DK's KINGDOM

Friday, May 21, 2010

涡轮增压(Turbo)

涡轮增压,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)。与机械增压器,(supercharger)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(horsepower)输出。

涡轮增压的英文名 字为Turbo, 一般来说,如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T,即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。譬如奥迪A6 的1.8T,帕萨特1.8T,宝来1.8T 等等。

增压目的
  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(torque),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产生更大的功率。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,但是耗油量却比1.8发动机并不高多少,在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气(exhaust)排放。

负面影响
不过在经过了增压之后,发动机在工作时候的压力和温度都大大升高,因此发 动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短,而且机械性能、润滑性能都会受到影响,这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。

增压原理
  最早的涡轮增压器用于跑车或方程式赛车上的,这样在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面,发动机就能够获得更大的功率。
  众所周知发动机是靠燃料在汽缸内燃烧做功来产生功率的,由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制,因此发动机所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量,从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下,涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。
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(impeller),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。
涡轮增压装置其实并不复杂,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(exhaust manifold)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(air filter pipe)相连,排气口接在进气歧管(intake manifold)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了。

增压类型
废气涡轮增压系统
这就是平时最常见的涡轮增压装置,增压器与发动机无任何机械联系,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,相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言,加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方,那就是泵轮和涡轮由一根轴相连,也就是转子,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。

复合增压系统
即废气涡轮增压和机械增压(supercharger)并用,机械增压有助于低转速时的扭力输出,但是高转速时功率输出有限;而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出,但低转速时则力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起,来解决两种技术各自的不足,同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较多,汽油机上采用双增压系统(复合增压系统)的车型还比较少,大众的1.4 TSI发动机(这款发动机兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。在低转速时,由机械增压提供大部分的增压压力,在1500rpm时,两个增压器同时提供增压压力。随着转速的提高,涡轮增压器能使发动机获得更大的功率,与此同时,机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器(electromagnetic clutch)控制,它与水泵集合在一起。在转速超过3500rpm时,由涡轮增压器提供所有的增压压力,此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离,防止消耗发动机功率采用了了这一系统。其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小,只是结构太复杂,技术含量高,维修保养不容易,因此很难普及。

优缺点
  诚然,涡轮增压的确能够提升发动机的动力,不过它的缺点也有不少,其中最明显的就是动力输出反应滞后(turbo lag)。看看前面有关涡轮增压的工作原理就知道了,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,也就是说从你大脚踩油门加大马力,到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差,而且这个时间还不短。一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。如果你要突然加速的话, 瞬间会有提不上速度的感觉。
  随着技术的进步,虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行改进,但是由于设计原理问题,因此安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的。譬如说我们买了1.8T的涡轮增压汽车,在实际的行驶之中,加速肯定不如 2.4L的,但是只要度过了那段等待期,1.8T的动力同样会窜上来,因此如果你追求驾驶的感觉的话,涡轮增压引擎并不适合你,如果你是跑高速之类的,涡轮增压才显得特别有用。
此外涡轮增压还有维护保养方面的问题,就拿宝来的1.8T来说,6万公里左右就要更换涡轮了, 虽然次数不算多,毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费,这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。

冷却系统
中冷器是增压系统的一部分。当空气被高比例压缩后会产很高的生热量,从而使空气膨胀密度降低,而同时也会使发动机温度过高造成损坏。为了得到更高的容积效率,需要在注入汽缸之前对高温空气进行冷却。这就需要加装一个散热器,原理类似于水箱散热器,将高温高压空气分散到许多细小的管道里,而管道外有常温空气高速流过,从而达到降温目的(可以将气体温度从 150℃降到50℃左右)。由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间,所以又称作中央冷却器,简称中冷器。
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引擎(Engine)

引擎,发动机的核心部分,因此习惯上也常用引擎指发动机。引擎的主要部件是气缸,也是整个汽车的动力源泉。

简介
有人把引擎称为发动机,其实,发动机是一整套动力输出设备,包括变速齿轮(change gear)、引擎和传动轴(drive shaft)等等,可见引擎是只是整个发动机的一个部分,但是却是整个发动机的核心部分,因此把引擎称为发动机也不为过。 引擎的主要部分就是气缸(cylinder),这里就是整个汽车的动力源泉。

气缸的工作原理:
汽缸包括缸体、进气孔、输油孔(oil hole)、出气孔(vent)、活塞(piston)和火花塞(spark plug)。汽缸通过进气孔和输油孔注入汽油和空气,在汽缸内充分混合,当火花塞点燃混合物后,混合物猛烈地爆炸燃烧,推动活塞向下运动,并产生动力。同时,爆炸气巨大的压力还推开单向阀的出气孔,排出废气。而后,汽缸内残余废气逐渐变冷,气压变低,汽缸外部的大气压又推动活塞向上运动,以准备进行下一次爆炸。这就是简单的原理。

