渦輪增壓的原理是什麽？

如果在相同的單位時間內，能有更多的空氣和燃油混合氣被迫進入氣缸(燃燒室)進行壓縮和爆炸(小排量的發動機可以“吸入”大排量的空氣，提高容積效率)，就能比同轉速的自然吸氣發動機產生更大的動力輸出。這就像把電風扇吹進汽缸，迫使風充滿汽缸，從而增加內部的空氣量，獲得更大的馬力，但風扇是由發動機排出的廢氣驅動的，而不是電動機。

壹般來說，發動機配合這樣壹個“強制進氣”動作，至少可以增加30%-40%的額外功率。如此驚人的效果就是渦輪增壓器如此吸引人的原因。而且，實現完美的燃燒效率，大幅提升動力，才是渦輪增壓系統能夠提供給車輛的最大價值。

該系統包括渦輪增壓器、中間冷卻器、進氣旁通閥、排氣旁通閥以及支撐進氣和排氣管道。

汽車渦輪增壓器的連接方式如下圖所示:

工藝管道

我們希望您能通過以下簡單的步驟，了解渦輪增壓的工作順序，讓您清楚地了解渦輪增壓系統的工作原理。示意圖如下:

首先是發動機排出的廢氣推動渦輪葉輪)②在渦輪的排氣端，使其旋轉。因此，它可以同時驅動與之相連的另壹側的壓縮機輪(③)轉動。

二是壓氣機葉輪從進氣口強行吸入空氣，經過葉片的旋轉壓縮後，流出進入直徑越來越大的擴壓器通道，這些壓縮空氣被噴入氣缸燃燒。

第三，有些發動機裝有中冷器，以降低壓縮空氣的溫度，提高密度，防止發動機爆震。

第四，被壓縮(和冷卻)的空氣通過進氣管進入氣缸，參與燃燒和做功。

5.燃燒後的廢氣從排氣管排出，進入渦輪，然後重復上述(1)動作。

渦輪增壓器

渦輪增壓器機體是渦輪增壓器系統中最重要的部分，也就是我們壹般所說的“蝸”或“螺”。渦輪之所以得名，是因為它的形狀很像蝸牛背上的殼，或者海鮮攤上的海螺。

渦輪增壓器機體是提高充氣效率的核心部件，其基本結構分為:進氣端、排氣端和中間連接部分。

空氣入口包括壓縮機殼體，該壓縮機殼體包括壓縮機入口、壓縮機出口和壓縮機葉輪。

排氣端包括渦輪機殼體，該渦輪機殼體包括渦輪機入口、渦輪機出口和渦輪機葉輪。

在兩個外殼之間，還有壹個中心殼，中心殼上裝有連接和支撐壓氣機葉輪和渦輪葉輪，並應對數萬轉的軸，以及相應的進油口和出油口(甚至包括進水口和出水口)。

“高溫”是渦輪增壓器工作時面臨的最大考驗。渦輪運轉時，首先接觸的是發動機排出的高溫廢氣(第壹熱源)，推動渦輪葉輪，帶動另壹側的壓氣機葉輪同步運轉。整個葉片軸的轉速為120000-160000轉/分。因此，渦輪軸高速旋轉產生的熱量是驚人的(第二熱源)，空氣被壓氣機葉輪壓縮後溫度升高(第三熱源)，成為渦輪增壓器最嚴峻的高溫負擔。渦輪增壓器成為集成高溫部件的獨立工作系統。所以“散熱”對渦輪增壓器非常重要。渦輪本體內部有專門的油路(散熱和潤滑)，很多同時設計有油路和水路，可以通過油冷、水冷雙重散熱降低增壓器的溫度。

渦輪軸

軸承看起來是簡單的金屬管，實際上是120000-160000rpm旋轉和超高溫的精密零件。其精細的加工誤差和精深的材料應用與處理是所有渦輪廠的核心技術。傳統的渦輪軸使用襯套軸承結構。它真的只是壹根金屬管，完全依靠進入軸承室的高壓機油來實現散熱，所以可以高速旋轉。

而新出現的球軸承逐漸成為渦輪軸的發展趨勢。顧名思義，滾珠軸承就是在渦輪軸上安裝滾珠來代替油作為軸承。球軸承有很多優點:摩擦力更小，所以會有更好的渦輪響應(可以減少渦輪滯後)，更有利於動力的極致提取；對於渦輪軸轉動的動態控制更穩定(傳統上軸承是機油做的，行程浮動)；對油壓和品質的要求可以相對降低，間接提高了渦輪的使用壽命。但它的缺點是耐用性不如傳統的Bos軸承，大概7-8萬公裏就會達到壽命極限，而且不容易維護，維護費用昂貴。所以重視耐用性的渦輪廠商(如KKK)是不會推出這種渦輪的。

