終極增壓神器-渦輪增壓系統解析

上一期我們講了機械增壓器，今天我們來說說增壓的終極神器–渦輪增壓系統。現在的小排量渦輪增壓大行其道，各種車型都推出自己的渦輪增壓發動機，以「小排量、大馬力、低油耗」為宣傳口號，弄得大家車後面沒有個「T」都不好意思出門。那麼這個渦輪增壓到底是什麼呢?它的結構及原理如何?聽老侯給大家說說。

渦輪增壓系統

渦輪增壓系統分為單渦輪增壓系統和雙渦輪增壓系統。

單渦輪增壓

只有一個渦輪增壓器的增壓系統為單渦輪增壓系統。渦輪增壓系統除渦輪增壓器之外，還包括進氣旁通閥、排氣旁通閥和排氣旁通閥控制裝置等。

雙渦輪增壓

六缸汽油噴射式發動機的雙渦輪增壓系統。其中兩個渦輪增壓器並列布置在排氣管中，按氣缸工作順序把1、2、3缸作為一組，4、5、6缸作為另一組，每組三個氣缸的排氣驅動一個渦輪增壓器。因為三個氣缸的排氣間隔相等，所以增壓器轉動平穩。另外，把三個氣缸分成一組還可防止各缸之間的排氣干擾。此系統除包括渦輪增壓器、進氣旁通閥、排氣旁通閥及排氣旁通閥控制裝置之外，還有中冷器、諧振室和增壓壓力傳感器等。

渦輪增壓器的結構及工作原理

車用渦輪增壓器由離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三部分組成。增壓器軸通過兩個浮動軸承支承在中間體內。中間體內有潤滑和冷卻軸承的油道，還有防止機油漏入壓氣機或渦輪機中的密封裝置等。

離心式壓氣機

離心式壓氣機由進氣道、壓氣機葉輪、無葉式擴壓管及壓氣機蝸殼等組成。葉輪包括葉片和輪轂，並由增壓器軸帶動旋轉。當壓氣機旋轉時，空氣經進氣道進入壓氣機葉輪，並在離心力的作用下沿著壓氣機葉片之間形成的流道，從葉輪中心流向葉輪的周邊。空氣從旋轉的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度均有較大的增高，然後進入葉片式擴壓管。擴壓管為漸擴形流道，空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所升高。即在擴壓管中，空氣所具有的大部分動能轉變為壓力能。

擴壓管分葉片式和無葉式兩種。無葉式擴壓管實際上是由蝸殼和中間體側壁所形成的環形空間。無葉式擴壓管構造簡單，工況變化對壓氣機效率的影響很小，適於車用增壓器。葉片式擴壓管是由相鄰葉片構成的流道，其擴壓比大，效率高，但結構複雜，工況變化對壓氣機效率有較大的影響。蝸殼的作用是收集從擴壓管流出的空氣，並將其引向壓氣機出口。空氣在蝸殼中繼續減速增壓，完成其由動能向壓力能轉變的過程。壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造，蝸殼也用鋁合金鑄造。

徑流式渦輪機

渦輪機是將發動機排氣的能量轉變為機械功的裝置。徑流式渦輪機由蝸殼、噴管、葉輪和出氣道等組成。蝸殼4的進口與發動機排氣管相連，發動機排氣經蝸殼引導進入葉片式噴管。噴管是由相鄰葉片構成的漸縮形流道。排氣流過噴管時降壓、降溫、增速、膨脹，使排氣的壓力能轉變為動能。由噴管流出的高速氣流衝擊葉輪，並在葉片所形成的流道中繼續膨脹作功，推動葉輪旋轉。渦輪機葉輪經常在900℃高溫的排氣衝擊下工作，並承受巨大的離心力作用，所以採用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料製造。用質量輕並且耐熱的陶瓷材料可使渦輪機葉輪的質量大約減小2/3，渦輪增壓加速滯後的問題也在很大程度上得到改善。噴管葉片用耐熱和抗腐蝕的合金鋼鑄造或機械加工成形。蝸殼用耐熱合金鑄鐵鑄造，內表面應該光潔，以減少氣體流動損失。

轉子

渦輪機葉輪、壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上，構成渦輪增壓器轉子。轉子以超過100000r/min，最高可達200000r/min的轉速旋轉，因此，轉子的平衡是非常重要的。增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉交變應力，一般用韌性好、強度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA製造。

增壓器軸承

增壓器軸承的結構是車用渦輪增壓器可靠性的關鍵之一。現代車用渦輪增壓器都採用浮動軸承。浮動軸承實際上是套在軸上的圓環。圓環與軸以及圓環與軸承座之間都有間隙，形成雙層油膜。圓環浮在軸與軸承座之間。一般內層間隙為0.05mm左右，外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約3~4.5mm，用錫鉛青銅合金製造，軸承表面鍍一層厚度約為0.005~0.008mm的鉛錫合金或金屬銦。在增壓器工作時，軸承在軸與軸承座中間轉動。

