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涡轮增压器

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以气箔轴承为基础制造出来的涡轮增压器剖面图,图片来自Mohawk Innovative Technology Inc.
以气箔轴承为基础制造出来的涡轮增压器剖面图,图片来自Mohawk Innovative Technology Inc.

涡轮增压器是一种利用内燃机运作所产生的废气通过由定子和转子组成的结构驱动之空气压缩机(Air-compressor)。与机械增压器功能相若,两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量,从而令机器效率提升。常见用于汽车引擎中,透过利用排出废气的热量及流量,涡轮增压器能提升内燃机的马力输出,部分车辆在设计时采用涡轮增压器并非为了增加发动机功率,而是透过涡轮增压器搭配较小汽缸容积的发动机,在不牺牲引擎输出性能的前提下(与自然进气发动机相比)来提升燃油的经济性与环保性。

一般车用内燃机在加装增压器后重量都会增加,所用作克服惯性的能量会上升。因涡轮增压器大部分时间都是利用引擎排出之废气作为其动力来源,相较于由引擎曲轴(Crankshaft)驱动之机械增压器具有优势。但因引擎处于低转数运作时,所排放废气流量较低,因此涡轮增压器在叶片转数达不到最低要求时,增压表现并不如机械增压器理想,而出现涡轮迟滞(Turbo-Lag)现象。但随着科技发展,涡轮增压器已实现提早介入,以提高低转速时发动机效率。

物理机制

一个冲程下,发动机做功的计算公式为

V代表的是排气量,而P则是压力。增大排气量和增大压强,均可以增加发动机做功。增大压强则通过涡轮实现。[1]

引擎内部的燃烧

涡轮增压器常使用于增加内燃机的进气量,进而增加马力输出量。在飞航应用上涡轮增压器是为了能在高海拔的地方能够有自然进气引擎在低海拔的进气量,通常称之增压正常化(turbonormalizer)。轴、轴承、轮叶与涡轮会以数万到数十万RPM运转。许多种轴承在如此高的转速需要润滑与冷却系统。涡轮增压器的润滑系统可以是独立系统或是从引擎供油系统提供。提供润滑系统的冷却器可能为双重冷却系统,冷却剂可以是外来的,如引擎冷却系统,或是空冷机组。通常汽车上涡轮增压器的润滑与冷却水系统是来自于机油与引擎冷却液。有些特殊的轴承,像是箔轴承,能够减少或不需额外润滑且降低冷却系统的门槛。

CHRA的对面是涡轮机与轮叶,包含在它们折叠起来像是蜗牛壳的锥形风罩内。这些风罩是在收集与导风流的方向。而这个风罩的形状与大小可以很直接的影响涡轮增压器的整体特性与性能。圆锥管道的每一处截面积(A),和该处与风罩中心所成的半径(R),可以表示成一个比值(AR,A/R,A:R)。通常基本的涡轮增压器拥有多种AR值的涡轮风罩可供选择。这样便可允许设计者对整个动力系统去对性能、反应度与效率去做协调。

在加速型赛车内的一对涡轮增压器套用到直列六缸引擎2JZ-GTE上
在加速型赛车内的一对涡轮增压器套用到直列六缸引擎2JZ-GTE

以相当高的速度旋转的压缩涡轮机会吸引大量的空气推进引擎内。当涡轮增压机的输出流量超过汽缸容量,进气系统就会出现正压。而组件旋转的速度是与压缩空气总质量的气流成比例。为了防止涡轮产生的压力超出引擎的负荷,或是为了增加耐久度,转速必需要可以被控制住。泄压阀是最常见的机械式转速控制系统,通常也会另外增加压力控制器(boost controller)来辅助。泄压阀的主要功能是当进气压达到设定的上限,一部分的废气就会绕过涡轮机,就会达到稳定压力的效果。

涡轮增压器能够提高输出引擎效率,但是需要解决它的缺点才能推广。汽车的自然进气引擎为了吸取空气进汽缸,使用活塞创造一个低压区。由汽缸容积与活塞速度来决定有多少空气能被"抽"入引擎里,因为大气是恒压的,最后进气量会被限制住。而利用这个方式把空气吸入燃烧室内的多寡称之容积效率(volumetric efficiency)。从涡轮增压器增加了空气进入汽缸的压力,与该空气量进入到汽缸内很大程度上取决于时间与压力,气体吸引造成压力增加。吸收的压力大小,在缺乏涡轮增压器之下是决定于大气压力,但是加入涡轮增压器之后增加的压力就能控制。

