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渦輪增壓器配件什么是渦輪增壓器
渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和原理
大家目前聽(tīng)得最多的,當(dāng)然是渦輪增壓了。渦輪增壓現(xiàn)在風(fēng)頭正勁,歐美中級(jí)車(chē)已經(jīng)大規(guī)模使用并且向緊湊級(jí)車(chē)型延伸。關(guān)于渦輪增壓器,還是有很多有意思的話題的。
渦輪增壓器的來(lái)源
20世紀(jì)20年代,船舶開(kāi)始配備渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。第二次時(shí)間大戰(zhàn)期間,美國(guó)戰(zhàn)機(jī)也大量使用渦輪增壓,目的就是我們?cè)诘谝黄岬降?,解決戰(zhàn)機(jī)在高空吸入空氣量不足的問(wèn)題,其中有不少都是“名機(jī)”:例如B-17空中堡壘、B-24轟炸機(jī)、P-38閃電和P-47雷電這兩款戰(zhàn)斗機(jī)。
廢氣的能量
發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒后的混合氣體叫做廢氣,不過(guò)這個(gè)廢氣其實(shí)其實(shí)還是蘊(yùn)藏很大能量的。正常發(fā)動(dòng)全負(fù)荷工作時(shí)的排氣溫度大概在750-900攝氏度。排氣壓力視乎發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)而定,但往往具有數(shù)倍的的大氣壓力值。這些廢氣在排氣門(mén)打開(kāi)的瞬間,流速可以達(dá)到500-700m/s,這個(gè)動(dòng)能是相當(dāng)大的,不利用可就浪費(fèi)了。
渦輪增壓器原理很簡(jiǎn)單 工藝極復(fù)雜
由于廢氣具備的能量依然很大,不用可就浪費(fèi)了。因此工程師想到了利用廢氣的動(dòng)能,就好比水電站利用水的沖擊力一樣,利用廢氣推動(dòng)增壓器產(chǎn)生增壓效果,因而得名廢氣渦輪增壓。
渦輪增壓器的核心部件就是渦輪和壓氣機(jī)葉輪,這兩者是通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接在一塊的。渦輪增壓器的工作很簡(jiǎn)單,高壓廢氣沖擊渦輪使其高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)也就帶動(dòng)了葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng),葉輪就能高速壓縮空氣了。這個(gè)轉(zhuǎn)速非常高,現(xiàn)在車(chē)用渦輪增壓的轉(zhuǎn)速在12-20萬(wàn)轉(zhuǎn)之間。
渦輪的作用是將廢氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn),葉輪的作用是對(duì)空氣進(jìn)行壓縮,因此兩者的形狀是完全不同的的,氣流的運(yùn)動(dòng)方向也完全不一致。由于渦輪承受的是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓的廢氣,所以對(duì)材料的要求極高。
渦輪增壓器的優(yōu)勢(shì)
渦輪增壓器的動(dòng)力來(lái)源于高溫高壓廢氣,因此不會(huì)額外消耗發(fā)動(dòng)機(jī)自身功率,這和機(jī)械增壓器會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)7%功率的情況是完全不一樣的。此外,渦輪增壓器直接連接在排氣管上,結(jié)構(gòu)緊湊。
“壓力越大,動(dòng)力越大”這是渦輪增壓的真實(shí)寫(xiě)照。上篇我們提到過(guò)的機(jī)械增壓器增壓值一般在0.5bar以下(以后數(shù)據(jù)都以bar為單位),并且隨著轉(zhuǎn)速的提升消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也越多。但渦輪增壓完全沒(méi)有這樣的缺點(diǎn),反而會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的上升而更具威力。因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,排氣壓力也會(huì)越來(lái)越大,沖擊渦輪的力量也更大,整個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將會(huì)快速上升,壓氣葉輪也能高速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
渦輪增壓則很容易超過(guò)1bar的增壓值,例如高爾夫R能達(dá)到1.3。不少改裝車(chē)經(jīng)過(guò)缸體強(qiáng)化和電腦調(diào)教之后也能夠輕易實(shí)現(xiàn)1.5的高增壓值,例如十代翼豹STI原廠增壓值0.9,調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)電腦后能夠輕易達(dá)到1.5。不過(guò)我們一般購(gòu)買(mǎi)的家用非性能車(chē),例如家用的高爾夫1.4T,君威2.0T,增壓值都遠(yuǎn)低于1,一般在0.3-0.5之間,這樣可以平衡性能、油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。從中看出,渦輪增壓比機(jī)械增壓的增壓值高得多,相應(yīng)而獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升也更大。
渦輪增壓器的認(rèn)識(shí)誤區(qū)
高溫是渦輪增壓器最大的殺手
渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)自身的功率、增壓值高,這些因素導(dǎo)致渦輪增壓具備強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)渦輪增壓的原理使其具備一個(gè)最大的隱患:高溫。也正是這個(gè)隱患導(dǎo)致渦輪增壓遲遲沒(méi)有進(jìn)入民用領(lǐng)域。
熱量的來(lái)源有幾個(gè)方面。第一是廢氣溫度、前面我們講過(guò),汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度在全負(fù)荷工作時(shí)能夠達(dá)到750-900度,在一般工作狀態(tài)下也有將近700度。這些廢氣在推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中自身會(huì)降溫,這個(gè)溫度跑去哪呢?就是被渦輪葉片所吸收了。
其次,連接渦輪和葉輪的轉(zhuǎn)軸以十多萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)軸和軸承之間的摩擦就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。最后,進(jìn)氣葉輪不斷地吸入空氣,壓縮空氣,自身的溫度也會(huì)升高。這些因素加起來(lái),使整個(gè)渦輪增壓器處于絕對(duì)的“熱火”之中。
高溫導(dǎo)致的渦輪失效主要在于渦輪葉片變形燒蝕、轉(zhuǎn)軸拉傷失效。多年來(lái)工程師為了對(duì)付這個(gè)問(wèn)題想出了各種方法,概括來(lái)說(shuō)無(wú)非就是兩種:使用更耐熱的材料和采用更有效的降溫方法。
渦輪增壓真的有“遲滯”嗎
“渦輪遲滯”曾經(jīng)是最為用戶詬病的缺點(diǎn)。所謂的遲滯是我們踩下油門(mén)踏板那一刻,到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)功率所需要的時(shí)間。實(shí)際上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)存在這個(gè)遲滯,只是多少而已。因?yàn)槿绻屑?xì)感覺(jué)的話,都可以感覺(jué)出來(lái)。我們?cè)诓认掠烷T(mén)踏板的瞬間,發(fā)動(dòng)機(jī)需要吸入更多的空氣、調(diào)整噴油量,這些都需要時(shí)間。
因?yàn)樵缙诘臏u輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在“遲滯”方面表現(xiàn)突出,因?yàn)楸粡V為認(rèn)知。那么渦輪的遲滯是從哪里來(lái)的呢?一是渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性、要將其加速需要時(shí)間;二是轉(zhuǎn)軸和軸承之間的摩擦;最后就是因?yàn)槿~輪攪動(dòng)空氣所形成的阻力了。在這三個(gè)因素里,葉輪攪動(dòng)空氣所產(chǎn)生的阻力是最為主要的。正是因?yàn)檎麄€(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提升需要時(shí)間,葉輪越大,增壓值越大,所需要的加速時(shí)間就越長(zhǎng),形成的“遲滯”就越明顯。
改善渦輪遲滯的方法有很多,一方面可以借助直噴技術(shù),間接提升低速時(shí)的扭矩特性,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升,增加廢氣能量推動(dòng)渦輪,減少渦輪遲滯。另一方面,可以通過(guò)減少增壓值,減少整個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的尺寸和重量,一方面可以減少慣性和摩擦,更為重要的是減少了葉輪阻力。
早期的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有直噴的幫助,加上為了追求性能而采用高增壓大渦輪,遲滯現(xiàn)象相當(dāng)明顯?,F(xiàn)在的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用直噴技術(shù),另外采用低增壓技術(shù),渦輪遲滯現(xiàn)象已經(jīng)得到很大改善,在日常普通駕駛幾乎難以察覺(jué),唯有在急加速時(shí)方能有所察覺(jué),但這種遲滯現(xiàn)象和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在加速時(shí)的動(dòng)力提升緩慢又有多大區(qū)別呢?(除非你開(kāi)大排量自然吸氣)目前的低增壓直噴渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的“遲滯”現(xiàn)象根本不能和早期的高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比,只不過(guò)由于遲滯的說(shuō)法已經(jīng)存在多年,先入為主而已。
渦輪介入的說(shuō)法準(zhǔn)確嗎
我們經(jīng)常會(huì)在聽(tīng)到“渦輪介入”的說(shuō)法,例如大眾1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)在1500轉(zhuǎn)的時(shí)候能夠達(dá)到最大扭矩250牛米,通常的說(shuō)法是“渦輪在1500轉(zhuǎn)的時(shí)候介入”。事實(shí)上這一說(shuō)法并不準(zhǔn)確。其實(shí)只要渦輪達(dá)到一定轉(zhuǎn)速,葉輪產(chǎn)生的進(jìn)氣壓力高于自然吸氣時(shí)的壓力,就可以說(shuō)渦輪介入工作了,而1500轉(zhuǎn)則是達(dá)到了最大的增壓壓力狀態(tài),我們可以稱(chēng)為渦輪全開(kāi)。因此,渦輪介入工作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們看到的最大扭矩出現(xiàn)的時(shí)間要早,但具體在什么轉(zhuǎn)速開(kāi)始介入則要視乎不同的發(fā)動(dòng)機(jī)而定。