦涡轮压缩空气端的增压值达到限定的程度，进气压力便会推“Actuator”的连杆，使涡轮排气侧内的旁通阀门开启，部分废气不经涡轮叶轮（Turbine Wheel）直接排到排气管。这样减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，涡轮叶轮转速降低，同时带动压气机叶轮转速降低。因此“Actuator”既是限制涡轮最高转速的装置，也是使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值（不会长时间过高）的装置。
外置式排气旁通阀（External Wastegate，俗称Wastegate）也被称为排气泄压阀，功能与“Actuator”大致相同，但结构与安装位置有别。结构上“Wastegate”省去了连杆和在涡轮内的排气阀门。而位置上“Wastegate”以独立方式安装在涡轮与排气管头段之间，而无须像“Actuator”那样依附于涡轮增压器本体上。一旦涡轮增压值达到设定上限，“Wastegate”排出( 可直接排向大气或导回排气管内) 多余的废气，减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，进而使涡轮保持稳定的增压值。“Wastegate”比“Actuator”有更大的增压容量（可配用大的弹簧）且反应灵敏，所以更适合用在大马力或高增压涡轮发动机上，尤其是使用差异过大的Hybird 涡轮，更是必备用品！
中冷器（中央冷却器，Intercooler）位于压气机出风口与节气门之间的“散热排”。其构造有点像水箱，就是运用横向的众多小扁铝管分割压缩空气，然后利用外界的冷风吹过与细管相连的散热鳍片，达到冷却压缩空气的目的，使进气温度较为接近常温。
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引擎最不喜欢高温的气体，因为高温空气会使马力下降。特别是四季炎热的亚热带地区。但由于涡轮增压器会把吸进引擎的气体进行强制压缩，从而使空气密度提高，但与此同时，空气的温度也会急剧上升。温度上升又反过来造成被压缩空气的氧含量下降。此外这股热气未经冷却即进入高温的汽缸，将导致燃油的不规则预燃（爆震），使引擎温升进一步加剧，增加了熔毁活塞的可能。
   为了提升空气密度，同时兼顾空气中的含氧量，我们需要在压缩空气后（压缩程度较大）降低进气的温度。中冷器因此而产生。中冷器的面积及厚度越大，其散热能力越强。因为面积和厚度大，其内的小扁管数量、长度和散热叶片等皆随之增加，中冷器内的高温压缩空气及中冷器外的大气就有更多的接触面积及接触时间，热交换（散热）的面积和时间更充分，降温效果更好。虽然大容量中冷器有更好的冷却效能，但其加长了散热路径和增大了进气容度，会带来相对的压力损失，TurboLag 容易变大。
   进气旁通阀
进气旁通阀（ReliefValve）一般又称为“进气泄压阀”。它安装在靠近节气门的进气管上，它是大部分涡轮增压发动机出厂时原配的泄压装置。
   由于涡轮是利用废气排出的力量来驱动，当驾驶过程中收油门（如换挡、急刹车时），节气门关闭。涡轮叶片（压气机叶轮）在惯性作用下仍旧持续转动。此时因节气门的截断和叶片的继续增压所致，进气管路中（在节气门与涡轮之间）的空气压力会迅速提高。为了保护增压系统，当压力达到某一限定值后，进气旁通阀打开，把过剩的空气（压力）导回至滤清器与涡轮之间，实现降压保护的功能。
   Blow-Off Valve（BOV）即俗称的“放气哇佬”，同样属于进气旁通阀。只是它一般被用作取代Relief Valve的改装部件。其功能基本上和Relief Valve 相同，唯一的差异仅在于Blow-off Valve的阀门并不会像Relief Valve那样容易受到进气压力的影响而开启（导致进气压力下降）。而且在节气门关闭后，Blow-off Valve 是将剩余压力直接向大气释放，并非再导于涡轮与滤清器之间再度增压。因此BlowoffValve 除了同样具有保护涡轮系统的效果外，在泄压反应上也比起原厂配置的Relief Valve 更为优异。但对于小排量或小增压的涡轮发动机来说，Blow-off Valve对再加油的动力响应会变差。另外Blow-off Valve 泄压时会产生更大的泄气声，令人听得更为兴奋，也成为涡轮增压车最为特殊的音效。
混种型涡轮Hybrid Turbine
  前面常常提到“Hybrid Turbine” 这个词。相信大家一定存在很大的疑问，下面我们大概介绍“HybridTurbine”这个改装涡轮的重要名词。
由于时下市售车为了顾及运转精度、油耗、耐用性等多方面因素，在涡轮容量、增压值或者A/R 值方面通常都会采用较保守的设定。所以就改装的观点来看，原厂涡轮当然还有再升级的空间。而在进行涡轮升级的时候很多人都会感到困惑，到底是要选择能够发挥大马力的高速型涡轮? 还是要擅长反应、低转速就能发挥的扭力型涡轮?