利用压缩机增加进气缸的气压通常称为强制进气(forced induction)。离心式机械增压器的运作方式与涡轮增压器相同;然而,让压缩机的旋转能量前者是引擎曲轴而后者是废气。因此涡轮增压原则上是比较有效率的,因为涡轮的动力来自引擎的热能,把废气的能量转化成动能,不然就浪费掉能量了。机械增压器的使用,是在牺牲一部分引擎产生的能量,产生了净增产值的能量。

燃油效率

涡轮增压器虽让引擎增加可观的马力输出,但是引擎也产生更多的废热。当车子本身设计无法承受高热环境,把涡轮增压器装进去可能会是一个难题。额外的废热加上增压器提供较低的压缩比(扩张比)稍微有助于较低的热效率,但是却直接影响整体的燃油效率。还有另种称为主管冷却型的冷却法会很大的影响到燃料效率。即使中冷是有帮助的,但是燃烧室内的总压缩比还是比自然吸气引擎还大。当引擎释放出最大能量时为避免爆震出现,通常会为了冷却目的会提供额外的燃料。这看似不合常理,因为这部分的燃油不会燃烧。但是这是利用额外燃油在液体雾化成气雾时把热量吸走。而且,氮是燃烧室内相对密度高的物质,所以氮气能够承受比较高的热量。氮气把持住这个热量直到经由废气排出来避免破坏性的爆震。这使设计者经由牺牲燃油经济性取得燃油泵内较好的热力性能输出功率。


要完整燃烧汽油,最理想的空/燃比(A/F)是14.7:1。通常一部拥有涡轮增压引擎车在最大的boost的A/F值大约是12:1。设计系统时,较多杂质汽油在运转时有时会有瑕疵,像是触媒转化器不能在太高的温度下运作,或是引擎有太高的压缩比而无法与供油系统有效运作。最后,高效率的涡轮增压器也会对自身影响到燃油效率。使用较小的涡轮增压器在中低转速上会提供比较快的回应与较低的延迟(lag),但是会堵塞引擎的排气部位与转速提升时产生巨大的热量。比较大的涡轮增压器在高转速的时候相当有效率,但是在正常行驶时并不实用。可变式轮叶与滚珠轴承技术能使涡轮增压器在更大的运作范围内更有效率的运转,然而,不少汽车使用这类技术会产生额外的问题(参阅可变几何涡轮增压器(Variable geometry turbocharger))。目前使用这种涡轮增压器的汽油车只有Porsche 911 (997) Turbo,Saab 9-3 Aero/Opel Vectra-C 2.8T,以及Hyundai柴油车系,如SanTaFe tuson及i30。目前只有连续式双涡轮增压器(sequential turbocharging)才能提供全面性的输出优势,因为它在低转速时用小涡轮,而高转速时用大涡轮。大多数现今的汽车的引擎管理系统(engine management systems)能够根据当时温度、燃料品质、海拔高度及其他因素控制歧管压力与燃油压力。有些系统则是先进到能够提供更精确的燃料燃烧状况的数据。像是Saab的Trionic-7 system使用电子式指示提供燃烧上更优秀的回应性。


Volkswagen/Audi的新2.0升FSI涡轮引擎结合了偏时点火与缸内直喷技术能在低负荷状态保有推进力在低负荷状态。这个系统是非常复杂到包含许多移动性的零件与感应器去维持气室的气流特性,能够使用多段指示来提供更优秀的雾化。缸内直喷系统同时拥有很大的影响,使发动机具有更佳的冷却效果,就能够使用较典型的气门式涡轮喷射引擎更高的压缩比。

汽车设计原理

根据理想气体方程式,当其他变因保持不变,假设系统内部压力增加,温度会随之提升。那使用涡轮增压器会产生负面影响,原因是空气被压缩机压缩而造成进入引擎之前空气温度就已经提升。涡轮的转速视旋转部分的大小、重量、进气歧管的气压及压缩机的设计,通常快到80,000至200,000 RPM(惯性较低的可达150,000-250,000 RPM)。在这么高的转速之下,滚珠轴承将会产生问题,所以大多的涡轮增压器使用液态轴承。此轴承的特色是有一流动式的油层能够悬浮与冷却移动式零件。这层油通常是来自于引擎机油循环系统。有些涡轮增压器使用非常精确的滚珠轴承来提供比液态轴承更少摩擦,因此这种轴承是悬浮斥水性的洞里。更少摩擦表示涡轮轴可以用较轻的材质制成,减少所谓的涡轮延迟(turbo lag或boost lag)。有些设计人员使用水冷式涡轮增压器要借此提高轴承寿命。