增壓器工作時產生軸向推力，由設置在壓氣機一側的推力軸承承受。為了減少摩擦，在整體式推力軸承兩端的止推面上各加工有四個布油槽;在軸承上還加工有進油孔，以保證止推面的潤滑和冷卻。

增壓壓力的調節

在汽車渦輪增壓系統中設置進、排氣旁通閥，是調節增壓壓力最簡單、成本最低而又十分有效的方法。排氣旁通閥的工作原理。控制膜盒中的膜片將膜盒分為上、下兩個室，上室為空氣室經連通管與壓氣機出口相通，下室為膜片彈簧室，膜片彈簧作用在膜片上，膜片通過連動桿與排氣旁通閥連接。當壓氣機出口壓力，也就是增壓壓力低於限定值時，膜片在膜片彈簧的作用下上移，並帶動連動桿將排氣旁通閥關閉;當增壓壓力超過限定值時，增壓壓力克服膜片彈簧力，推動膜片下移，並帶動連動桿將排氣旁通閥打開，使部分排氣不經過渦輪機直接排放到大氣中，從而達到控制增壓壓力及渦輪機轉速的目的。

在有些發動機上，排氣旁通閥的開閉由電控單元控制的電磁閥操縱。電控單元根據發動機的工況，由預存的增壓壓力脈譜圖確定目標增壓壓力，並與增壓壓力傳感器檢測到的實際增壓壓力進行比較，然後根據其差值來改變控制電磁閥開閉的脈沖信號占空比，以此改變電磁閥的開啟時間，進而改變排氣旁通閥的開度，控制排氣旁通量，借以精確地調節增壓壓力雖然排氣旁通閥在渦輪增壓汽車發動機上得到了廣泛的應用，但是排氣旁通之後，排氣能量的利用率下降，致使在高速大負荷時發動機的燃油經濟性變差。

在大排量重型車用渦輪增壓發動機上多採用渦輪機噴管出口截面可變的渦輪增壓器，簡稱變截面渦輪增壓器。在這種渦輪增壓器中，通過改變噴管出口截面積來調節增壓壓力。當發動機低速運行時，縮小噴管出口截面積，使噴管出口的排氣流速增大，渦輪機轉速隨之升高，增壓壓力和供氣量都相應增加;當發動機高速工作時，增大噴管出口截面積，使噴管出口的排氣流速減小，渦輪機的轉速相對降低，這樣增壓器將不會超速，增壓壓力也不致於過高。在有葉徑流式渦輪機中，可以採用轉動噴管葉片的方法來改變噴管出口截面積。噴管葉片與齒輪相連，齒輪與齒圈嚙合，當執行機構往復移動時，齒圈或向左或向右轉動，帶動與其嚙合的齒輪轉動，並使噴管葉片隨其轉動，從而使噴管出口截面積發生改變。

對於無葉徑流式渦輪機，可以在噴管出口處安裝軸向移動的擋板來調節無葉噴管出口截面積。

改變渦輪機進口截面積方法。在渦輪機的進口處安裝一個可擺動27°角的舌片，可動舌片的轉軸固定在渦輪機殼體上，可動舌片的擺動即渦輪機進口截面積的變化由電控單元根據柴油機的轉速信號進行控制。

渦輪增壓器的潤滑及冷卻

來自發動機潤滑系統主油道的機油，經增壓器中間體上的機油進口進入增壓器，潤滑和冷卻增壓器軸和軸承。然後，機油經中間體上的機油出口返回發動機油底殼，在增壓器軸上裝有油封，用來防止機油竄入壓氣機或渦輪機蝸殼內。如果油封損壞，將導致機油消耗量增加和排氣冒藍煙。

由於汽油機增壓器的熱負荷大，因此在增壓器中間體的渦輪機側設置冷卻水套，並用軟管與發動機的冷卻系統相通。冷卻液自中間體上的冷卻液進口流入中間體內的冷卻水套，從冷卻液出口流回發動機冷卻系統。冷卻液在中間體的冷卻水套中不斷循環，使增壓器軸和軸承得到冷卻。

有些渦輪增壓器在中間體內不設置冷卻水套，只靠機油及空氣對其進行冷卻。當發動機在大負荷或高轉速工作之後，如果立即停機，那麼機油可能由於軸承溫度太高而在軸承內燃燒。因此，這類渦輪增壓發動機應該在停機之前，至少在怠速下運轉1min。

老侯點評:

渦輪增壓的出現，使人們在不改變發動機排氣量的情況下大幅度的提高發動機的功率與扭矩，降低了發動機的重量，提高了升功率，同時也在一定程度上降低了油耗，是汽車歷史上一個偉大的發明。隨著技術的進步，渦輪增壓的缺點將逐步改進，在未來，小排量渦輪增壓將是一個發展趨勢，會在更多的車型上裝備。