汽车涡轮增压讲解

汽车涡轮增压

简称Turbo，如果在轿车尾部看到Turbo或者T，

即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。

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，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，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，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。

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。

涡轮增压器是一种利用内燃机（Internal Combustion Engine）运作所产生的废气驱动之空气压缩机（Air-compressor）。与超级增压器（机械增压器, Super-Charger）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。

图为以气箔轴承为

基础制造出来的涡轮增

压器剖面图，图片来自

Mohawk Innovative

Technology Inc.

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（inertia）的能量会上升。因涡轮增压器大部份时间都是利用引擎排出之废气驱动，所以较由引擎曲轴（Crankshaft）驱动之机械增压器占优。但因引擎于低转运作时废气流量较低，涡轮增压器之表现未如理想，出现涡轮迟滞（Turbo-Lag）现象。

[编辑]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则是压强。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]

[编辑]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

引擎上

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。

[编辑] 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，因为这部份的燃油不会燃烧。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