渦輪增壓器的工作原理及車輛的正確選擇和使用

程炎林

(馬鋼汽車運(yùn)輸服務(wù)有限公司 安徽馬鞍山 243000)

我們經(jīng)常能看到汽車上有T和Turbo的標(biāo)志，這表示車輛搭載了渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動機(jī)。渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用對車輛的經(jīng)濟(jì)性和安全性有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)呢?這是近期大家討論和爭議比較多的。有的說渦輪增壓發(fā)動機(jī)動力好，比較省油;有的說發(fā)動機(jī)容易燒機(jī)油，噪音大，增壓器容易壞，定期要更換，維護(hù)成本高等等。我們了解了渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，就能更好的根據(jù)其特性來選擇渦輪增壓車輛還是自然進(jìn)氣車輛，并根據(jù)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的工作要求對車輛進(jìn)行合理的維護(hù)。

1 渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展歷史

渦輪增壓技術(shù)最初是為了提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)的功率而設(shè)計(jì)出來的，1905年，瑞士人比希為了提高老式的活塞式飛機(jī)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，發(fā)明了渦輪增壓器，并得到該項(xiàng)目的專利。

一直到1961年美國通用汽車公司才將此項(xiàng)技術(shù)首次應(yīng)用到汽車上，70年代，渦輪增壓器在保時(shí)捷911和瑞典的SAAB薩博車輛上得到推廣應(yīng)用。而我國的汽車制造商是最近10年才將渦輪增壓器應(yīng)用到國產(chǎn)發(fā)動機(jī)上。發(fā)動機(jī)渦輪增壓技術(shù)有著百年的歷史，算得上是比較成熟的。而在我國汽車制造領(lǐng)域又是一項(xiàng)新技術(shù)，而且在高速推廣，發(fā)展速度驚人，有蓬勃發(fā)展之勢。

2 發(fā)動機(jī)增壓器的種類

汽車發(fā)動機(jī)的增壓器可以分為:機(jī)械式增壓器、渦輪增壓器，以及廢氣/機(jī)械式復(fù)合增壓器。

2.1 機(jī)械式增壓器(Supercharger)

機(jī)械式增壓器的工作原理是依靠發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動增壓器，帶動增壓器內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓的。一般采用皮帶連接曲軸皮帶輪的方式。汽車上的增壓器，起初都是機(jī)械增壓的，稱之為超級增壓器(supercharge)。

機(jī)械式增壓的工作特性:由于機(jī)械增壓器是依靠發(fā)動機(jī)曲軸提供動力的，因此其輸出的進(jìn)氣壓力隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增加，動力增加的線性關(guān)系比較好。在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下也能獲得增壓，這一點(diǎn)與渦輪增壓器區(qū)別明顯。渦輪增壓器在發(fā)動機(jī)低速或怠速的情況下沒有增壓效果。機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)的加速特性與自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)極為相似，卻比后者擁有更大的功率與扭矩。

機(jī)械增壓器由于其依靠曲軸動力，所以其結(jié)構(gòu)簡單，工作溫度低(一般工作在70℃ -100℃)，比起靠廢氣驅(qū)動的渦輪增壓器的高溫(400℃ -900℃)要低的多，發(fā)動機(jī)的冷卻系、潤滑系都和自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)一樣，在維護(hù)保養(yǎng)上沒有特殊要求。

由于機(jī)械增壓是靠發(fā)動機(jī)曲軸帶動的，在發(fā)動機(jī)高速情況下，隨著提供的進(jìn)氣壓力的不斷增大，增壓器的阻力也隨之增大，給發(fā)動機(jī)增加了額外的負(fù)荷，因此，必須在增壓與引擎負(fù)荷間取得平衡，以避免發(fā)動機(jī)做無用功。

2.2 渦輪增壓器(Turbocharger)

利用發(fā)動機(jī)高速排出的廢氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，使同軸的進(jìn)氣葉輪同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，將來自空濾器的潔凈空氣壓入氣缸，增加進(jìn)氣壓力。渦輪增壓器是利用了排氣能量，不會影響發(fā)動機(jī)的動力。

渦輪增壓器根據(jù)連接渦輪室前端的排氣管容積的大小又分為:定壓渦輪增壓器和脈沖渦輪增壓器。

定壓渦輪增壓器是把發(fā)動機(jī)排氣口與渦輪室進(jìn)氣口之間的排氣管設(shè)計(jì)的比較大。盡管各缸是交替排氣的，廢氣先進(jìn)入一個(gè)空間較大的排氣管，起到了緩沖作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為定壓增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全周進(jìn)氣，動力均勻連貫，氣流引起的震動較小。缺點(diǎn)是沖擊能量低，有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)增壓壓力較小時(shí)，定壓增壓系統(tǒng)僅僅利用了排氣能量的12% ～15%，高增壓時(shí)可達(dá)30%以上。因此發(fā)動機(jī)低速的扭矩和加速性能較差。

