渦輪增壓技術在汽車發動機中的應用研究

梁琰，秦穎

（河南省工業科技學校，河南 新鄉 453000）

傳統汽油機的工作方式為自然吸氣，這一工作方式是通過活塞下行過程中氣缸內部形成的真空，在利用外界的大氣壓力，將混合氣壓入氣缸之中。但是由于受到內外界的影響，氣缸的進氣率無法達到100%。渦輪增壓技術則能夠彌補自然吸氣技術的缺陷，大大增強發動機的功率，提升汽車的行駛性能。

1 渦輪增壓技術及其在汽車發動機中的應用原理

渦輪增壓技術一種能夠強化汽車發動機進氣能力的技術。1905年Alfred Buchi博士申請了全球首款渦輪增加器的專利——動力驅動軸向增壓器，但這一技術運用到汽車生產商已經是1977年。1977年北歐瑞典的Saab薩博公司首次將渦輪增加器應用到汽車生產中，使渦輪增壓汽車發動機技術得以發展。通常來說，在汽車尾部看到Turbo或T就代表車輛使用了渦輪增壓技術。在渦輪增壓技術出現的30余年內該技術已經普及到各類汽車中，使得汽車發動機在保持原有氣缸工作容積的基礎上能夠實現輸出功率10%的提升。基于渦輪增壓技術強化動力的優勢，很多汽車的制作上都采用了渦輪增壓技術來提升汽車的發動機性能。沃爾沃最近展出了一款全新的Drive-E2．0T發動機，裝備3個渦輪增壓器，馬力至少也有450匹，這一指標幾乎已經趕上普通汽車的6．0排量發動機?？梢钥闯?，運用了渦輪增壓技術的汽車發動機，能夠實現遠超同排量汽車所產生的功率。渦輪增壓技術的出現和運用轉變了以排量大小決定功率大小的情況。渦輪增壓技術有機械增壓技術、汽波增壓技術、廢氣渦輪增加技術、復合增壓技術等。其中，由于廢氣渦輪增壓技術的能效比突出，得到較為廣泛的運用。

廢氣渦輪增壓技術的原理核心可以通俗的描述為：一個氣泵，氣泵需要利用發動機排出的廢氣慣性沖力來進行正常的運轉。當汽車發動機轉速加快，相應的廢氣的排出速度與渦輪旋轉速度也相應增加，葉輪將會壓縮更多的空氣進入氣缸，伴隨著空氣的壓力與密度的增加能夠燃燒更多的燃料，適當增加燃料數量，對發動機轉速進行一定調整就能夠增加發動機的輸出功率。雖然原理過程較為容易，但是實際過程卻較為復雜，不僅需要其中內部零件的無縫緊密配合，同時還需要與發動機相匹配，否則會降低發動機的功率，甚至毀壞發動機。其中，在上述原理中的“氣泵”被稱為渦輪增壓器，渦輪增壓器是由渦輪室以及增壓器兩個部分構成。渦輪室進氣口與排氣歧管鏈接，排氣口與排氣管相連接；增壓器進氣口與空氣濾清器管道鏈接，排氣口在進氣歧管上。渦輪與葉輪分別安裝在渦輪室與增壓器中，兩種同軸剛性連接。發動機排出廢氣后會驅動渦輪增壓器一旁的葉輪，當葉輪的旋轉速度越快，另一側的葉輪也會一同快速旋轉，從而提升進入燃燒室的進氣量。渦輪增壓技術的核心在于，能夠在惡劣的環境中持續工作。渦輪增壓器安裝在發動機的進排氣歧管上，長時間處于高溫、高壓、高轉速的工作狀態，周圍環境十分惡劣，工作量大、工作要求高。然而渦輪增壓器雖然能協助發動機增加功率，但是缺陷也十分明顯，其中影響最顯著的為“滯后響應”。即為由于葉輪存在慣性作用，對油門瞬時變化的反應相對遲緩，即時進行改良處理后，反應時間也需要2s左右，讓發動機延遲增加或降低輸出功率，這對于突發情況下要超車或加速的汽車來說，往往會有瞬間無法到位的感覺。但是渦輪增壓技術自身就是利用廢氣進行增壓，排出的廢氣如果不加以利用也是被白白排出。值得注意的是，渦輪增壓技術應用在發動機后，發動機的功率與扭矩均要實現20%～30%的提升，其中泵輪與渦輪之間是由軸承鏈接在一起，即為轉子。發動機排出的排氣驅動泵輪工作，泵輪帶動渦輪旋轉運轉，渦輪轉動后為進氣系統進行增壓。增壓器安裝在發動機排氣的另外一旁，所以增壓器的工作溫度較高，增壓器處于工作狀態時，轉子的轉速也很高，達到每分鐘十幾萬轉。高轉速與高溫度會使得機械滾針與滾珠軸承難以為轉子進行工作，所以渦輪增壓器使用了全浮動軸承，使用機油來進行潤滑，同時配有冷卻液給增壓器進行溫度冷卻。

