Turbo详解(图)

    一.前言:(为什么工程师想用turbo呢?)

    嗯,在讲涡轮引擎之前,如果,大伙还不清楚引擎的运转方式,可以简单地回顾一下四行程引擎运转原理^_^,我想你会发现凡是Otto-cycle的运转都一定脱不了那四种运转方式,而要如何作出更高效率或更高性能的引擎设计呢?

    除了物理学上必然的先天限制外(热力学第二定律)-人类不可能作出比Canot-cycle更高效率的机械设计,那如何在四冲程引擎设计上得到更高性能的输出呢?很不幸的,以物理的眼光来看,只有"再浪费更多与更多的能量"了

    进气->压缩->动力->排气....如此的循环下去,工程师能作的改良,其实,说破了也是针对这四个cycle作更有效的改善,而最多人去改善的就是其中的"进气"这个步骤,因为它的效益最为明显!

    例如:可变气门的设计,无论是BMW的VANOS或Honda的VTEC(SOHC)它们都是在进气的凸轮轴上下功夫,想引进更多气体,让油气的混合空气能更多或更快速的交换,以达到更高性能的输出;同样的Turbo引擎的发展目的也是如此!它们都想引进更多更多的空气!而Mitsubishi的GDI设计则是对进气歧管与压缩的活塞头,甚至于是喷油头位置与压力的调整,目的也是想进一步改善引擎爆炸燃烧的效率........
Turbo引擎设计的基本原理^_^

    二.Turbo的原理:

    涡轮增压原理就是利用引擎运转时所排出来的废气,用废气来转动涡轮增压器中的排气侧转子(Turbine-上图中的右边部份),而排气侧转子与进气侧转子(Compressor)是同轴异室(你可以想成是:两者在同一"棒子"的不同两边),当Turbine转子达到一定转速时(约12000rpm左右)它带动另一侧的Compressor(图上的左边部份),使Compressor转子引进外来的新鲜空气,经过压缩倒入进气歧管内,所以啰,Turbo车的进气是非自然方式,是经过"吸进来,再压缩"所以空气压力是大于大气压力的,也就是如此,说比一比Turbo与可变气门,这不太公平喔:)

    三.随之而来的问题与改进之道:

    1.高温与高压:

    涡轮增压由于是超高转速地运转轴承,所以,随之而来的高温排除或增压过度的洩压就很重要很重要了!目前常用的就是机油导入来润滑与冷却轴承,也有用水冷式的.而过高的增压对引擎的压缩行程与动力(爆炸)行程发生时会造成伤害,所以,有机械式地用空气压力作为开关或电子式地用电脑直接控制洩放压力的动作.

    2.Intercooler:

    我们都知道空气被压缩时,温度将升高,而较高温的气体其密度较低,含氧量减少,燃烧的效率降低!所以啦,冷却空气温度就必须着手改善啦....大部份的Turbo引擎(turbocharge或supercharge)都有配备中间冷却器(intercooler)它有直接散热或水冷式的设计,使经过intercooler后的空气密度较大,含氧量增加,可改善燃烧效率.

    3.Turbo-lag:

    turbo引擎很难去避免的问题-涡轮迟滞效应!turbolag是指在重踩油门时,到实际增压的时间差与突如其来的动力输出!因为,由平常的引擎运转,在突然大踩油门到实际turbo作动时,是须要经过短短时间差的,也许是0.5秒....,但是,直接带给驾驶人的感受是不太舒服的,怪怪的....想想它发生的原因,就不难发现这是turbo引擎必须面对的问题,唯有的就是尽量去减少或降低turbo-lag的效应,如:1.减少turbine与compressor的转动惯性,就是换成较小的转子,即使是换成两个较小的转子,整个转动惯性还是较低的,所以有twin-turbo或bi-turbo的设计出现;2.调降涡轮压力,如Saab,Volvo有生产低增压turbo,而缺点是马力增加太少;3.使用密度较轻的增压器(目的同第1点,减少转动惯量),如:陶瓷涡轮增压快.耐磨.耐高温(>1500C),缺点是易脆....etc.