脈沖渦輪增壓系統(tǒng)則相反，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是排氣支管盡量做的短而細(xì)，空間盡可能的小，排氣能迅速地進(jìn)入渦輪室中膨脹做功，減少了因緩沖而降低的能量。因此，脈沖系統(tǒng)比定壓系統(tǒng)能更好的利用排氣能量，而且排氣管容積越小，效果越好，以至于有的制造商將增壓器與排氣管做成一體，使其結(jié)構(gòu)緊湊，排氣利用率高。

2.3 廢氣/機(jī)械式復(fù)合增壓器

為了兼顧發(fā)動機(jī)高低轉(zhuǎn)速兩種工況的增壓需要，工程師們在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)上安裝機(jī)械增壓器，在排氣系統(tǒng)上安裝渦輪增壓器，使增壓器串聯(lián)連接，在不同的轉(zhuǎn)速下為發(fā)動機(jī)提供增壓服務(wù)，就形成了廢氣/機(jī)械式復(fù)合增壓器。

3 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖，左邊氣流表示高溫廢氣，右邊氣流表示新鮮空氣。

3.1 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡單，主要由渦輪室、增壓器、中冷器、泄壓閥和旁通閥等組成。渦輪室進(jìn)氣口與發(fā)動機(jī)排氣口相連，渦輪室出氣口直通排氣管;增壓室進(jìn)氣口與空濾器連接，出氣口連接裝有節(jié)氣門的進(jìn)氣管;渦輪和葉輪通過軸剛性連接，分別裝在渦輪室和增壓室內(nèi)。由于空氣被高比例壓縮后會產(chǎn)很高的熱量，導(dǎo)致空氣膨脹，密度降低，為了使被壓縮的空氣溫度降低，得到更好的容積效率，必須對壓縮空氣進(jìn)行冷卻。因此，在渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)之間增加了冷卻器，稱為中冷器。泄壓閥安裝在增壓器與節(jié)氣門之間的進(jìn)氣管上，由電腦控制單元ECU控制;旁通閥安裝在渦輪室進(jìn)氣口前端，旁通閥打開時(shí)，廢氣可以不進(jìn)入渦輪室參與做功而直接排入排氣管。

3.2 渦輪增壓器的工作原理

簡單的理解渦輪增壓器就是一個(gè)空氣壓縮機(jī)，只不過它是由發(fā)動機(jī)排氣驅(qū)動，不消耗發(fā)動機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)能量的再利用。

從氣缸排出的高溫高壓廢氣，具有很大的動能，進(jìn)入與排氣支管連接的渦輪增壓器的渦輪室，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，使同軸的增壓器葉輪旋轉(zhuǎn);葉輪室的進(jìn)氣口與空氣濾清器相連接，出氣口與發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管相連接，葉輪的轉(zhuǎn)動將來自空濾器的純凈空氣向發(fā)動機(jī)進(jìn)行輸送，提高進(jìn)氣壓力。

當(dāng)發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，排氣量少，渦輪轉(zhuǎn)速低，此時(shí)，低轉(zhuǎn)速的葉輪不能對由于真空而自然進(jìn)入氣缸的空氣產(chǎn)生推力，不能起到增壓的作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到中高速時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速增加，其產(chǎn)生的氣壓能增加進(jìn)氣的壓力，增加進(jìn)氣量，隨著燃油的增加和充分燃燒，就提升了發(fā)動機(jī)的功率輸出。

為了增加氣缸內(nèi)空氣的進(jìn)氣量，提高空氣的充盈度，必須保證進(jìn)入的空氣溫度不能過高;當(dāng)葉輪增加進(jìn)氣壓力的時(shí)候，空氣溫度升高，密度下降，降低了實(shí)際的進(jìn)氣量。因此，中冷器就成了渦輪增壓系統(tǒng)不可缺少的部分。中冷器實(shí)際上就是一個(gè)散熱器，將高溫氣體在小截面的管道內(nèi)流過，而管道外增加散熱片，有常溫空氣流過，從而達(dá)到降溫目的(可以將氣體溫度從150℃降到50℃左右)。

行駛過程中，當(dāng)需要減速或停車時(shí)，需要減小油門，關(guān)閉節(jié)氣門，此時(shí)由于渦輪葉輪的慣性作用，繼續(xù)向進(jìn)氣管壓送空氣，由于節(jié)氣門關(guān)閉，導(dǎo)致進(jìn)氣管和中冷器內(nèi)的空氣壓力迅速增高，如果此時(shí)不泄氣減壓，就會導(dǎo)致節(jié)氣門損壞、進(jìn)氣管和中冷器管道爆裂。因此，在進(jìn)氣管部位必須安裝泄壓閥，在壓力過高時(shí)進(jìn)行排氣泄壓。泄壓閥由ECU(電子控制單元)控制，當(dāng)傳感器檢測到壓力過高時(shí)，開啟泄壓閥，進(jìn)行排氣。

