渦輪增壓器

渦輪增壓器是一種利用內燃機運作所產生的廢氣透過由定子和轉子組成的結構驅動之空氣壓縮機。與機械增壓器功能相若，兩者都可增加進入內燃機或鍋爐的空氣流量，從而令機器效率提升。常見用於汽車引擎中，透過利用排出廢氣的熱量及流量，渦輪增壓器能提升內燃機的馬力輸出，部分車輛在設計時採用渦輪增壓器並非為了增加引擎功率，而是透過渦輪增壓器搭配較小汽缸容積的引擎，在不犧牲引擎輸出效能的前提下(與自然進氣引擎相比)來提升燃油的經濟性與環保性。一般車用內燃機在加裝增壓器後重量都會增加，所用作克服慣性的能量會上升。因渦輪增壓器大部份時間都是利用引擎排出之廢氣作為其動力相較於由引擎曲軸現象。但隨著科技發展，渦輪增壓器已實現提早介入，以提高低轉速時引擎效率。物理機制.一個衝程下，引擎做功的計算公式為formula_1V代表的是排氣量，而P則是壓力。增大排氣量和增大壓強，均可以增加引擎做功。增大壓強則透過渦輪實現。引擎內部的燃燒.渦輪增壓器常使用於增加內燃機的進氣量，進而增加馬力輸出量。在飛航應用上渦輪增壓器是為了能在高海拔的地方能夠有自然進氣引擎在低海拔的進氣量，通常稱之增壓正常化。軸、軸承、輪葉與渦輪會以數萬到數十萬RPM運轉。許多種軸承在如此高的轉速需要潤滑與冷卻系統。渦輪增壓器的潤滑系統可以是獨立系統或是從引擎供油系統提供。提供潤滑系統的冷卻器可能為雙重冷卻系統，冷卻劑可以是外來的，如引擎冷卻系統，或是空冷機組。通常汽車上渦輪增壓器的潤滑與冷卻水系統是來自於機油與引擎冷卻液。有些特殊的軸承，像是箔軸承，能夠減少或不需額外潤滑且降低冷卻系統的門檻。CHRA的對面是渦輪機與輪葉，包含在它們折疊起來像是蝸牛殼的錐形風罩內。這些風罩是在收集與導風流的方向。而這個風罩的形狀與大小可以很直接的影響渦輪增壓器的整體特性與效能。圓錐管道的每一處截面積。通常基本的渦輪增壓器擁有多種AR值的渦輪風罩可供選擇。這樣便可允許設計者對整個動力系統去對效能、反應度與效率去做協調。以相當高的速度旋轉的壓縮渦輪機會吸引大量的空氣推進引擎內。當渦輪增壓機的輸出流量超過汽缸容量，進氣系統就會出現正壓。而元件旋轉的速度是與壓縮空氣總質量的氣流成比例。為了防止渦輪產生的壓力超出引擎的負荷，或是為了增加耐久度，轉速必需要可以被控制住。洩壓閥是最常見的機械式轉速控制系統，通常也會另外增加壓力控制器來輔助。洩壓閥的主要功能是當進氣壓達到設定的上限，一部分的廢氣就會繞過渦輪機，就會達到穩定壓力的效果。渦輪增壓器能夠提高輸出引擎效率，但是需要解決它的缺點才能推廣。汽車的自然進氣引擎為了吸取空氣進汽缸，使用活塞創造一個低壓區。由汽缸容積與活塞速度來決定有多少空氣能被"抽"入引擎裡，因為大氣是恆壓的，最後進氣量會被限制住。而利用這個方式把空氣吸入燃燒室內的多寡稱之容積效率。從渦輪增壓器增加了空氣進入汽缸的壓力，與該空氣量進入到汽缸內很大程度上取決於時間與壓力，氣體吸引造成壓力增加。吸收的壓力大小，在缺乏渦輪增壓器之下是決定於大氣壓力，但是加入渦輪增壓器之後增加的壓力就能控制。利用壓縮機增加進氣缸的氣壓通常稱為強制進氣。離心式機械增壓器的運作方式與渦輪增壓器相同；然而，讓壓縮機的旋轉能量前者是引擎曲軸而後者是廢氣。因此渦輪增壓原則上是比較有效率的，因為渦輪的動力來自引擎的熱能，把廢氣的能量轉化成動能，不然就浪費掉能量了。機械增壓器的使用，是在犧牲一部分引擎產生的能量，產生了淨增產值的能量。