淺談汽車渦輪增壓發(fā)動機技術(shù)

陳寶坤

【中圖分類號】G4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）14-0047-02

一般來說，汽車引擎的排量和功率是成正比的，要提高發(fā)動機的輸出功率，最直接的方法就是提高發(fā)動機的排量。但排量提高的同時，發(fā)動機制造的精密程度、重量、能耗也被無限量增大，其缺點也是顯而易見的。為了化解這一矛盾，那些富有鉆研精神的汽車工程師們創(chuàng)新式的使用了發(fā)動機增壓技術(shù)，它使汽車引擎獲得額外的大功率動力輸出成為了可能。

渦輪增壓技術(shù)的使用歷史

汽車引擎的增壓技術(shù)可分為機械增壓和廢氣渦輪增壓兩種，其中廢氣渦輪增壓技術(shù)因更高的能效比而應(yīng)用得最為廣泛。

說到渦輪增壓技術(shù)，它已經(jīng)有100多年歷史了。在1905年Alfred Buchi博士就申請了第一款渦輪增壓器的專利-動力驅(qū)動的軸向增壓器。到了1961年，小轎車開始試探性地安裝增壓器，但因為瞬間產(chǎn)生的巨大壓力和熱量，使安裝后效果并不理想。而來自于北歐瑞典的Saab薩博公司則是第一家把渦輪增壓器應(yīng)用到汽車產(chǎn)品上的汽車制造商，1977年問世的Saab薩博99汽車，使汽車發(fā)動機在應(yīng)用渦輪增壓技術(shù)上，真正開始走向成熟，它的到來同時宣告了汽車產(chǎn)業(yè)一個新時代的誕生。渦輪增壓技術(shù)改寫了“排量大小決定功率”的傳統(tǒng)概念。

渦輪增壓發(fā)動機的性能體現(xiàn)

裝備了渦輪增壓發(fā)動機的汽車，不僅在動力和功率這些性能的數(shù)字表現(xiàn)上，遠超于同排量的汽車產(chǎn)品，更在實際使用過程中能與排量上比自己上一個等級的汽車相匹敵。如：Saab薩博公司在最新款Saab薩博9-3 Vector 2.0TS上裝備的2.0升強渦輪增壓發(fā)動機可以在5300轉(zhuǎn)時輸出驚人的155kW的功率，這一指標幾乎已經(jīng)趕上普通轎車3.0排量的發(fā)動機。也就是說在某一程度上，這款四缸發(fā)動機的產(chǎn)品所產(chǎn)生的功率與普通六缸發(fā)動機是等效的，這樣帶來的優(yōu)點很明顯，不僅不需要為了追求高速率來花更多的費用購買大排量汽車，并且發(fā)動機工作時噪音更小，而且采用分量較輕的發(fā)動機對降低整車重量、減少油耗更是大有益處。

環(huán)保、更低的排放標準也是渦輪增壓器一個很重要的優(yōu)點。因為在污染日趨嚴重的今天，一個有高度責任感的汽車制造商不僅要滿足客戶對汽車的駕乘欲望，保證產(chǎn)品有足夠的駕駛樂趣，更要以保護環(huán)境、創(chuàng)造良好的生存空間為己任。渦輪增壓器正好能滿足即提高燃油經(jīng)濟性，降低排放，同時又不會以失去駕駛樂趣為代價的綜合性要求。因為增壓會給燃燒室提供更多的空氣，使燃燒更徹底，排放更干凈。特別在高海拔空氣稀薄地區(qū)和嚴寒地區(qū)渦輪發(fā)動機也能有效的工作。目前全世界只有Saab薩博是唯一一個全系列產(chǎn)品都采用渦輪增壓技術(shù)的汽車品牌。