汽車在加速過程中，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，對進(jìn)氣的壓縮力也越來越大，甚至有可能超出設(shè)計(jì)極限，此時(shí)就需要放出一部分廢氣，不讓其進(jìn)入渦輪增壓器參與做功。旁通閥此時(shí)就起作用。當(dāng)檢測到進(jìn)氣管內(nèi)的壓力過大時(shí)，旁通閥開啟，將一部分廢氣直接導(dǎo)入排氣管，不進(jìn)入渦輪室做功，控制增壓量。

4 渦輪增壓發(fā)動機(jī)與自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

首先，渦輪增壓發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小排量大功率。渦輪增壓器的主要作用就是提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力，在壓縮行程結(jié)束時(shí)有較高的壓縮比，從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩。兩臺同等排量的發(fā)動機(jī)，裝有渦輪增壓器的最大功率要比自然進(jìn)氣的高出40%以上。如1.8T的渦輪增壓發(fā)動機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自然進(jìn)氣2.4L發(fā)動機(jī)的功率水平。但油耗并沒有增加40%。從理論上講，由于渦輪增壓器增加了進(jìn)氣量，提高了壓縮比，使燃油能夠更充分的燃燒，得到更好的動力表現(xiàn)，減少了尾氣的排放，是有節(jié)油效果的。

其次，在城市內(nèi)上下班使用的車輛，由于城市車輛擁擠，紅綠燈多，車輛經(jīng)常處于低速行駛狀態(tài)，怠速停車時(shí)間多。排量小的渦輪增壓車要比排量大的自然進(jìn)氣車輛省油。原因是:渦輪增壓器在車輛低速時(shí)不起增壓作用，一般渦輪增壓起作用有一個(gè)轉(zhuǎn)速要求，某品牌1.4T渦輪增壓車輛，其發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1750rpm時(shí)，才有增壓效果。市區(qū)道路低速行駛增壓器不起作用，相當(dāng)于開著1.4L自然進(jìn)氣的車輛，自然比與之相當(dāng)?shù)?.8L車輛要省油。

第三，在車輛的中高速行駛中渦輪增壓汽車比自然進(jìn)氣汽車具有較好的功率輸出，動力充沛，由于增壓效果明顯，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性得到充分體現(xiàn)。

但是事物都是有利有弊的，渦輪增壓有如下不足之處:

(1)渦輪增壓發(fā)動機(jī)經(jīng)過了增壓之后，發(fā)動機(jī)工作的壓力和溫度都大大升高。發(fā)動機(jī)工作壓力升高，噪音和振動比自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)要大;發(fā)動機(jī)工作溫度升高，使機(jī)油容易老化，潤滑性能下降，加速發(fā)動機(jī)磨損。因此發(fā)動機(jī)使用壽命會比自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)要短。

(2)渦輪增壓器本身工作環(huán)境比較惡劣，高溫、高壓、高腐蝕，因此維護(hù)保養(yǎng)要求高，更換周期短，比如大眾部分車，說明書上要求6萬公里必須更換渦輪增壓器，要求使用高品質(zhì)的合成機(jī)油。給車主增加了后期維護(hù)費(fèi)用。

(3)渦輪增壓器在一定的轉(zhuǎn)速下不起增壓作用，因此，車輛在起步時(shí)的動力性不如功效與之相當(dāng)?shù)淖匀贿M(jìn)氣的車輛，起步加速性能低，另外，渦輪增壓發(fā)動機(jī)在持續(xù)加速過程中，有不同程度的滯后感，當(dāng)加速到增壓器介入時(shí)，動力陡然增加，有突然提速的感覺。

5 如何正確選擇渦輪增壓汽車與自然進(jìn)氣汽車

了解了渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，確定了使用要求，就比較容易在渦輪增壓還是自然進(jìn)氣的車輛之間做出選擇了。

由于渦輪增壓車輛中高速加速性能好，高速行駛時(shí)動力充沛，適合年輕人使用;適合經(jīng)常在城市之間出差，經(jīng)常跑高速，每月行駛里程相對較高的商務(wù)人員使用。同等功效的渦輪增壓汽車和自然進(jìn)氣汽車相比，前者更具價(jià)格優(yōu)勢，購買一臺1.8T渦輪增壓車型也許只要十幾萬元，而普通2.4L或者2.5L V6的自然進(jìn)氣車型，價(jià)格則需要20多萬元。