燃油效率.渦輪增壓器雖讓引擎增加可觀的馬力輸出，但是引擎也產生更多的廢熱。當車子本身設計無法承受高熱環境，把渦輪增壓器裝進去可能會是一個難題。額外的廢熱加上增壓器提供較低的壓縮比稍微有助於較低的熱效率，但是卻直接影響整體的燃油效率。還有另種稱為主管冷卻型的冷卻法會很大的影響到燃料效率。即使中冷是有幫助的，但是燃燒室內的總壓縮比還是比自然吸氣引擎還大。當引擎釋放出最大能量時為避免爆震出現，通常會為了冷卻目的會提供額外的燃料。這看似不合常理，因為這部份的燃油不會燃燒。但是這是利用額外燃油在液體霧化成氣霧時把熱量吸走。而且，氮是燃燒室內相對密度高的物質，所以氮氣能夠承受比較高的熱量。氮氣把持住這個熱量直到經由廢氣排出來避免破壞性的爆震。這使設計者經由犧牲燃油經濟性取得燃油泵內較好的熱力效能輸出功率。要完整燃燒汽油，最理想的空/燃比能夠根據當時溫度、燃料品質、海拔高度及其他因素控制歧管壓力與燃油壓力。有些系統則是先進到能夠提供更精確的燃料燃燒狀況的資料。像是Saab的Trionic-7 system使用電子式指示提供燃燒上更優秀的回應性。Volkswagen/Audi的新2.0升FSI渦輪引擎結合了偏時點火與缸內直噴技術能在低負荷狀態保有推進力在低負荷狀態。這個系統是非常複雜到包含許多移動性的零件與感應器去維持氣室的氣流特性，能夠使用多段指示來提供更優秀的霧化。缸內直噴系統同時擁有很大的影響，使引擎具有更佳的冷卻效果，就能夠使用較典型的氣門式渦輪噴射引擎更高的壓縮比。汽車設計原理.根據理想氣體方程式，當其他變因保持不變，假設系統內部壓力增加，溫度會隨之提升。那使用渦輪增壓器會產生負面影響，原因是空氣被壓縮機壓縮而造成進入引擎之前空氣溫度就已經提升。渦輪的轉速視旋轉部份的大小、重量、進氣歧管的氣壓及壓縮機的設計，通常快到80,000至200,000 RPM。有些設計人員使用水冷式渦輪增壓器要藉此提高軸承壽命。開發使用箔軸承的渦輪增壓器是為了排除使用軸承冷卻與供油系統，藉此排除大多數已知的失敗，也意味能夠降低延遲。要維持氣壓恆定，渦輪增壓器裡多餘的廢氣氣流會經由洩壓閥，而且轉速高的引擎上出現的效率也不差；這些增壓器也用於柴油引擎。這些引擎大多都沒有洩壓閥。這些葉片是被與洩壓閥相同的薄膜控制，但是控制的等級需求是不太相同的。第一部使用這種渦輪增壓器的汽車是1989年份限量版的Shelby CSX-VNT，採用2.2L的汽油引擎。Shelby CSX-VNT利用一顆Garrett的VNT-25型渦輪，因為它使用與Garrett T-25相同的本體和軸心。這一渦輪機通常稱之可變式噴嘴渦輪增壓器。然而，不包含VATN或VNT的Turbo III引擎能夠產生224匹馬力。目前不知道為何Chrysler不繼續使用VGT渦輪增壓引擎，最有可能的原因是市場需要Chrysler設計的V6引擎更甚於VGT引擎。2006年的Porsche 911 Turbo有3.6L水平對置六缸雙渦輪增壓引擎，而渦輪是使用BorgWarner的可變幾何渦輪系統。這顯然因為雖然在柴油引擎與Shelby CSX-VNT上VGT系統採用了一段時間，但是這是自從1989-90的1250顆Dodge引擎以外的第一次在汽油車使用這種技術。有些人抱怨使用此係統的汽油車廢氣溫度比使用柴油引擎高不少，而這對敏感的可動式渦輪葉片會有不利的影響。