涡轮增压器工作原理

2022-05-26

什么是涡轮增压器
涡轮增压(Turbo Boost)，是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作转产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术。
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。涡轮增压器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。
当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，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发动机的转速，增加发动机的输出功率。

涡轮增压器的作用
涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够输出更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却并不比1.8L发动机高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。

涡轮增压器的组成
废气涡轮增压器主要由泵轮和涡轮组成由转子相连。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。其中有转子、密封系统、润滑系统、旁通阀机构等

简单版涡轮增压器原理
简单来讲，涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气带动涡轮旋转，与燃气轮机类似。涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连。压缩机把空气压缩到气缸中气缸排出的尾气流过涡轮叶片，使涡轮旋转。流过叶片的尾气越多，涡轮旋转速度就越快。

在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。压缩机是一种离心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。

涡轮增压工作过程
希望用以下简单的步骤让你明白涡轮增压的工作顺序，从而便能清楚了解涡轮增压系统的工作原理，涡轮增压工作过程如下
一，发动机排出的废气，推动涡轮排气端的涡轮叶轮，并使之旋转。由此便能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮也同时转动。
二，压气机叶轮把空气从进风口强制吸进，并经叶片的旋转压缩后，再进入管径越来越小的压缩通道作二次压缩，这些经压缩的空气被注入汽缸内燃烧。
三，有的发动机设有中冷器，以此降低被压缩空气的温度、提高密度，防止发动机产生爆震。
四，被压缩(并被冷却后)的空气经进气管进入汽缸，参与燃烧做功。
五，燃烧后的废气从排气管排出，进入涡轮，再重复以上(一)的动作。这就是涡轮增压工作过程。

复杂版涡轮增压器原理
发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。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。

汽油发动机涡轮增压器原理
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，工程师有针对性地做了改进，增加了下面几个部件使汽油机也能用上废气涡轮增压器。

中冷器
温度增高，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。

由于汽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。现代汽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。汽车维修技术网
汽车用的废气涡轮增压器都采用单入口涡轮外壳，也就是说只利用废气排气的压力能量，不需使用其它的辅助能量。由于汽车发动机的转速范围大，因此废气涡轮增压器必须要有调节装置，以使发动机能在一定转速范围内获得比较恒定的增压压力。另外，汽油机是点燃式点火，它的压缩比是有一定范围限制的，过高就会引发爆燃。因此，还要有爆燃检测及控制机构，随时调整点火提前角。
一般汽车的废气涡轮增压器一般安装在排气管附近，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，同步旋转。

柴油机涡轮增压调节装置

调节装置
目前的涡轮增压器的调节装置大都在排气侧进行调节，当不需要增压时，例如怠速或者有爆燃先兆时，一部分排气会通过旁通阀泄出而不进入涡轮增压器。当发动机转速每分钟达到1800转时，电磁阀就会关闭旁通阀让排气流指向涡轮一侧，使涡轮转动。另外还有一种设计，就是调节涡轮叶片的角度，通过阻力的改变来调节涡轮的转速，从而改变增压量。

对空气进行冷却可以使空气收缩增大密度，在同等容积下塞进更多空气，还可以防止爆燃。因此汽车的涡轮增压器都安装有中间冷却器，这种中间冷却器一般用空气冷却，安装在发动机散热器前面、旁边或者单独一个位置，利用汽车迎面气流或者自身风扇冷却。

轴承
涡轮增压器的关键零件是轴承。这种根据润滑形式命名的轴承被称为“全浮式轴承”，工作转速极高，工作环境恶劣。因此，保证润滑是非常重要的事情。如果因油压低导致机油供给缓慢，就会损坏轴承从而导致涡轮增压器失效。在正常的发动机启动是不会发生此类故障的，但如果发动机更换机油和机油过滤器后第一次启动，就会产生机油供给缓慢现象，使轴承缺乏机油润滑。在这种情况下，启动后要怠速运转3分钟左右，不可直接将转速提升到涡轮增压器启动转速。同样，在高速及上坡后也不要使发动机立即停止，要使发动机继续怠速运行1分钟左右，使仍继续空转的涡轮增压器轴承不会缺油。因此，使用涡轮增压器汽车的司机，一定要遵循厂家的指示操作，还要十分注意机油的质量，不宜将涡轮增压器汽车视同一般汽车进行操作。

带有涡轮增压器发动机使用注意事项
针对涡轮增压器工作原理，在使用有涡轮增压器发动机时应注意一些问题：
1.发动机启动后应怠速运转一会儿，使润滑油达到一定的工作温度和压力，以免突然增加负荷时因轴承无油而加速磨损，甚至卡死。
2.车辆停车时由于增压器转子转动具有一定惯性，所以发动机不要立即熄火，应怠速运转一段时间，以使增压器转子的温度和转速逐渐下降。立即熄火会使机油丧失压力，转子靠惯性转动时得不到润滑而损坏。
3.经常检查机油油量，避免因缺少机油而导致轴承失效及转动件卡死。
4.定期更换机油及机滤，因全浮动轴承对润滑油的要求很高，应使用厂家规定牌号机油。
5.定期清洗更换空气滤芯，空滤过脏会造成进气阻力增加，使发动机功率下降。
6.经常检查进气系统的密闭性，漏气会使灰尘吸入增压器及发动机，损坏增压器和发动机。
7.由于涡轮增压器转子轴承精密度很高，维修及安装时的工作环境要求很严格，所以增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修。