   涡轮容量的大小与发动机的动力输出息息相关的。但发动机本身也有其自身的特性，如单凸和双凸就各有长处，选择涡轮时这些都要考虑。此外排气量也非常重要，举例来说，大排气量的引擎上装置扭力型的小容量涡轮，虽然它有低转反应佳的优点（涡轮很快出效果），但容量也很快就塞满了，转眼间涡轮转速已达最高点，压力也很难再有增加。因此到了排废气能量较大的高转区域，增压已经达到极限，造成空气过给效率不足，无法提供引擎所需的空气量。这时要它再将马力随引擎转速向上提升实在非常勉强，当然也就无法期待能有更高马力输出，这便是小型涡轮的不利点。
   相反地，若是想让涡轮到高转速产生大马力才开始发挥作用，则加大涡轮本体的体积是提升增压风量最快的方法。不过，涡轮的容量越大，虽能够将越多的空气送入汽缸内，但是驱动涡轮所需的动力也必须相对增大。也就是说，要驱动容量越大的涡轮并使其完全发挥增压效果，引擎本身也就必须具有越大的排气量。而如果在小排气量发动机上使用高出力取向的大型涡轮，在引擎废气量较小时的低转速区域，涡轮转速不易提高，增压值亦很难提升上去。所以只要叶片的转速降下去便很难快速再提升上来，这也就形成涡轮最严重的缺点涡轮迟滞（Turbo Lag）。
   为了解决以上的矛盾，改装涡轮厂则推出了混种型涡轮（Hybrid Turbine）。希望在同样增压值的情况下，同时拥有大涡轮的马力优势，又拥有小涡轮的反应优势。混种型涡轮主要采用大压气机叶轮配合小涡轮叶轮的设计。这种涡轮受到改装界的青睐，日本最近流行的“Bolt-on”原厂交换式涡轮，也就是以此为设计中心的。
   混种型涡轮的优点在于具有反应极快、高转马力输出良好，可兼顾全转速域的表现。以HKS的2530 为例，就是由A/R80 的压气机叶轮再组合A/R60 的压缩轮而成。不过，这种搭配如果太过极端，很容易发生排压过大甚至是熔毁涡轮叶片的情况。解决的方法是除了使用作动灵敏的排气泄压阀、大口径排气管外，甚至还可用高强度的钛合金涡轮叶片（其轻量化的特质对涡轮反应也有帮助）。
涡轮增压重要术语及数据
   理论上引擎排气量的多寡，应与涡轮本体容量的大小成正比，如果将同一颗涡轮使用在2．0 升与3．0 升两种引擎上，结果也必然会产生两种完全不同的出力特性。可是涡轮的性能又不完全依据容量来决定，这还跟轴承的设计、进排气配置、叶片的设计、进出风口径、Trim 比和重要的A/R 值等都有极大关联。

   因此我们选出几个涉及涡轮的重要技术术语及数据，让你了解涡轮更加透彻。
   A/R 值
“A/R 值”是压气机壳体（Compressor Housing）及涡轮壳体（Turbine Housing）的几何特性数字。R（Radius）为涡轮轴承中心到压气机出风口（或涡轮进风口）横截面（涡轮半径线绕360 度一圆周后）中心点的距离。A（Area）指压气机壳体的出风口（或涡轮壳体入风口）对应以上中心点所在的横截面积。以A 除上R 的所得两者的比例即为A/R 值。
   A/R值分为压气A/R值、涡轮A/R值。一般而言压气A/R值大，较适合低增压涡轮使用。而压气A/R 值小，较适合高增压涡轮使用。但相对而言压气A/R 值的大小变化对涡轮性能的影响较小。一般的Hybrid Turbine 都在既定的压气A/R 值压气机壳体上选用不同的涡轮壳体进行搭配。而对于排气端的涡轮A/R 值就显得非常重要了。A/R 值越小，即排废气的流速较高，涡轮在低转速区域的增压反应越快，涡轮迟滞减低，涡轮也就能在较低的转速区域取得较高的增压。但同时A/R 值越小，加大了排气背压，高转速废气流量不足，使高转马力输出有限。