而且這個裝置也比其他的渦輪增壓器還要昂貴。Porsche的工程師聲稱新的911 Turbo已經解決這些問題。還有一種叫做離心式渦輪，執行時有時像正常渦輪，有時像機械增壓。由於它是皮帶驅動式，所以沒有任何延遲，然而它的臨界壓力與一般的渦輪相比並不自然。它的代價是在曲軸產生多餘的阻力，使得效率降低。優點是沒有延遲，也易於安裝–不須改裝廢氣路線，而且易於保養。可靠性.渦輪增壓器可能會被弄髒或是衰退的機油加速耗損，而且大多的製造商建議要幫渦輪增壓引擎勤加換油；許多擁有者及一些公司建議使用合成機油，與傳統機油相比，他比較易於稀而且比較不容易衰退。因為渦輪增壓器運轉時容易發熱，很多人建議在熄火前如果渦輪增壓器才剛運轉完畢，讓引擎待命1至3分鐘。這樣可讓渦輪吸入較低的排氣溫度來降溫，而且能夠保證當渦輪與排氣歧管溫度依然非常高時機油有輸送到渦輪增壓器，否則潤滑油的煤焦會再軸承吸收油時卡在機器內，導致當汽車重新啟動時軸承很快的耗損。高溫機油內的雜質會累積起來並導致堵塞供油系統。這問題在柴油引擎上並不明顯，因為柴油引擎的廢氣溫較低與引擎轉速相對比較低。渦輪計時器可以讓運轉中的引擎提供一個已預先指定的時間來自動的提供降溫週期。箔軸承內的煤焦也能除去。更複雜的是使用水冷式軸承卡夾需要防止煤焦跑進去。當引擎關閉和自然的熱迴圈會使卡夾內的水沸騰。所以還是不要在渦輪還在運轉時把引擎關閉。依照慣例是使用管狀頂蓋而不是使用鑄鐵的歧管，這樣會因為較輕的頂蓋而減少冷卻所需的時間。渦輪延遲.渦輪延遲有時會使駕駛者感覺在踏下油門與渦輪提供衝力之間有一段時間差，此時不但無平常的加速表現，甚至有比自然進氣車款更慢的感受。其他如利用曲軸帶動的機械增壓則不會出現這個現象。成因.這個問題是由於當時排氣系統推動渦輪的壓力需要克服渦輪的旋轉慣性與要提供歧管壓力的最低轉速，如果渦輪無法帶動壓縮機，引擎就只能靠自身壓縮比來吸氣，但通常有配渦輪增壓器的引擎會把增壓器帶來的壓力算進而減少壓縮比以保護引擎安全，所以造成渦輪延遲發生時燃燒效率比自然進氣引擎低而加速減慢。如果設定壓縮比與自然進氣引擎相同，渦輪延遲發生時就不會有加速較慢的問題，但若到高轉速高增壓的時候，過高的壓力很容易損壞汽缸，反而危險，因此還是選擇降低壓縮比來犧牲效能以確保安全。延遲現象可以由降低渦輪零件的慣性而減少，像是使用較輕的材質來使渦輪比較易於轉動。陶瓷渦輪在這裡是很好的解決之道。但相對的在產生最大壓力的時候是比其他材料脆弱。透過調整渦輪葉片的角度，控制氣流進入的速度續而達到縮小廢氣的風量，以提升渦輪增壓器進氣的速度。偏時點火是在收油換檔時停止點火動作，刻意讓油氣在排氣門開啟後進入排氣頭段。由於頭段溫度極高，油氣一接觸即爆炸，強大的爆炸壓力便會推動渦輪機的排氣葉片，連動使得渦輪機內的增壓端葉片高速運轉，繼續增壓，即使車輛是在低速或是換檔收油時都能有增壓效果。在渦輪進氣端處一分為二，引擎各汽缸的廢氣依氣流特性相互分流後再各自注入，免除排氣互相干擾的狀況，提高渦輪進氣的順暢度，同時還能降低進氣溫度，從而提升渦輪起動反應。渦輪軸連線一臺馬達，車子起步時，渦輪可以由馬達迅速起動而不需要等待廢氣推動，渦輪起動反應比傳統渦輪增壓器縮短200%，而且還結合了電能回收系統，可以將多餘的廢氣轉化為電能，為電池進行充電或者作為輔助電源使用。安全性.雖然渦輪增壓器有很多優勢，但是如果增壓器損壞會造成引擎起火，引發安全問題。