渦輪機葉輪和壓縮機葉輪

渦輪葉輪的葉片類型可分為“水車式”葉片(形狀為直葉片設計，使廢氣碰撞產生回旋力，與回旋運動直接結合)和“風車式”葉片(形狀為彎葉片設計，不僅利用碰撞力，還有效利用氣流進入葉片間，獲得廢氣的膨脹能)。渦輪葉輪的葉輪直徑和葉片數會影響馬力的線性度。理論上葉片越少，低速時響應越差，但高速時的爆發力和持續性不是多葉片能比的。

渦輪葉輪的葉片大多采用高耐熱鋼(有的采用陶瓷技術)，但由於鐵本身質量大，所以生產的是輕而強的鈦合金葉片。只是在量產車中，現在只有三菱藍瑟EVO ⅸ RS車型有配備鈦合金葉片的渦輪(EVO的鈦合金渦輪型號為TD05-HRA，壹般為TD05-HR，供讀者參考)。改裝產品中，只有加勒特的賽車渦輪用的是鈦合金，暫時沒聽說過。

壓縮機葉輪

葉片是渦輪機的動力源。但是壓氣機葉輪和渦輪葉輪的作用不同，所以葉片形狀當然也不同。基本上，如何高效地將空氣擠入壓縮通道被視為壓氣機葉輪的首要任務，進而確定其形狀。

壹般原渦輪的壓氣機葉輪都采用全葉片的設計，即葉片從頂部到末端設計。為了增加吸入空氣的通道面積，提高高速旋轉的效率，已經出現了很多在全葉片旁邊插入半葉片的葉輪(這種設計多出現在改型產品中)。

壓縮機葉輪設計的另壹個目的是平衡壓縮空氣的速度。傳統的葉輪是“徑向壓縮輪”，它的兩個葉片之間的氣體速度變化很快:位於葉輪前面的空氣受到葉片的擠壓，所以速度很快。但是，由於吸入阻力和背壓等因素，葉片後面的空氣流速較慢。當節流閥半開時，壓縮機葉輪的速度降低，進入壓縮輪的空氣速度降低。但如果之前被壓縮的空氣量相對過多，就會出現“真空”狀態，空氣無法輸送(壓縮機葉輪的轉速無法產生大於進氣管內空氣壓力的壓力)，無法產生相對壓力(壓力反饋)，也就是所謂的“壓縮機喘振”現象。

所謂湧浪效應，就像我們用手攪動水桶裏的水。手攪得越快，桶裏的水就會越往桶邊擴散，然後桶裏的水位就會越來越低。最後桶裏的水只會繞著桶旋轉，不會掉下來。空氣動力學也會發生這種現象。妳可以想象壹下:壓縮機的進氣口就像壹個水桶，周圍的空氣就像水。至於渦輪葉片，它們就像攪拌的手。壹旦渦輪葉片的轉速增加，進氣口中的氣流將逐漸向四周擴散。轉速越高，氣流會離周圍越近，導致渦輪葉片的中心位置越來越不能吸收空氣，甚至最後會處於真空狀態，空氣只能從葉片周圍進入，進氣效率當然會下降。而迎風角大的葉片進氣效率較好，但在高速時容易產生喘振效應，而迎風角小的葉片則相反。

為了防止“氣提”現象，為保持流量均勻而設計的將葉片角度減小到運行方向(更接近渦輪軸線方向)的“反向”壓氣機葉輪逐漸成為改型產品的主流，也就是改型領域所謂的“斜流”葉片。“斜流”葉片通常是在原來的主葉片下面，再加壹個半葉片(壹般它的角度更靠近渦輪軸，也就是更垂直)。如果從進氣口直接看壓氣機葉輪，可以看到兩個葉片重疊，說明這是壹個“斜流”葉輪。混合動力渦輪的壓氣機葉輪通常采用“斜流”葉片(背面削平)，帶有漏鬥形擴大吸入口，以增加空氣輸出。此外，還有在壓縮機進氣口增加循環排氣孔的新設計，使損失的壓縮空氣循環兩次，以減少喘振效應(此處不詳述，HKS T04Z有此設計)。

