小排量也能发出大动力——发动机涡轮增压技术解析

现在越来越多的车型搭载涡轮增压发动机了，涡轮增压技术越来越先进与完善，大家对涡轮增压也从原先的敬畏到现在的平淡接受。但是还是有很多人多涡轮增压发动机有很多质疑，还有在使用保养灯方面的误区。今天我们就来详细的说说这个涡轮增压技术，说说它的工作原理、认知误区、使用维修注意事项等。

首先来说说涡轮增压技术是如何产生的。其实它最早是应用在飞机上的强制进气技术。在上世纪三四十年代的飞机都是往复活塞式发动机，它的工作需要大量的空气，但是飞机飞上高空后，空气稀薄，飞机进气不足，导致飞机功率大幅度下降，严重影响了飞机的性能。为此，美国军方要求研制增强飞机进气的装置，涡轮增压技术就此诞生。应用了该技术以后，飞机的性能大幅度提升，在二战期间吊打日本和德国的飞机，因此名声大噪。后来，瑞典的萨博公司把这项技术应用到了汽车上，大幅度提高了汽车发动机的动力性能，汽车涡轮增压技术由此开始走向民用车市场，并且随着技术的完善和成本的降低，它的使用范围越来越广泛。

那么汽车发动机为什么要使用涡轮增压技术呢？在之前的文章中我分析过，制约发动机性能的不是供油，而是进气。在正常情况下，发动机最多只能进入与气缸等容积的空气（充气系数小于等于1），导致发动机性能受到了很大的限制，在这种情况下想要提高发动机的性能，只能提升发动机的排量，但这样会导致发动机的体积和重量增大，不利于汽车轻量化，另外还要缴纳高额的排量税；而涡轮增压技术可以使发动机中进入超过气缸容积的空气（充气系数大于1），同时再向气缸中喷入更多的燃油，发动机就可以在不提升排量的情况下，动力性能大幅度提升。事实证明，发动机使用涡轮增压技术后，动力性可以提升30%以上，如果调校的比较激进，甚至可以提升50%以上。

那么涡轮增压技术是如何让发动机中进入更多的空气呢？这就涉及到涡轮增压技术的工作原理了。车用涡轮增压器基本结构是由压气机、涡轮机以及中间体三部分组成的，其中的涡轮机与发动机排气岐管相连，压气机与进气歧管相连，中间体起到支撑与连接涡轮机与压气机的作用。当发动机工作时，从燃烧室排出的废气压力可达0.4～0.6MPa，温度大约700~1000°C，这种高温高压的废气流经涡轮机，冲击涡轮机叶片，从而带动涡轮机高速旋转；压气机与涡轮机是通过一根刚性轴连接的，当涡轮机高速旋转时，压气机也随之高速旋转，当空气经进气道进入压气机后，在压气机叶轮高速旋转产生的离心力作用下，被强制压向压气机出气口，并在此过程中从旋转的叶轮获得能量，使空气的流速、压力和温度均有较大幅度的增高，这就相当于将空气强制的压送到气缸中，所以可以将比自然吸气状态下多很多的空气送入发动机气缸。当发动机使用涡轮增压技术后，最多可以向发动机中输入相当于两倍排量的空气量。

不过，这种从增压器出来的高温、高速、高压的空气是不能直接送入发动机气缸的。因为空气的温度过高，单位体积携带的氧气量有限，就失去了增压的意义了；另外高速、高压的空气直接进入气缸，会增加发动机爆燃的风险。所以，从增压器出来的空气必须经过冷却、降速、降压，这就是所说的“增压中间冷却技术”，简称“中冷”。将从增压器出来的高温、高速、高压的空气引入一个叫做“中冷器”的装置，它的结构类似于水箱。空气在中冷器中将大部分的热量散发掉，并且曲折而又细长的管路会降低空气的流速和压力，这样既可以让发动机进更多的空气，同时又避免了爆燃的风险，所以增压中冷技术越来越多的在增压发动机上使用。增压中冷技术分为水冷和风冷两种型式，一般柴油机使用风冷的较多，汽油机使用水冷的较多。

从理论上来说，发动机排出的废气越多、废气的压力和速度越大，涡轮增压器叶轮转速就越高，增压压力就越大；而增压压力越大，发动机中燃料燃烧的越猛烈，反过来又会推动增压器以更快的转速旋转，又进一步增加了增压压力......这就陷入了一个死循环，增压压力不断增大，发动机转速越来越高，最终会导致发动机“飞车”，严重时甚至会直接将发动机打碎，这就是所谓的发动机“过增压”。因此，为了保证发动机安全运行，必须限制涡轮增压器的增压压力。