2 渦輪增壓技術在汽車發動機中的應用

2.1 渦輪增壓發動機的日常使用與維護

渦輪增壓技術是利用發動機排出的廢氣來驅動渦輪工作，渦輪增壓器長時間處于高溫環境下工作，因此為了保證渦輪增壓器的使用壽命，需要在日常使用中進行保養維護，主要可以從以下3個方面入手：

（1）發動機啟動后不可在短時間內急加速，需要先怠速3～5min，給予充分的時間讓機油溫度與機油壓力得以提升，使機油的流動性更佳，讓渦輪增壓器能夠被充分潤滑，從而提升發動機轉速，然后開始起步行駛。

（2）發動機在長時間工作后不能馬上熄火。這是由于發動機處于工作狀態時，有部分機油是用于渦輪增壓器轉子軸承的潤滑與冷卻。如正在運行的發動機驟然停止工作，機油壓力則會快速下降，機油潤滑則停止，渦輪增壓器內部的熱量也無法被機油冷卻，高溫會被傳遞至中間，軸承支撐殼的熱量無法被快速消除，但渦輪增壓器卻被慣性作用影響，始終處于高速旋轉狀態，從而導致渦輪增壓器轉軸與軸套之間出現“咬合”狀態，從而毀壞軸承。因此在發動機長時間工作后，需要怠速運轉3min后再進行熄火，讓渦輪增壓器的轉子速度逐漸減慢。但需要注意渦輪增壓發動機不宜長時間處于怠速中，需要在10min內熄火。

（3）定期檢查渦輪增壓器的密封狀態。如果汽車渦輪增壓器的密封狀態不佳，則廢氣會通過密封環進入發動機的潤滑系統，導致機油遭受污染，并導致曲軸箱的壓力快速升高。另外，渦輪增壓發動機處于低速運轉過程中，機油也會通過密封環從排氣管排出或進入燃燒室進行燃燒，從而使得車輛的機油過度消耗，即為常見的發動機故障“燒機油”。因此，渦輪增壓器要定期檢查是否存在異響或不正常的震動，潤滑油管與接頭處是否出現滲漏。同時，要定期檢查渦輪增壓器的工作情況。在車輛駕駛前、車輛停止工作后，需要對發動機進氣管路的連接部分進行檢查，避免松動等情況導致渦輪增壓器失效。同時，對渦輪增壓器是否存在漏油、漏氣的現象進行檢查；查看渦輪增壓器的外殼是否出現過熱、變色、裂紋等異常情況，如果存在上述情況，需要詳細查明原因并進行更換。如果渦輪增壓器出現異響，則需要排查原因并進行更換維修。

2.2 渦輪增壓發動機的常見故障與處理

（1）渦輪增壓器出現漏油故障。出現這一故障的現象不一，主要有以下幾方面：一是車輛出現機油消耗量大，排氣煙色正常，動力正常。這種情況通常是由于機油出現滲漏所致。首先，需要對車輛發動機潤滑系的外部油管進行檢查，核實其是否出現漏油現象；其次，檢查渦輪增壓器廢氣排出口是否有機油，如有機油則可判斷為渦輪密封環已破損，需更換密封環。二是機油消耗量大，排氣管排出藍煙，動力正常。這種情況可能是渦輪增壓器回油管堵塞，機油在轉子總成中間支撐處累積過多，沿轉子軸流入壓氣葉輪或車輛近壓氣葉輪處的密封環損毀，機油進入葉輪式，然后伴隨著空氣進入燃燒室。為處理這一現象，需要對壓氣機的出口或發動機的進氣直管進行檢查，查看管口處是否有機油，如有機油，需要檢察渦輪增壓器的回油管是否順暢；如回油管堵塞，則可能是由于支撐處留存機油過多，需要將回油管疏通后修復；如回油管暢通，則可能是由于葉輪密封環損毀所致，需要對渦輪增壓器進行修復。

（2）渦輪增壓器軸承損壞。出現這一故障會導致渦輪增壓發動機功率下降，機油消耗過高，排出黑煙，嚴重時渦輪增壓器則無法工作。導致這一故障的原因，可能是潤滑油壓力不足或流量不足，潤滑油無法及時供給；或是雜質、泥沙等進入渦輪增壓器的潤滑系統；或機油出現氧化變化，無法正常工作。處理故障時需要檢查潤滑油壓力是否處于正常狀態，機油總量是否滿足要求；根據渦輪增壓器的使用要求，定期更換潤滑油，并保證潤滑油的清潔；避免渦輪增壓發動機在異常高溫環境下工作，保持發動機的正常溫度。

3 結語

伴隨著科技的發展與進步，渦輪增壓技術在汽車發動機中的應用更加成熟。設備零部件更少、體積更小、空氣壓縮比更合理。渦輪增壓技術已經普遍應用到汽車生產市場，渦輪增壓技術成為了強化汽車發動機性能的主流技術，相信渦輪增壓技術將會不斷成熟、不斷完善，持續改善汽車的工作性能。