    四.Turbocharge vs. Supercharge之比较:

    1.Turbocharge是涡轮增压,它是利用引擎废气涡流来推动转子叶轮,以吸进大量新鲜空气送入进气歧管....(如上面说的就是指turbocharge)

    2.Supercharge是较早以前的增压方式-叫机械增压,supercharge的转子叶片是直接以皮带经由引擎曲轴驱动,也因此,引擎只要一发动就有增压效果,so它也因此而较消耗部分的引擎动力...基本上turbocharge跟supercharge都是用增加空气的效果而来增加动力!however,两者驱动方式不同,而各有利弊...so它们也都各有新的解决之道....如turbocharge因驱动转子叶片时,有一个时间差,这就是有名的turbo lag(如上述)而supercharge目前已较少使用啦,however,那着名的Benz SLK就使用机械增压啦,而改善的方法是多了一个电磁偶合开关(离合器),在一定转速以下那皮带是不会去推动到转子叶片地,so就以这开关来解决传统的"恆时"增压方式...... ^_^

    五.Turbo引擎在量产房车市场上的运用:

    在市场上有turbo的车子还蛮多的呢!但有的一样是2.0升为什么有的有160hp,有的竟多达240hp呢?因为它们的增压值不同,有的是轻增压(约0.4-0.6bar),如:Audi A4,VW new Passat.....有的高增压到1.1bar以上,分析其中原因可能看出来turbo还是对汽车上性能要求,分不同等级来达到;有的是用低增压turbo来增加它低转速时马力,与扭力的不足;而中增压turbo可以兼顾高转速时的马力提升与低转速时强劲扭力..;而高增压的turbo就针对性能迷,无论低转速,高转速,再加速的马力与扭力的输出都有大排气量自然进气车的性能,例如:Audi A4,Saab 9000,Volvo S70 T5分别是不通增压值的代表作,不同的诉求用不同的turbo,满足消费者多样的要求^_^

    六.Turbo车的保养:

    有人说Turbo车开没4或5年就差不多该换车了........以前turbo没有延迟关避引擎运转以洩压的设计,使的不少劲驹英年早逝,现在几乎都有这样的设计了,所以,对一般turbo车主最重要的是"常换引擎机油",要享受爱驹开turbo*起来的推背感,这样地照顾它是很重要的!一来是使机器保持较好的状况,再者可以延长爱车的使用寿命.那到底多久呢?嗯,汽车手册上一定会写,不过是建议在4000km就应该要去换机油,至少5000km一定要去换一次,且要选择自己爱车适合的黏度系数的机油.
浅说两种增压器

    汽车用的涡轮增压器原理，系利用引擎排出的废气风力，推动一个安装的排气歧管末端涡轮器内的叶片，以每分钟由五至十万转以上高速旋转，再带动同轴另一端的离心式空气压缩机，将进气压缩成1.5至2个大气压（俗称Bar数）后，输送入燃烧室，继而增加汽缸内的燃爆力，因此令引擎马力输出增大成倍。由于涡轮叶片长时间处于接近一千度高温，为减低输入燃烧室的空气温度，所以额外装多个中间冷却器，以及推迟点火时间，减低引擎爆震。整体来讲，涡轮增压器需要的部件和出现毛病的机会率较机械式多，但马力输出劲好多。
机械式增压器系由引擎大曲轴经皮带传动，因此输出的马力较为柔顺，无涡轮增压器咁有爆炸性，加大引擎原有马力输出只有约30%，但较为耐用和安装简单得多，故平治车厂乐于採用机械式增压器。

    关于涡轮（TURBO CHARGER）…利用引擎所排出的废气能量，来推动涡轮的叶片，同时也带动同轴上的压缩机（COMPRESSOR）运转，这就是涡轮的功能。是一种压缩空气之后，将压缩气体强制地送入引擎，藉以提高马力输出的装置。涡轮所送入的空气量（压力）称为过给压（BOOST压），我们可以利用排气瓦斯送入涡轮的容量来调整过给压。至于该如何调节涡轮中排气瓦斯的容量呢？在引擎和涡轮之间有所谓的旁通阀（BYPASS VALVE），可以配合涡轮的需求，控制调节排气瓦斯的容量。旁通阀（★１）会因应压缩机的压力变化而作动，过给压越大，送入引擎的空气量就会增加。但是我们也必须考虑到引擎强度及异常燃烧（爆震）等问题，所以过给压的设限是必要的。由于驾驶人不同、用途不同、排气瓦斯规定不同等问题，所以一般原厂车辆的过给压不会设定到极限。 

    1：旁通阀分成一般性排压阀和大改装中常见的排气洩压阀（WASTEGATE）。
何谓提昇过给压（BOOST UP）… 使经由涡轮强制送入引擎中的空气量能够更进一步地增加，藉此提昇爆发力，加大马力输出，就是所谓的提昇过给压。

    具体的方法有两种：

    一般来说，要提昇过给压的方法上述两种，然而较常被使用的方法是第二种，通常可以利用VVC（机械式过给压控制器）或EVC（电子式过给压控制器）来控制压力。利用这种方法增压比较容易，不过在进行涡轮增压改装的同时，一定要注意到爆震、燃料改装、过给压断压等问题，才不至于导致引擎破损，也能够提昇车辆的效率性能。