內置旁通閥

內置排氣旁通閥(俗稱執行機構)是目前汽輪機系統中最常見的泄壓裝置，也俗稱聯動排氣泄壓閥。“執行器”直接布置在渦輪上，用壹根連桿來控制渦輪排氣中的閥門。壹旦渦輪壓縮空氣端的增壓值達到極限水平，進氣壓力就會推動“執行機構”的連桿打開渦輪排氣側的旁通閥，壹部分廢氣就不經過渦輪葉輪直接排到排氣管。這樣，吹渦輪葉輪的廢氣流量減少，渦輪葉輪的轉速降低，同時壓縮機葉輪的轉速降低。因此，“作動器”不僅是限制渦輪最高轉速的裝置，也是使渦輪入口處的增壓壓力保持在壹個穩定值(不能長時間過高)的裝置。

外部旁通閥

外置廢氣門(俗稱廢氣門)，又稱排氣泄壓閥，與“執行器”功能大致相同，只是結構和安裝位置不同。從結構上看，“廢氣門”消除了渦輪中的連桿和排氣閥。另壹方面，“廢氣門”以獨立的方式安裝在渦輪和排氣管頭之間，而不是像“執行器”壹樣附著在渦輪增壓器本體上。壹旦渦輪增壓值達到設定的上限，“廢氣門”排出多余的廢氣(可以直接排到大氣中，也可以導回排氣管中)，減少“吹”渦輪葉輪的廢氣流量，從而保持渦輪增壓值的穩定。“廢氣門”比“執行器”有更大的增壓能力(彈簧大)，反應靈敏，所以更適合大馬力或高增壓的渦輪發動機，尤其是差異大的混合渦輪，是必備單品！

空氣冷卻器

中間冷卻器位於壓縮機出口和節流閥之間的“冷卻排”中。它的結構有點像水箱，就是用很多扁扁的小鋁管來分壓空氣，然後用外面的冷空氣吹與細管相連的散熱片，來冷卻壓縮空氣，使進氣溫度接近常溫。

發動機討厭熱氣，因為熱氣會降低馬力。尤其是在四季炎熱的亞熱帶地區。但由於渦輪增壓器會強行壓縮吸入發動機的氣體，空氣密度會增加，但同時空氣溫度也會急劇上升。溫度升高又會導致壓縮空氣中的氧氣含量降低。此外，這種熱氣未經冷卻就會進入高溫氣缸，導致燃油不規則預燃(爆震)，進壹步加劇發動機的溫升，增加活塞熔化的可能性。

為了提高空氣密度，兼顧空氣中的含氧量，我們需要在壓縮空氣後(更大程度上)降低進氣的溫度。中間冷卻器就這樣產生了。中冷器的面積和厚度越大，其散熱能力越強。由於面積和厚度大，中冷器中小扁管的數量、長度和冷卻葉片增加，使中冷器內的高溫壓縮空氣與中冷器外的大氣有更多的接觸面積和接觸時間，換熱(冷卻)的面積和時間更充分，冷卻效果更好。大容量中冷器雖然冷卻效率更好，但延長了散熱路徑，增加了進氣量，會帶來相對壓力損失，渦輪遲滯容易變大。

進氣旁通閥

進氣減壓閥通常也稱為“進氣減壓閥”。安裝在節氣門附近的進氣管上，是大部分渦輪增壓發動機出廠時的原裝泄壓裝置。

因為渦輪是靠廢氣的動力驅動的，所以在行駛過程中(比如換擋、急剎車)關閉油門時，油門是關閉的。渦輪葉片(壓氣機葉輪)在慣性作用下仍保持旋轉。此時，由於節氣門的截斷和葉片的持續增壓，進氣管內(節氣門和渦輪之間)的氣壓會迅速升高。為了保護增壓系統，當壓力達到壹定的極限值時，打開進氣旁通閥，將多余的空氣(壓力)導回過濾器和渦輪之間，實現降壓保護的功能。

放氣閥(BOV)，俗稱“放氣哇佬”，也屬於進氣旁通閥。只是它壹般被用作替代安全閥的改型件。它的作用與安全閥基本相同，唯壹不同的是排汙閥的閥門不會像安全閥那樣容易受到入口壓力的影響(導致入口壓力下降)。此外，在節流閥關閉後，放泄閥直接將殘余壓力釋放到大氣中，而不是在渦輪和過濾器之間重新加壓。因此，除了保護渦輪系統之外，放泄閥在泄壓反應方面也優於原泄壓閥。然而，對於小排量或小型增壓渦輪發動機，放氣閥對加油的動態響應將變得更差。另外，放氣閥泄壓時會產生更多的放氣聲，讓人更加興奮，成為渦輪增壓車最特別的音響效果。