對于迎賓接待用車，要求車輛駕駛穩(wěn)定性高，靜音效果好，車輛震動小，車輛加速線性穩(wěn)定，可以選擇大排量的自然進(jìn)氣車型。

對于普通的城市上班族，由于上下班高峰的特點(diǎn)，車輛多、紅綠燈多、道路擁擠，車輛處于低速行駛和怠速等待時(shí)間長。因此，起步加速性能好，怠速省油的自然進(jìn)氣的車輛為首選;車輛使用頻次多，路程近，選擇自然進(jìn)氣車似乎更加實(shí)惠和方便。因?yàn)閷u輪增壓車要求怠速升溫3分鐘才能起步;高速行駛后要求怠速3分鐘才能熄火，這方面的要求也不適合市區(qū)代步車。自然進(jìn)氣車易于保養(yǎng)維護(hù)，不必為渦輪增壓器的定時(shí)更換付出一筆開銷。

6 正確使用渦輪增壓發(fā)動機(jī)

根據(jù)前面論述的渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，我們知道，渦輪增壓器是一套工作在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，一般廢氣渦輪端的溫度在600度以上，渦輪在發(fā)動機(jī)高速時(shí)的轉(zhuǎn)速在10萬rpm。介于如此的工作環(huán)境，我們要遵循以下使用方法:

(1)冷車啟動后，不能馬上加油起步，應(yīng)先怠速運(yùn)轉(zhuǎn)三分鐘，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)剛啟動，潤滑油還沒有到達(dá)渦輪增壓器，軸和套得不到機(jī)油潤滑。怠速升溫是為了讓機(jī)油溫度升高，流動性變好，機(jī)油有充分時(shí)間進(jìn)入軸承部位，使之得到潤滑。冬天怠速熱車時(shí)間至少需要10分鐘。

(2)收車時(shí)，發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)后不能馬上熄火停車，保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3分鐘，使渦輪轉(zhuǎn)速下降，方可熄火。因?yàn)樵诎l(fā)動機(jī)高速的情況下，機(jī)油泵將機(jī)油提供給渦輪增壓器，使轉(zhuǎn)軸得到潤滑和冷卻，如果此時(shí)突然熄火，機(jī)油泵停止工作，機(jī)油供應(yīng)中斷，此時(shí)渦輪軸還在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承得不到潤滑，高溫得不到冷卻，殘留在渦輪軸的機(jī)油就會被熬成積炭，失去潤滑效果，損壞軸承和軸。此外，渦輪增壓發(fā)動機(jī)不能長時(shí)間怠速，連續(xù)怠速時(shí)間不能超過10分鐘。

(3)更換機(jī)油最好使用原廠指定的，或者選用合成機(jī)油或半合成機(jī)油。合成機(jī)油有抗磨性好，耐高溫，油膜強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。它能滿足渦輪增壓發(fā)動機(jī)高溫、高壓的工作環(huán)境。由于增壓作用，進(jìn)入氣缸的空氣壓力和體積都得到提高，使得發(fā)動機(jī)的工作強(qiáng)度增高，因此要求機(jī)油有更高的油膜強(qiáng)度。又由于渦輪增壓器本身工作在高溫高壓環(huán)境中，對機(jī)油有較高耐高溫，抗氧化的要求。因此必須按要求選擇優(yōu)質(zhì)的機(jī)油。

(4)必須保持發(fā)動機(jī)機(jī)油和機(jī)油濾清器清潔，因?yàn)楹须s質(zhì)的機(jī)油會加速渦輪軸承的磨損，導(dǎo)致配合間隙增大，使機(jī)油進(jìn)入渦輪室，出現(xiàn)排氣冒黑煙現(xiàn)象。如果機(jī)油變質(zhì)要及時(shí)更換，變質(zhì)的機(jī)油會加速了渦輪增壓器的報(bào)廢。

(5)要保持空氣濾清器的清潔，渦輪增壓發(fā)動機(jī)要求空氣潔凈，如果灰塵進(jìn)入葉輪室，軸套和密封件加劇磨損。

7 結(jié)束語

渦輪增壓技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在已歷時(shí)一百多年，它能提高發(fā)動機(jī)的工作效率，增大扭矩，減少尾氣排放，事實(shí)證明是一項(xiàng)成熟可靠的技術(shù)，在近幾年得到廣泛應(yīng)用。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，渦輪增壓器的使用壽命將大幅提高?，F(xiàn)在已經(jīng)推出了和發(fā)動機(jī)相同使用壽命的渦輪增壓器，這不但降低了車輛的使用維護(hù)成本，更為渦輪增壓器的廣泛使用提供了保證。

［1］該注意什么?渦輪增壓發(fā)動機(jī)的保養(yǎng)指南［J/OL］.騰訊汽車，2015-10-30

［2］陳亞新.汽車為什么會跑-發(fā)動機(jī)圖解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013