问涡轮增压器的原理

构造　涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器，涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。　　原理　涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。　　技术　涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度最高的是支承涡轮轴运转的"浮式轴承"，它工作转速可达10万转／分以上，加上环境温度可达六、七百度以上，决非一般轴承所能承受，由于轴承与机体内壁间有油液做冷却，又称"全浮式轴承"。　　缺点　另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是，"滞后响应"，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。　　改进 但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情，它是利用发动机的废气工作的，这些废气的能量如果不加以利用也会白白地浪费掉。因此，自从涡轮增压器面世以来，人们就经常对它进行技术改造，例如提高加工精度，尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙，以便提高废气能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐热高，刚度强，重量轻的优点，可以将涡轮增压器做得更加紧凑，体积更少，而且能减少涡轮的"滞后响应"时间。　　在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，会发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上，因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化 涡轮增压器的最大优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大20％~30％。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。 以前，涡轮增压器大都用在柴油发动机上，现在一些汽油发动机也采用涡轮增压器。因为汽油和柴油的燃烧方式不一样，因此发动机采用涡轮增压器的形式也有所区别 汽油发动机不同于柴油发动机，它进入气缸的不是空气，而是汽油与空气的混合气，压力过大容易爆燃。因此，安装涡轮增压器必须要避免爆燃，这里涉及两个相关问题，一个是高温控制，另一个是点火时间控制。 强制性增压后，汽油机压缩和燃烧时的温度和压力都会增加，爆燃倾向增加。另外，汽油机排气温度比柴油机高，而且不宜采用增大气门重叠角（进、气排门同时开启的时间）方式来加强排气的降温，降低压缩比又会造成燃烧不充分。还有，汽油机的转速比柴油机高，空气流量变化大，很容易造成涡轮增压器反应滞后。针对汽油机使用涡轮增压器出现的一系列问题，工程师有针对性地一一做了改进，使汽油机也能用上废气涡轮增压器。 中冷器 涡轮增压器吸进的空气经压缩温度增高了，在流动时与进气管壁摩擦还会进一步增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过l冷却而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃，同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。 叶轮 由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5毫米以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。 爆燃传感器 除了降低温度来减少爆燃的可能外，还要采用爆燃传感器，它的作用就是在产生爆燃之时，传感器感到不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ecu（电子控制单元）控制系统，将点火定时稍推迟一点，不产生爆燃的时候再恢复正常点火定时。 由于轿车汽油机的转速比柴油机高，空气流速快而且变化范围大，因此它的涡轮增压器有更高的要求。现代轿车发动机已普遍采用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，涡轮增压器在汽油机上的应用也会日益普遍。

我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气量，一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。 大家可能会觉得涡轮增压装置非常复杂，其实并不复杂，涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。这样一个整体的涡轮增压装置就做好，你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。 常见涡轮增压可分为四种：机械增压系统，气波增压系统，废气涡轮增压系统，复合增压系统。 自从人类发明内燃发动机以来，汽车工程师、追求极速的车手和赛车设计师们一直都在寻找提升其动力的方法。 其中一种方法是建造更大的发动机。 但大型发动机也并不总是尽如人意，发动机越大，重量就越重，制造和维护成本也就越高。另一种方法是提高普通规格发动机的效率。 