渦輪增壓器工作原理

當人們談論賽車或高效能跑車時，渦輪增壓器通常都是必談的話題。渦輪增壓器也用於大型柴油機發動機中。渦輪可以顯著提公升發動機的馬力，而不會大幅度增加發動機重量，這也是渦輪增壓器如此受歡迎的乙個重要因素。

·在本文中，我們將了解渦輪增壓器在極端工作條件下如何增加發動機的動力輸出。同時我們也將了解「廢氣洩放閥」、陶瓷渦輪葉片以及滾珠軸承如何幫助渦輪增壓器提高效能。

渦輪增壓器是一種強制引導系統。它對流入發動機的空氣進行壓縮（有關普通發動機中氣流的介紹，請參考汽車發動機工作原理）。壓縮空氣可以使發動機能夠將更多的空氣壓到氣缸裡，而更多空氣就意味著能向氣缸內注入更多的燃料。

因此，每個氣缸的燃燒衝程就能產生更多動力。渦輪增壓發動機產生的動力要比相同普通發動機大得多。這樣就可顯著提高發動機的動力重量比（有關詳細資訊，請參考馬力及其應用）。

為了獲得這種效能上的提公升，渦輪增壓器使用發動機排出的廢氣帶動渦輪旋轉，而渦輪則帶動氣幫浦旋轉。渦輪在渦輪機中的最高轉速為每分鐘150,000轉——這相當於大多數汽車發動機轉速的30倍。同時由於與排氣管相連，渦輪的溫度通常非常高。

渦輪增壓器基礎知識

增加發動機所能燃燒的燃料和空氣是提公升發動機動力最可靠的方法之一。增加燃料和空氣的方法之一是增加氣缸數或增大氣缸容積。有時這些方法並不可行。

這時使用渦輪將是增加動力更簡便、有效的方法，尤其在購買後自行改裝時更是如此。

渦輪增壓器使發動機能將更多的燃料和空氣注入氣缸，從而使發動機能夠燃燒更多的燃料和空氣。渦輪增壓器通常能夠產生41-55千帕的氣壓。由於在海平面大氣壓力為1012.

8千帕，因此發動機中注入的空氣會增加50%。從而發動機內部動力可增加50%。但上述過程並不能完全實現，實際動力可能增加30-40%。

在使用渦輪增加發動機動力過程中，有乙個原因會導致渦輪效率低下，那就是需要動力動渦輪旋轉。將渦輪裝在排氣管內會增加排氣管內的空氣阻力。這意味著，發動機在排氣衝程時，不得不克服更高的負壓。

這會稍微減少發動機在燃燒時產生的動力。

渦輪增壓器適用於高海拔

渦輪增壓器在空氣較為稀薄的高海拔地區很有用。在高海拔地區，通常普通發動機的動力會減小，因為在活塞的每個衝程中，發動機都只能獲得少量的空氣。渦輪增壓發動機可能同樣會減小動力，但減小量會少很多，因為稀薄的空氣會更容易被渦輪增壓器抽入發動機。

裝有化油器的老式汽車為了適應氣缸內增加的空氣，會自動增加燃料。使用燃料直噴技術的現代汽車一定程度上也會在作相同的調整。燃料噴射系統通過裝在排氣管內的氧氣含量感測器來判斷空燃比是否正確，因此加裝渦輪後，系統會自動增加燃料。

在採用燃料直噴技術的汽車中，如果渦輪增壓器過多地增加空氣壓縮率，系統可能無法提供足夠的燃料（要麼是控制器的軟體程式不允許，要麼是燃料幫浦和噴射器無法提供如此多的燃料）。在這種情況下，為了最大程度地利用渦輪增壓器，必須對車輛進行其他改進。

渦輪增壓器的工作原理

渦輪增壓器連線到發動機的排氣歧管。氣缸內排出的尾氣帶動渦輪旋轉，與燃氣輪機類似。渦輪通過軸與安裝在空氣過濾器與吸氣管之間的壓縮機相連。壓縮機把空氣壓縮到氣缸中。

氣缸排出的尾氣流過渦輪葉片，使渦輪旋轉。流過葉片的尾氣越多，渦輪旋轉速度就越快。

在連線渦輪的軸另一端，壓縮機將空氣抽到氣缸中。壓縮機是一種離心幫浦，它在葉片的中心位置吸入空氣，並在旋轉時將空氣甩到外面。

為了適應高達150,000轉/分的轉速，必須小心支撐渦輪軸。大部分軸承在這樣的高速下會**，所以絕大多數的渦輪增壓機使用的是液壓軸承。這類軸承能使軸浮於一層薄薄的油膜上，這些油從軸四周恆定抽入。

