渦輪增壓技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究

梁琰，秦穎

（河南省工業(yè)科技學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

傳統(tǒng)汽油機(jī)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(nèi)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(nèi)外界的影響，氣缸的進(jìn)氣率無法達(dá)到100%。渦輪增壓技術(shù)則能夠彌補(bǔ)自然吸氣技術(shù)的缺陷，大大增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提升汽車的行駛性能。

1 渦輪增壓技術(shù)及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用原理

渦輪增壓技術(shù)一種能夠強(qiáng)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣能力的技術(shù)。1905年Alfred Buchi博士申請了全球首款渦輪增加器的專利——?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)軸向增壓器，但這一技術(shù)運(yùn)用到汽車生產(chǎn)商已經(jīng)是1977年。1977年北歐瑞典的Saab薩博公司首次將渦輪增加器應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中，使渦輪增壓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得以發(fā)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(shù)。在渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)的30余年內(nèi)該技術(shù)已經(jīng)普及到各類汽車中，使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在保持原有氣缸工作容積的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率10%的提升。基于渦輪增壓技術(shù)強(qiáng)化動(dòng)力的優(yōu)勢，很多汽車的制作上都采用了渦輪增壓技術(shù)來提升汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。沃爾沃最近展出了一款全新的Drive-E2．0T發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備3個(gè)渦輪增壓器，馬力至少也有450匹，這一指標(biāo)幾乎已經(jīng)趕上普通汽車的6．0排量發(fā)動(dòng)機(jī)。可以看出，運(yùn)用了渦輪增壓技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超同排量汽車所產(chǎn)生的功率。渦輪增壓技術(shù)的出現(xiàn)和運(yùn)用轉(zhuǎn)變了以排量大小決定功率大小的情況。渦輪增壓技術(shù)有機(jī)械增壓技術(shù)、汽波增壓技術(shù)、廢氣渦輪增加技術(shù)、復(fù)合增壓技術(shù)等。其中，由于廢氣渦輪增壓技術(shù)的能效比突出，得到較為廣泛的運(yùn)用。

廢氣渦輪增壓技術(shù)的原理核心可以通俗的描述為：一個(gè)氣泵，氣泵需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來進(jìn)行正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，相應(yīng)的廢氣的排出速度與渦輪旋轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)增加，葉輪將會壓縮更多的空氣進(jìn)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(dāng)增加燃料數(shù)量，對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定調(diào)整就能夠增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。雖然原理過程較為容易，但是實(shí)際過程卻較為復(fù)雜，不僅需要其中內(nèi)部零件的無縫緊密配合，同時(shí)還需要與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，否則會降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，甚至毀壞發(fā)動(dòng)機(jī)。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(gè)部分構(gòu)成。渦輪室進(jìn)氣口與排氣歧管鏈接，排氣口與排氣管相連接；增壓器進(jìn)氣口與空氣濾清器管道鏈接，排氣口在進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣后會驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器一旁的葉輪，當(dāng)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度越快，另一側(cè)的葉輪也會一同快速旋轉(zhuǎn)，從而提升進(jìn)入燃燒室的進(jìn)氣量。渦輪增壓技術(shù)的核心在于，能夠在惡劣的環(huán)境中持續(xù)工作。渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，長時(shí)間處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，周圍環(huán)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(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)”。即為由于葉輪存在慣性作用，對油門瞬時(shí)變化的反應(yīng)相對遲緩，即時(shí)進(jìn)行改良處理后，反應(yīng)時(shí)間也需要2s左右，讓發(fā)動(dòng)機(jī)延遲增加或降低輸出功率，這對于突發(fā)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(shù)自身就是利用廢氣進(jìn)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(shù)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩均要實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)子。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的排氣驅(qū)動(dòng)泵輪工作，泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后為進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行增壓。增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)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(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也很高，達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)。高轉(zhuǎn)速與高溫度會使得機(jī)械滾針與滾珠軸承難以為轉(zhuǎn)子進(jìn)行工作，所以渦輪增壓器使用了全浮動(dòng)軸承，使用機(jī)油來進(jìn)行潤滑，同時(shí)配有冷卻液給增壓器進(jìn)行溫度冷卻。

2 渦輪增壓技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

2.1 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的日常使用與維護(hù)

渦輪增壓技術(shù)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣來驅(qū)動(dòng)渦輪工作，渦輪增壓器長時(shí)間處于高溫環(huán)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(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，主要可以從以下3個(gè)方面入手：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后不可在短時(shí)間內(nèi)急加速，需要先怠速3～5min，給予充分的時(shí)間讓機(jī)油溫度與機(jī)油壓力得以提升，使機(jī)油的流動(dòng)性更佳，讓渦輪增壓器能夠被充分潤滑，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后開始起步行駛。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在長時(shí)間工作后不能馬上熄火。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，有部分機(jī)油是用于渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承的潤滑與冷卻。如正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)驟然停止工作，機(jī)油壓力則會快速下降，機(jī)油潤滑則停止，渦輪增壓器內(nèi)部的熱量也無法被機(jī)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(zhuǎn)狀態(tài)，從而導(dǎo)致渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸與軸套之間出現(xiàn)“咬合”狀態(tài)，從而毀壞軸承。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作后，需要怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3min后再進(jìn)行熄火，讓渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子速度逐漸減慢。但需要注意渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不宜長時(shí)間處于怠速中，需要在10min內(nèi)熄火。

（3）定期檢查渦輪增壓器的密封狀態(tài)。如果汽車渦輪增壓器的密封狀態(tài)不佳，則廢氣會通過密封環(huán)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)油遭受污染，并導(dǎo)致曲軸箱的壓力快速升高。另外，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)油也會通過密封環(huán)從排氣管排出或進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，從而使得車輛的機(jī)油過度消耗，即為常見的發(fā)動(dòng)機(jī)故障“燒機(jī)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(dòng)，潤滑油管與接頭處是否出現(xiàn)滲漏。同時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的連接部分進(jìn)行檢查，避免松動(dòng)等情況導(dǎo)致渦輪增壓器失效。同時(shí)，對渦輪增壓器是否存在漏油、漏氣的現(xiàn)象進(jìn)行檢查；查看渦輪增壓器的外殼是否出現(xiàn)過熱、變色、裂紋等異常情況，如果存在上述情況，需要詳細(xì)查明原因并進(jìn)行更換。如果渦輪增壓器出現(xiàn)異響，則需要排查原因并進(jìn)行更換維修。

2.2 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障與處理

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

（2）渦輪增壓器軸承損壞。出現(xiàn)這一故障會導(dǎo)致渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，機(jī)油消耗過高，排出黑煙，嚴(yán)重時(shí)渦輪增壓器則無法工作。導(dǎo)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(shí)供給；或是雜質(zhì)、泥沙等進(jìn)入渦輪增壓器的潤滑系統(tǒng)；或機(jī)油出現(xiàn)氧化變化，無法正常工作。處理故障時(shí)需要檢查潤滑油壓力是否處于正常狀態(tài)，機(jī)油總量是否滿足要求；根據(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)在異常高溫環(huán)境下工作，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常溫度。

3 結(jié)語

伴隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，渦輪增壓技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用更加成熟。設(shè)備零部件更少、體積更小、空氣壓縮比更合理。渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用到汽車生產(chǎn)市場，渦輪增壓技術(shù)成為了強(qiáng)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主流技術(shù)，相信渦輪增壓技術(shù)將會不斷成熟、不斷完善，持續(xù)改善汽車的工作性能。