可以通过将更多的空气压入燃烧室来实现这一目的。 更多的空气意味着可以注入更多的燃油，而更多燃油则意味着更强劲的爆发力和更大的马力。 安装机械增压器是实现强制进气的好方法。 在本文中，老夫将解释机械增压器的概念、工作原理以及其与涡轮增压器的差异。机械增压器基础知识机械增压器是将吸入的空气加压到超过正常气压的装置。 机械增压器和涡轮增压器均是如此。 实际上，“涡轮增压器”一词是其正式名称“涡轮式机械增压器”的简写。这两种装置的不同之处在于它们的能量来源不同。 涡轮增压器是借助排出的巨大气流来驱动涡轮的。 而机械增压器则由发动机曲轴通过传动带或传动链带动的。 普通四冲程发动机有一个冲程专门用于进气。 这一过程有三个步骤： 1、活塞往下运动。 2、制造真空状态。 3、依靠大气压将空气吸入燃烧室。 当空气被吸入发动机后，便和燃油混合形成油气混合物。此混合物能够通过燃烧这一化学反应转换成动能。 火花塞通过点燃空气和燃油的混合气体引起此化学反应。 当燃油发生氧化时，会释放大量能量。 此过程产生的力量集中在气缸盖上，这股力量将推动活塞，使活塞产生往复运动，最终这股动力会传递到车轮上。 向燃烧室注入更多的燃油将会产生更为强劲的燃烧爆发力。 但不能仅仅向发动机中增加燃油，因为燃烧燃油需要严格数量的氧气。 这种经过化学反应产生的混合物，空气和燃油的比例应控制在14:1，这对发动机的有效运转至关重要。 所以重点在于：若要注入更多的燃油，就必须吸入更多的空气。 这就是机械增压器的作用。 机械增压器通过将空气压缩至正常大气压以上来吸入更多的空气，而不是通过制造真空状态来吸入空气。 这样就可以强制更多的空气进入发动机，从而导致“增压”。 发动机增压后会吸入更多空气，从而向燃烧室注入更多的燃油，发动机的动力也会增强。 机械增压器平均可提高46%的马力和31%的扭矩。 在海拔较高的地方，发动机性能会降低，因为那里的空气密度和压力都比较低，而机械增压器只有向发动机提供压力更高的空气，才能保证其运转状态最佳。 涡轮增压器利用燃烧产生的废气向压缩机提供动力，与之不同的是，机械增压器直接从曲轴获取动力。 大部分机械增压器都通过一条附属的传动带获得动力，这根传动带缠绕在皮带轮上，皮带轮连接在一个主动齿轮上。 而主动齿轮则会旋转压缩机齿轮。 压缩机的转子可以有多种设计，但它的任务是吸入空气，将空气压入更小的空间，并注入进气岐管中。为了压缩空气，机械增压器必须急速旋转，甚至比发动机本身转得还要快。 将主动齿轮做得比压缩机齿轮大，就能使压缩机旋转得更快。 机械增压器的转速每分钟能高达5-6.5万转。 5万转的压缩机能产生大约41-62千帕的压强。 在特定海拔高度，这会产生比大气压高41-62千帕的压力。 而海平面的大气压为1012.8百帕，因此大约会多出50%的空气被机械增压器压入发动机中。 空气受到压缩会变热，这意味着空气密度会降低，同时也会减少爆炸过程中空气的膨胀程度。 这就无法在火花塞点燃混合气体后产生足够的动力。 为使机械增压器发挥全部效率，从排气装置排出的压缩空气必须在进入进气歧管前加以冷却。 中间冷却器的出现解决了这一问题。 中间冷却器有两种基本设计： 风冷和水冷。 它们的工作原理类似于散热器，即让较凉的空气或水流过导管，带走热量。 当热空气离开机械增压器碰到较凉的导管时，它便会冷却下来。 随着空气温度降低，其密度会变高，这样就会使密度较高的混合燃气进入燃烧室。机械增压器的优缺点机械增压器最大的优点是可以增加汽车的马力。 给一辆普通汽车或卡车安装机械增压器，会使其像一台大马力发动机汽车一样动力十足。 但是在机械增压器和涡轮增压器之间应该如何选择呢？ 汽车工程师和车迷们一直在激烈地争论这个问题，但通常而言，机械增压器与涡轮增压器相比有一定的优势。 机械增压器没有增压延时——驾驶员踩下油门到发动机响应这段时间的长短。 涡轮增压器存在增压延时，因为它需要一段时间，让排出的气体达到一定速度以加快叶轮/涡轮的转速。 机械增压器没有延时，是因为它们直接通过曲轴获得动力。 某些机械增压器在低转速时效率比较高，而另一些在高转速时效率比较高。 安装一台涡轮增压器需要对排气系统做大幅度的调整，但机械增压器只要拴在发动机顶部或旁边就可以了。 因此，机械增压器的安装更方便，同时也更容易使用和维护。 最后，机械增压器停止工作时不需要专门关闭。 因为它们不用发动机机油进行润滑，便可以正常关闭。 而涡轮增压器必须等待30秒或预先关闭，以便润滑油冷却。 也就是说，预热对于机械增压器十分重要，它们在正常温度下的效率最高。 机械增压器普遍应用于飞机的内燃发动机。 如果您设想飞机长时间在高海拔飞行（此时缺少足够用于燃烧的氧气），就会感觉到一定是机械增压器在起作用。 借助机械增压器，飞机能够飞得更高而且不会降低发动机的性能。飞机发动机使用的机械增压器与汽车使用的一样。 它们直接从发动机获得动力，利用压缩机把压缩空气送入燃烧室。 第一次在飞机上使用机械增压器是在二战末期。 最著名的例子是Supermarine Spitfire，这是英国皇家空军所使用的飞机，将机械增压器安装在罗尔斯罗伊斯“莫林”发动机上。 机械增压器最大的缺点是： 由于由曲轴带动，所以它们必须损耗一部分发动机马力。 这也是机械增压器的特点之一机械增压器会占用一台发动机20%的动力。 但是，由于机械增压器可以提升46%的马力，所以多数人认为这笔交易是值得的。 由于增压会增加发动机的负担，所以发动机必须得到强化以承受额外的压力和更强的爆发力。 大部分制造商在设计一台带有机械增压器的发动机时，都会专门采用重载元件以提高发动机的寿命。 同时这也抬高了汽车的价格。 机械增压器的维护成本也较高，同时许多制造商建议使用高标号汽油。 尽管有这些缺点，机械增压器仍然是一种最经济有效地增强马力的方法。 机械增压器可以提高50%-100%的动力，使汽车更适合比赛、重载运输或单纯增加驾驶的刺激性。