在涡轮增压发动机上通常使用废气旁通阀，来控制增压器的增压压力。它的工作原理是：在发动机高速高负荷运行时，如果进气管中的增压压力高于限定值，涡轮增压器的旁通阀门就会打开，使部分废气经旁通阀直接进入排气管，这样就减少了流经涡轮的废气，使涡轮转速下降，从而达到控制增压压力的目的。旁通阀式涡轮增压器的控制方式有两种，一种是机械（真空）控制，通常应用在卡车柴油机上；另一种是电子控制，通常应用在轿车上。电子控制是由发动机ECU根据发动机负荷和压力等参数来控制旁通阀的开启与关闭，并可以精确的控制旁通阀开启的角度和时间。如果改变ECU的控制程序，改变控制旁通阀开启的角度和时间，发动机的最大增压压力就会随之改变，发动机的性能也随之变化。所谓的增压发动机刷电脑提高发动机动力，原理就在于此。

很多人不喜欢涡轮增压发动机，一个理由就是这种发动机有涡轮迟滞，开起来不平顺。那么这个所谓的 “涡轮迟滞”又是怎么回事呢？

发动机在怠速和低速时，排气压力比较低，推动涡轮的力度比较小，所以涡轮的转速比较低，带动同轴的压气机转速也比较低，此时不能给空气增压，发动机仍然是靠真空吸力来进气的；随着发动机转速的升高，排气压力越来越大，推动涡轮转动的力度也越来越大，涡轮的转速就会迅速提高，带动同轴转动的压气机转速也迅速提高，增加了进入发动机的空气的压力，即给空气增压；当这个压力增加到一定程度的时候，发动机的喷油量也随之增加，发动机的扭矩就会迅速增大，并达到最高峰。这个过程就是所谓的“涡轮迟滞”。涡轮迟滞实质是发动机进气系统建立正压力的过程，这个时间的长短与增压器的设计有关，一般涡轮设计的越小，涡轮迟滞的时间越短，涡轮迟滞现象也越不明显。

现在我们再来讨论一下涡轮增压发动机到底省不省油。汽车“省油”还是“费油”都是相对的，如果与同排量的发动机相比，毫无疑问涡轮增压发动机是费油的，因为在发动机热效率没有变化的前提想，发动机输出更多的动力，只能通过消耗更多的燃油获取，而涡轮增压发动机的热效率事实上并没有自然吸气发动机高；但是与同等动力水平的发动机相比，涡轮增压发动机还是省油的，它省油的原因主要是排量小，在怠速和低速状态下油耗更低，而在中高负荷状态下，涡轮增压发动机更费油。

最后我们再来说说涡轮增压发动机的使用与维修的注意事项。涡轮增压器最核心的部件就是涡轮机叶轮、压气机叶轮和转子轴，它们在工作时，叶轮的转速一般都在几万转以上，最高可达20万转/分钟，温度也高达900到1000℃。在这样高的工作温度和转速下，必须保证增压器有良好的润滑和冷却。在发动机上润滑系统主油道上分过来一条油管，单独给增压器供油，快速流动的机油可以带走大部分的热量，有些发动机为了增强散热还会增加一套水冷系统。另外，增压器高速旋转的叶轮对动平衡要求极高。由于增压器这种特殊的冷却和润滑方式，因此对增压器的使用方法上也有一定的要求，特别是在北方寒冷的冬季，如果使用不当很容易造成增压器的早期损坏。

1、涡轮增压发动机必须使用高品质的机油和燃油。涡轮增压发动机一般要求使用高品质的全合成机油，这主要是因为全合成机油有良好的低温流动性，在高温下不易结焦和积碳，可以保证在发动机启动后立即给增压器足够的润滑。此外涡轮增压发动机建议使用95号以上的汽油，可以避免发动机在高负荷下发生爆震。

2、在冷启动后不要立即让发动机高速运转，应该保持怠速运转1分钟左右然后再加油提高发动机转速，关于这一点，在汽车停放一晚早上起动时要特别注意（特别是冬季）；发动机高速运转后也不要立即熄火，熄火前更不要轰油门，最好是让发动机怠速运转一分钟左右，等涡轮的转速和温度降低后，再关闭发动机。这样做的目的主要是防止涡轮轴在润滑不良的情况下高速转动，造成增压器的早期异常磨损。

3、涡轮增压发动机必须使用质量有保证的空气滤清器，并且要定期更换、保养，保证进气系统密封良好。如果进气管路泄漏或空气滤清器损坏，会有大量没有经过滤清的空气流经涡轮增压器，空气中含有的粉尘和微粒，会将进气增压轮片打伤磨损，从而破坏了叶轮的动平衡，导致增压器工作异响或轴承异常磨损；另外，如果空气滤清器堵塞还会造成增压器的喘振。

4、在发动机维修时，如果需要把增压器拆下来，或者更换新的增压器，在重新安装时一定要向增压器进油口中注入一定量的机油，以防在发动机启动瞬间增压器没有润滑而烧损。这一点是非常重要的，但是有很多修理工都会忽略，我们在维修时需要特别叮嘱维修人员。