开发使用箔轴承的涡轮增压器是为了排除使用轴承冷却与供油系统,借此排除大多数已知的失败,也意味能够降低延迟。

要维持气压恒定,涡轮增压器里多余的废气气流会经由泄压阀(wastegate)调节,使得这些气流不会经过涡轮。这样便能调节涡轮的旋转速度,进而调整压缩机的输出能力。泄压阀的开启时机是由涡轮产生的压缩空气来决定,并可以借着螺线管去控制压力施予废气阀薄膜的强度。螺线管可以被自动性能管理系统(Automatic Performance Control)、引擎的电子控制单位(electronic control unit,ECU)或是微电脑压力控制器。另一种提高增压的方法是透过利用排气阀随时检查压力并且放掉气门去维持薄膜承受的压力且低于系统的压力。部分的涡轮增压器(通常为可变式几何涡轮增压器)利用一组叶片在废气槽(exhaust housing)去维持定量气体快速经过涡轮,这种控制机制也用于发电机的汽轮机。这些涡轮增压器的延迟很小,拥有很小的气压临界值(1500 rpm即可达到最大增压),而且转速高的引擎上出现的效率也不差;这些增压器也用于柴油引擎。[2]这些引擎大多都没有泄压阀。这些叶片是被与泄压阀相同的薄膜控制,但是控制的等级需求是不太相同的。

第一部使用这种涡轮增压器的汽车是1989年份限量版的Shelby CSX-VNT,采用2.2L的汽油引擎。Shelby CSX-VNT利用一颗Garrett的VNT-25型涡轮,因为它使用与Garrett T-25相同的本体和轴心。这一涡轮机通常称之可变式喷嘴涡轮增压器(VNT)。涡轮增压器的制造商Aerocharger使用名为’可变区域涡轮喷嘴’(Variable Area Turbine Nozzle,VATN)来诠释这种涡轮喷嘴。另外常见的说法包括’可变涡轮截面’(Variable Turbine Geometry,VTG)、’可变涡轮几何增压器’(Variable Geometry Turbo,VGT)与’可变配气相位’(Variable Vane Turbine,VVT)。Chrysler公司在1990年有一批汽车使用这种涡轮增压器,包含Dodge Daytona与Dodge Shadow。这些引擎能够产生174匹马力与225磅-呎的扭力,与正常的引擎相比,它使用正常的冷却系统,产生出来相同的马力但增加25磅-呎的扭力与比较快的反应(较少的延迟)。然而,不包含VATN或VNT的Turbo III引擎能够产生224匹马力。目前不知道为何Chrysler不继续使用VGT涡轮增压引擎,最有可能的原因是市场需要Chrysler设计的V6引擎更甚于VGT引擎。[3]

2006年的Porsche 911 Turbo有3.6L水平对置六缸双涡轮增压引擎,而涡轮是使用BorgWarner的可变几何涡轮系统(VGTs)。这显然因为虽然在柴油引擎与Shelby CSX-VNT上VGT系统采用了一段时间,但是这是自从1989-90的1250颗Dodge引擎以外的第一次在汽油车使用这种技术。有些人抱怨使用此系统的汽油车废气温度比使用柴油引擎高不少,而这对敏感的可动式涡轮叶片会有不利的影响。而且这个装置也比其他的涡轮增压器还要昂贵。Porsche的工程师声称新的911 Turbo已经解决这些问题。

还有一种叫做离心式涡轮,运行时有时像正常涡轮,有时像机械增压。由于它是皮带驱动式(没有使用废气),所以没有任何延迟,然而它的临界压力与一般的涡轮相比并不自然。它的代价是在曲轴产生多余的阻力,使得效率降低。优点是没有延迟,也易于安装–不须改装废气路线,而且易于保养。

可靠性

涡轮增压器可能会被弄脏或是衰退的机油加速耗损,而且大多的制造商建议要帮涡轮增压引擎勤加换油;许多拥有者及一些公司建议使用合成机油,与传统机油相比,他比较易于稀而且比较不容易衰退。因为涡轮增压器运转时容易发热,很多人建议在熄火前如果涡轮增压器才刚运转完毕,让引擎待命1至3分钟(多数的制造商指出在熄火前待机10秒来确定涡轮增压器确实运行于它的待机速度,来避免因机油停止供给造成轴承损坏)。这样可让涡轮吸入较低的排气温度来降温,而且能够保证当涡轮与排气歧管温度依然非常高时机油有输送到涡轮增压器,否则润滑油的煤焦会再轴承吸收油时卡在机器内,导致当汽车重新启动时轴承很快的耗损。高温机油内的杂质会累积起来并导致堵塞供油系统。这问题在柴油引擎上并不明显,因为柴油引擎的废气温较低与引擎转速相对比较低。

