帶你認識增壓發(fā)動機(3)：渦輪增壓器

　　[太平洋汽車網(wǎng) 導購頻道]在上篇中，我們介紹了機械增壓這種古老的增壓形式。不過大家目前聽得最多的，當然是渦輪增壓了。渦輪增壓現(xiàn)在風頭正勁，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20年代，船舶開始配備渦輪增壓柴油發(fā)動機。第二次時間大戰(zhàn)期間，美國戰(zhàn)機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)機在高空吸入空氣量不足的問題，其中有不少都是“名機”：例如B-17空中堡壘、B - 24轟炸機、P - 38閃電和P - 47雷電這兩款戰(zhàn)斗機。

B-17空中堡壘

　　廢氣的能量

　　發(fā)動機在燃燒后的混合氣體叫做廢氣，不過這個廢氣其實其實還是蘊藏很大能量的。正常發(fā)動全負荷工作時的排氣溫度大概在750-900攝氏度。排氣壓力視乎發(fā)動機的工作狀態(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，流速可以達到500-700m/s，這個動能是相當大的，不利用可就浪費了。

　　渦輪增壓器 原理很簡單 工藝極復雜

　　由于廢氣具備的能量依然很大，不用可就浪費了。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行壓縮，因此兩者的形狀是完全不同的的，氣流的運動方向也完全不一致。由于渦輪承受的是發(fā)動機高溫高壓的廢氣，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)動機自身功率，這和機械增壓器會消耗發(fā)動機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)構緊湊。

　　“壓力越大，動力越大”這是渦輪增壓的真實寫照。上篇我們提到過的機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)動機的功率也越多。但渦輪增壓完全沒有這樣的缺點，反而會因為轉(zhuǎn)速的上升而更具威力。因為隨著發(fā)動機轉(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能達到1.3。不少改裝車經(jīng)過缸體強化和電腦調(diào)教之后也能夠輕易實現(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)動機電腦后能夠輕易達到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)動機的壽命。從中看出，渦輪增壓比機械增壓的增壓值高得多，相應而獲得的發(fā)動機功率提升也更大。

　　高溫是渦輪增壓器最大的殺手

　　渦輪增壓器結(jié)構簡單、不消耗發(fā)動機自身的功率、增壓值高，這些因素導致渦輪增壓具備強大的優(yōu)勢。不過渦輪增壓的原理使其具備一個最大的隱患：高溫。也正是這個隱患導致渦輪增壓遲遲沒有進入民用領域。

　　熱量的來源有幾個方面。第一是廢氣溫度、前面我們講過，汽油發(fā)動機的排氣溫度在全負荷工作時能夠達到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，使整個渦輪增壓器處于絕對的“熱火”之中。

　　高溫導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。所謂的遲滯是我們踩下油門踏板那一刻，到發(fā)動機輸出相應功率所需要的時間。實際上所有的發(fā)動機都會存在這個遲滯，只是多少而已。因為如果您仔細感覺的話，都可以感覺出來。我們在踩下油門踏板的瞬間，發(fā)動機需要吸入更多的空氣、調(diào)整噴油量，這些都需要時間。

　　因為早期的渦輪增壓發(fā)動機在“遲滯”方面表現(xiàn)突出，因為被廣為認知。那么渦輪的遲滯是從哪里來的呢?一是渦輪轉(zhuǎn)動的慣性、要將其加速需要時間；二是轉(zhuǎn)軸和軸承之間的摩擦；最后就是因為葉輪攪動空氣所形成的阻力了。在這三個因素里，葉輪攪動空氣所產(chǎn)生的阻力是最為主要的。正是因為整個渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提升需要時間，葉輪越大，增壓值越大，所需要的加速時間就越長，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，間接提升低速時的扭矩特性，從而使發(fā)動機轉(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)象相當明顯。現(xiàn)在的渦輪增壓發(fā)動機普遍采用直噴技術，另外采用低增壓技術，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，唯有在急加速時方能有所察覺，但這種遲滯現(xiàn)象和自然吸氣發(fā)動機在加速時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)動機的“遲滯”現(xiàn)象根本不能和早期的高增壓發(fā)動機相比，只不過由于遲滯的說法已經(jīng)存在多年，先入為主而已。

相關視頻：直噴技術是如何幫助改善渦輪遲滯的

　　渦輪介入的說法準確嗎

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

大眾1.8T 發(fā)動機工況圖

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

　　如果你想更多地了解增壓發(fā)動機的知識，請點擊

　　《帶你認識增壓發(fā)動機(一)：增壓器的由來》

　　《帶你認識增壓發(fā)動機（二）：機械增壓器》