   相对的，A/R 值越大，涡轮在低转速域的增压反应便越差，但尽管引擎的低转速增压难以上升，不过在高转速区域却可以产生更大的动力，高转高出力的倾向相当明确。总而言之，A/R 值（涡轮A/R 值）小属于低速扭力型涡轮，而A/R 值大则是高转大出力涡轮。
   压气机壳体间隙
就涡轮本体的构造来看，压气机叶轮端缘和压气机壳体的间隙是个对涡轮性能十分重要的数据。该间隙能做到最小限度的话，空气充填效率可大幅提高。因为这样的话，吸入的压缩空气就不会出现逆流现象，并连带可降低进气温度，进而激发出更大的马力。所以许多改装用涡轮厂商都利用填充树脂或Coating 将间隙做到只有0.06mm 的超薄境界。
增压值
增压值（俗称Bar 值）是影响引擎动力的参数之一，它指的是涡轮送入引擎中的空气压力，也就是说压进发动机的空气总量的大小。增压值一般以kg/m3、Bar 或是Psi 为单位（一般的涡轮压力表以Bar 为单位）。
   涡轮的增压值越高，是否就可以榨出越大的动力呢? 如果以两个排气量与结构完全相同发动机做比较，分别把增压值设定为0.7kg/cm2 与1.2kg/cm2 的两个值。只要引擎能够提供足够的燃油供给，由于增压高的引擎能送入汽缸的空气较多，那么汽缸内的容积效率也提升，因此其动力输出更高的可能性远大于低增压那台。但请不要忘记，增压值高低不是绝对的动力输出高低的唯一指标。
   Trim比
即使是同样大小的涡轮，同样的叶轮形状、同样的A/R 值设定等，涡轮的特性也可以利用“Trim”比来修正。举例来说，若装置的是低转速进风量不足的大型涡轮，就算不增加涡轮容量，通过减少Trim 比，也可以在某种程度上改善低转速区域的输出。
   Trim 比指轮叶的小圆周直径（Inducer）与外圆周直径（Exducer）相除的平方×100（Trim=（Inducer2/ Exducer2）×100）。用来表示涡轮送风量的物理极限，有些单指压气机。而若指涡轮的Trim 比则大小圆直径对调进行计算。
   压气机的Trim 比数字越大，便能压进更多的空气。所以，在各品牌的涡轮目录中，准备了许多尺寸相同，但Trim 比却不一样的压气机壳体，用意即在于让改装者根据性能需求来选购。在涡轮容量相同的情况下，使用Trim 比较大的壳体，引擎转速相同时，可以得到更高的增压。但不是Trim 比大就一定好。Trim 比大了，低转空气流量减少时，就容易发生压力回馈，气体剥离等缺点。因此最好还是要从压气机壳体的压缩比例、所需的空气流量、预算得到的马力等来判断出最佳的Trim 比，进而可选出适合的压气壳体。
   涡轮迟滞

   涡轮迟滞（Turbo Lag）是指当油门全开后，涡轮的增压压力一直升高到最大值所需要的时间。涡轮迟滞越大，表示该发动机的发力转速越高（之前转速的动力输出不高），可利用的发动机转速也越少。如果是大增压发动机，涡轮迟滞大，预示着其可能突然发力，对于平常驾驶将难以把握，驾驶困难甚至有安全隐患（飘移驾驶就另当别论）。
   现在越来越多的原装涡轮发动机在得到比自然进气机更大动力的同时，尽可能把涡轮迟滞降低。争取让其出力表现接近自然进气发动机的线性。使涡轮车的亲近性与易驾性更接近非涡轮车。
   涡轮迟滞由许多因素影响，包括涡轮的大小、发动机排量、发动机改装程度、涡轮轴的旋转惯性、涡轮的功效、进气损失、排气背压等。一般来说，如果发动机排量不变，涡轮越大涡轮迟滞越大、涡轮轴越重（旋转惯性越大）涡轮迟滞越大……