這可以起到兩個作用：一方面能夠降低軸和一些其他渦輪增壓機部件的溫度，另一方面能夠減小軸在旋轉時遇到的摩擦。

在為發動機設計渦輪增壓機時，需要權衡許多利弊。在下一節，我們將了解一些需要權衡的因素，並說明其如何影響渦輪增壓機的效能。

渦輪增壓器的設計考慮因素

渦輪增壓機的乙個主要問題是：當踩下油門時，發動機不會立即產生增壓，而是需要幾秒時間使渦輪提公升轉速，之後才能產生增壓。這樣就產生了延時感，即踩下油門後，要等渦輪轉速上公升，汽車才會加速前進。

減少渦輪延時的方法之一是減小旋轉件的慣性，這主要通過減少旋轉件的重量來實現。這樣就使渦輪和壓縮機能夠更快地加速，更快地產生增壓。減小渦輪增壓器的尺寸是降低渦輪及壓縮機慣性的乙個有效方法。

小型渦輪增壓機在發動機低轉速時能更快地產生增壓，但無法在發動機處於高轉速、更多空氣進入發動機時產生更多的增壓。同時，發動機高速運轉時，更多的尾氣會經過渦輪，還可能存在使渦輪轉速過快的危險。

大型渦輪可以在發動機高速運轉時產生較多的增壓，但因為其渦輪和壓縮機偏重，以致加速緩慢，從而產生較嚴重的渦輪延時。幸運的是，我們可以通過一些小竅門來克服這些問題。

多數渦輪增壓機都有乙個廢氣洩放閥，由於它的存在，我們可在採用小型渦輪增壓機降低增壓延時的同時，防止發動機高速運轉時渦輪旋轉過快。廢氣洩放閥是乙個閥門，它使排出的廢氣繞過渦輪葉片。廢氣洩放閥能感知增壓壓力。

如果壓力過高，廢氣洩放閥就會指示渦輪旋轉太快，此時廢氣洩放閥使一部分尾氣經過渦輪葉片，從而降低渦輪葉片的轉速。

一些渦輪增壓機用滾珠軸承代替液壓軸承來支承渦輪軸。但它們不是普通的滾珠軸承，而是用高階材料製造出的高精度軸承，用以應對渦輪增壓器的速度和溫度。渦輪軸旋轉時，這類滾珠軸承承受的摩擦力小於大多數渦輪增壓器液壓軸承中的摩擦力。

同時還允許使用略小、略輕的軸。這樣渦輪增壓器加速更快，進一步降低了渦輪延時。

陶瓷渦輪葉片比大多數渦輪增壓器中使用的鋼製渦輪葉片要輕。同樣，這也使渦輪能更快地加速，從而降低渦輪延時。

有些發動機同時使用兩個不同尺寸的渦輪增壓機。較小的乙個可較快地加大轉速，降低渦輪延時，而較大的乙個在發動機高速旋轉時能產生更多增壓。

空氣被壓縮時，溫度公升高；而空氣溫度公升高時，就會發生膨脹。因此當使用渦輪增壓時，空氣在進入發動機前就已經因為壓縮生熱而產生了一些膨脹。為了提公升發動機動力，需要使更多的空氣分子進入氣缸，而並不一定要產生更多的氣壓。

中間冷卻器或進氣冷卻器是外觀像散熱器一樣的附加元件，只不過空氣同時從中間冷卻器的內部和外部經過。渦輪吸入的空氣通過密封管路流過冷卻器，而發動機冷卻風扇吹出的冷風從它外部的散熱片流過。

在來自壓縮機的壓縮空氣進入發動機之前，中間冷卻器會將其冷卻，從而進一步提公升發動機的動力。這意味著，如果渦輪增壓機在337千帕的增壓下運轉，中間冷卻器就會產生337千帕溫度更低的空氣，這些空氣密度更高，含有的空氣分子比溫度較高的同氣壓空氣多。

渦輪增壓器工作原理

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