引擎(发动机)的区别
按燃料分:
可分为柴油(diesel)机、汽油(gasoline)机和天然气(natural gas)机以及油电混合(hybrid)机等

按实现循环的行程数分:
二冲程引擎(two-stroke engine):活塞移动两个行程或曲轴(crankshaft)转一圈气缸内完成一个工作循环;
四冲程引擎(four-stroke engine):活塞移动四个行程或曲轴转两圈气缸内完成一个工作循环。这两种引擎都能用各种燃料驱动(包括电油(汽油)、柴油及液态石油气)。

按冷却方式分:
水冷式引擎(water-cooled engine):以水为冷却介质;
风冷式引擎(air-cooled engine):以空气为冷却介质。

按点火方式分:
压燃式引擎(compression-ignition engine):利用气缸内空气被压缩后产生的高温,使燃油自燃。如柴油机。
点燃式引擎(ignition engine):利用火花塞发出的电火花强制点燃燃料,使燃料 强行着火燃烧。如汽油机、煤气机。

按可燃混合气形成的方法分:
缸体外部形成混合气的引擎:燃料和空气在外先混合然后进入气缸。如使用化油器的汽油机。
缸体内部形成混合气的引擎:燃料在临近压缩终了时才喷入气缸,在气缸内与空气混合。如柴油机。

按进气方式分:
自然吸气式引擎(naturally aspirated engine):空气靠活塞的抽吸作用进入气缸内。
涡轮增压式引擎(turbocharged engine):为增大功率,在发动机上装有涡轮增压器,使进入气缸的气体预先经过压气机压缩,再进入气缸。

按气缸数目分:
单缸引擎(single cylinder engine):常用于拖拉机,割草机等
多缸引擎(multi-cylinder engine):两缸以上

按气缸的排列型式又可分为:
直列立式发动机(inline engine):所有气缸排列在同一平面内。
V型发动机(V-type engine):气缸分别排列在两个相交为V型的平面内。
卧置发动机(Boxer engine):两排气缸夹角为180°时又称为水平对置式或H型亦或是boxer型。
其它:还有X型、W型、星型等,多用于螺旋桨式飞机。

二冲程引擎
明显地,字面上说明了这是甚么引擎,就是用两个冲程的长度完成一个循环。在第一个冲程,两个程序一起进行,那就是进气和压缩。在第二个冲程,另两个程序一起进行,那就是燃烧(做功)和排气。
它是一副简单的引擎,并没有排气活瓣(exhaust valve)。它拥有高的容积效率(volumetric efficiency)和快速提升转数(rotation per minute, rpm),但它的扭力(torque)及马力(horsepower)输出变化颇大,所以它不适宜用于汽车及货车那些需要稳定的扭力及马力来应付很大的道路变化的车辆。另一不适用的原因是严格的排气限制(欧盟三及欧盟四),基于燃烧过程不够精密,因此它也不适用于其它车辆。它适用于船只,因为船只在短时间内都不会加速及停下,因此引擎转速得以维持并维持一定马力输出。它适用于电单车,因为它的重量轻及有高容积效率。

四冲程引擎
又一次,字面上已说明了这是甚么引擎,就是四个冲程的长度完成一个循环。有别于二冲程引擎,它是一个冲程完成一个步骤。第一步叫做【进气冲程(intake stroke)】,其过程是将进气阀(intake valve)打开,活塞下降,汽缸吸入汽油和空气的混合物。第二步叫做【压缩冲程(compression stroke)】,这一步的过程是将进气阀关闭,活塞上升,混合物被压缩在活塞上的小空间里。【动力冲程】是第三步,此时汽缸上的火花塞的火花会令混合物燃烧,产生的热气体膨胀,迫使活塞下降。【排气冲程(exhaust stroke)】是四冲程引擎的最后一步,这时排气阀(exhaust valve)会打开,活塞上升,燃烧过的气体(废气)被排出汽缸。
  相较于二冲程引擎,四冲程的结构较为复杂。它拥有活瓣(valve)及凸轮轴(camshaft),至少要有进气活瓣、排气活瓣及凸轮轴各一。因为它的容积效率较低,所以两种引擎在相同扫气容积下,它会有较少之输出功率。但它有稳定的扭力及马力输出,所以它适用于道路的车辆和船只。虽然它提升转数较慢,它不能算是真的问题。其实,转数提升缓慢可以以减轻飞轮的重量、活塞的重量及曲轴的重量来解决。
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