涡轮计时器(turbo timer)可以让运转中的引擎提供一个已预先指定的时间来自动的提供降温周期。箔轴承内的煤焦也能除去。更复杂的是使用水冷式轴承卡夹需要防止煤焦跑进去。当引擎关闭和自然的热循环会使卡夹内的水沸腾。所以还是不要在涡轮还在运转时把引擎关闭。

依照惯例是使用管状顶盖而不是使用铸铁的歧管,这样会因为较轻的顶盖而减少冷却所需的时间。

涡轮延迟

涡轮延迟(Turbo lag)有时会使驾驶者感觉在踏下油门与涡轮提供冲力之间有一段时间差,此时不但无平常的加速表现,甚至有比自然进气车款更慢的感受。其他如利用曲轴带动的机械增压则不会出现这个现象。

成因

这个问题是由于当时排气系统推动涡轮的压力需要克服涡轮的旋转惯性与要提供歧管压力的最低转速,如果涡轮无法带动压缩机,引擎就只能靠自身压缩比来吸气,但通常有配涡轮增压器的引擎(尤其是原厂)会把增压器带来的压力算进而减少压缩比以保护引擎安全,所以造成涡轮延迟发生时燃烧效率比自然进气引擎低而加速减慢。如果设定压缩比与自然进气引擎相同,涡轮延迟发生时就不会有加速较慢的问题,但若到高转速高增压的时候,过高的压力很容易损坏汽缸,反而危险,因此还是选择降低压缩比来牺牲性能以确保安全。

改善方法
  • 小涡轮化
  • 双涡轮系统(Twin Turbo/Bi Turbo)
  • 材质轻量化
延迟现象可以由降低涡轮零件(轴承或扇叶)的惯性而减少,像是使用较轻的材质来使涡轮比较易于转动。陶瓷涡轮在这里是很好的解决之道。但相对的在产生最大压力的时候是比其他材料脆弱。
  • 可变几何涡轮增压器

歧管压力(Boost)

应用于汽车上

  • 纳智捷汽车(Luxgen)S5、U6、U7、M7及ECO HYPER系列车系
  • 福特(Ford)EcoBoost
  • 布加迪威龙(Bugatti Veyron)16.4
  • SAAB
  • 宝马(BMW)M3/M4/M5/M6/X5M/X6M/现行全部车款都有标配
  • ShelbySuperCars Ultimate Aero TT
  • 福斯(Volkswagen)、斯柯达(Škoda)、奥迪(Audi)的大部分车系采用1.2/1.4/1.8/2.0的TFSI涡轮增压汽油发动机
  • 保时捷911\Panamera\Cayenne Turbo
  • 日产GT-R
  • Mclaren p1,mp4-12c,650s
  • 速霸陆汽车(Subaru)
  • 比亚迪BYD 1.5T缸内直喷涡轮增压汽油发动机,带中冷器
  • 梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)SL65 AMG Black Series\AMG GT\AMG GTS
  • 菲亚特菲翔1.4T
  • 三菱Lancer Evolution, Eclipse cross
  • 马自达(Mazda) Rx7,Rx8,Mazda 3,Mazda 6, MPS,CX7,CX9
  • 本田9代Civic Type R,10代Civic(含Si及Type R)
  • 现代 起亚 GAMMA ll 1.6L T-GDI , Thetta ll 2.0L T-GDI (Veloster Turbo/i20/i30/i40/Genesis Coupe) (Proceed GT/K3 Koup/K5)
  • 雷诺 Clio,Megane
  • 丰田 Supra
  • 法拉利 488 GTB\California T
  • 铃木 Suzuki Vitara 1.4T 2WD、4WD

安全性

虽然涡轮增压器有很多优势,但是如果增压器损坏会造成发动机起火 ,引发安全问题。[4]

历史

参考文献

  1. ^ Norton, Design of Machinery, Mc Graw Hill
  2. ^ Parkhurst, Terry. Turbochargers: an interview with Garrett’s Martin Verschoor. Allpar, LLC. [12 December 2006]. 
  3. ^ Allpar turbo engine history
  4. ^ http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7265570.aspx 2009年APC联合学术年会 因涡轮增压器失效导致发动机起火燃烧的质量鉴定分析

外部链接

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涡轮增压器
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