渦輪增壓發(fā)動機的性能原理

渦輪增壓器的最大優(yōu)點是能在不加大發(fā)動機排量就能較大幅度地提高發(fā)動機的功率及扭力，一般而言，加裝增壓器后的發(fā)動機的功率及扭矩要增大20%～30%。渦輪增壓器的缺點是滯后，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應(yīng)遲緩，使發(fā)動機延遲增加或減少輸出功率，這對于要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。 以前，渦輪增壓器大都用在柴油發(fā)動機上，現(xiàn)在一些汽油發(fā)動機也采用渦輪增壓器。因為汽油和柴油的燃燒方式不一樣，因此發(fā)動機采用渦輪增壓器的形式也有所區(qū)別 汽油發(fā)動機不同于柴油發(fā)動機，它進入氣缸的不是空氣，而是汽油與空氣的混合氣，壓力過大容易爆燃。因此，安裝渦輪增壓器必須要避免爆燃，這里涉及兩個相關(guān)問題，一個是高溫控制，另一個是點火時間控制。 強制性增壓后，汽油機壓縮和燃燒時的溫度和壓力都會增加，爆燃傾向增加。另外，汽油機排氣溫度比柴油機高，而且不宜采用增大氣門重疊角（進、氣排門同時開啟的時間）方式來加強排氣的降溫，降低壓縮比又會造成燃燒不充分。還有，汽油機的轉(zhuǎn)速比柴油機高，空氣流量變化大，很容易造成渦輪增壓器反應(yīng)滯后。針對汽油機使用渦輪增壓器出現(xiàn)的一系列問題，工程師有針對性地一一做了改進，使汽油機也能用上廢氣渦輪增壓器。 中冷器 渦輪增壓器吸進的空氣經(jīng)壓縮溫度增高了，在流動時與進氣管壁摩擦還會進一步增高，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝置降低進氣溫度的設(shè)備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進氣管之間，對進入氣缸的空氣進行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過l冷卻而逸散到大氣中去。據(jù)測試，性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動機壓縮比能保持一定值而不會產(chǎn)生爆燃，同時降低溫度也可提高進氣壓力，進一步提高發(fā)動機的有效功率。 葉輪 由于汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍寬，空氣流量變化大，因此渦輪增壓器的壓縮葉輪外形是復(fù)雜的三元曲面超薄壁葉輪片，一般有12～30片葉，呈放射線狀曲線排列，葉片厚度在0.5毫米以下，采用鋁材用特殊鑄造法制作。葉片形狀的優(yōu)劣直接影響到到渦輪增壓發(fā)動機的性能。葉輪形狀角度越合理，質(zhì)量越輕，葉輪的啟動就越靈敏，渦輪增壓器的天生缺陷“反應(yīng)滯后”也就越小。 爆燃傳感器 除了降低溫度來減少爆燃的可能外，還要采用爆燃傳感器，它的作用就是在產(chǎn)生爆燃之時，傳感器感到不正常的振動會立即將信息反饋至發(fā)動機ECU（電子控制單元）控制系統(tǒng)，將點火定時稍推遲一點，不產(chǎn)生爆燃的時候再恢復(fù)正常點火定時。 由于轎車汽油機的轉(zhuǎn)速比柴油機高，空氣流速快而且變化范圍大，因此它的渦輪增壓器有更高的要求。現(xiàn)代轎車發(fā)動機已普遍采用電子噴射系統(tǒng)，在電子控制技術(shù)及新材料的配合下，渦輪增壓器在汽油機上的應(yīng)用也會日益普遍。

渦輪增壓技術(shù)的明天

隨著科技的進步，渦輪增壓器已經(jīng)變得部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)速更高，空氣壓縮比更優(yōu)。今天，在歐洲，渦輪增壓器已經(jīng)占到了50%，渦輪增壓發(fā)動機已經(jīng)成為提高動力性能的主流方向。隨著新的耐高溫材料、新的平衡技術(shù)和微量潤滑油軸承系統(tǒng)及全新電子控制的使用，渦輪增壓器對于今后的汽車還同樣起著重要的作用。