    涡轮的改装

    在提昇了过给压之后，接下来可能就要更换涡轮。原厂涡轮的设定，通常有所限制，无法满足过给压提昇之后的高风量。简单地来说，较小的涡轮（原厂）和较大的涡轮（SPIDER）相较之下，同样的引擎、同样的过给压，应该会有相同的马力才对，但是事实上，较大的涡轮会出现较大的马力。这代表涡轮本身的效率是不同的。不同尺寸的涡轮会影响过给压（空气流量）的效率。效率较差的过给压，会造成涡轮内的空气温度上升

    （2）、空气密度下降

    （3），造成相同的过给压（压力）却产生较少空气量的结果。

    2：空气被压缩时温度会上升（效率好的涡轮可以将上升的温度抑制到最低的情形。）

    3：何谓空气密度？举例来说，由于空气具热涨冷缩的特性，所以气球在热带和寒带的大小并不相同，这是因为空气体积变化所造成的结果。反过来说，若是体积相同，则位于寒带的气球必定含有较多的空气量。体积与空气量之间的比例，就是所谓的空气密度。

    中间冷却器（INTERCOOLER）

    中间冷却器是将涡轮压缩后的热空气加以冷却，使空气密度增加，是一种冷却装置。

    中间冷却器和提昇过给压、更换涡轮相同，都是改装的重点。一般常见的改装方式，是追加或更换大型的中间冷却器（效率较好）。空气流经效率高的中间冷却器时，抗阻（压损）较低，降低（冷却）温度的效果也较显着。虽然减少抗阻和降低温度是两个对立的条件，要同时提昇这两种功能是非常困难的事情，然而这正是我们所积极追求的目标

    关于燃调（INJECTION）…

    燃调（燃料调整）指的是在引擎吸入的空气中，加入燃料喷射后，所形成的混合气。调整喷射量的多寡就是燃调根据理论空燃比，要使燃料完全燃烧，空气对燃料的比例是15：1。但是实际上，引擎的空燃比会因燃料的雾化（空气与燃料混合的情形），及燃料冷却（燃料造成引擎冷却）等影响，造成实际设定值比理论浓。确认空燃比的方法，可利用A/F计(1)来进行。至于原厂电脑，则是藉由O2感应器来进行调整。空燃比是依引擎状况来分配燃料，一般车辆的电脑，会以吸入的空气流量（AIR FLOW信号４）为基准，来计算喷油嘴（INJECTOR５）的燃料喷射量，设定空燃比（一般而言会设定得较浓）。原厂电脑的设定所根据的是原厂规格，所以车辆改装后，一定要依照改装配备，重新设定燃料喷射量，才能够提昇车辆性能。

    实际改装燃料系统，必须累积长年的经验，同时利用A/F计和数值记录器(2)来等设备来进行。所用的E-manage电脑，是调整燃料时的补正装置，可将原厂喷油嘴信号当作基准，调整燃料的设定。此外，也可变更空气流量信号，使电脑所读取到的实际空气量与原厂设定不同，进而改变空燃比。此外，还有其它外置电脑配备，提供车主更多的选择。

    (1) 所谓A/F（AIR/FUEL）计…就是空燃比数字显示装置。

    (2) 所谓数值纪录器就是…可记忆车辆行驶中的引擎回转数、过给压、空燃比等各种数值的纪录器。

    4：空气流量计可计算进入引擎内的空气流量，可将压力换算成空气流量。

    5：喷油嘴可控制燃料，在空气流经的时候（通电时间）进行喷射。电流经过的时间是由电脑信号控制，也可以称为喷油嘴信号。

    关于燃调（INJECTION）…

    点火系统

    点火系统当中，最重要的工作就是要确实将火花点着，所以改装时的重点就在于更换火星塞（★6）。除此之外，还有点火时机也很重要，基本上是由电脑所控制的。所谓的点火时机就是点燃压缩混合气的时间点，会受到许多条件影响而有所变化。一般来说，点火时机太早容易造成爆震；但是如果点火时机太迟，虽然不会产生爆震，却会导致马力输出与引擎反应恶化。当然这些都有可用E-manage来进行细部的改装。

    6：火星塞有所谓的热价。一般来说，号码小的火星塞热价较低，号码大的火星塞热价较高。低热价火星塞在低温时较容易点火，但是一旦遇到高温的情况，由于火星塞本体的温度上升，因此会造成异常的爆震。反过来说，高热价的火星塞在高温时的点火性较佳，但是却容易在低温的时候造成熄火的情形。提昇过给压的同时引擎的爆发力会增加，引擎室的温度也会随之上升，容易造成爆震，导致引擎破损，因此一定要提高火星塞的热价。HKS或NGK所开发的火星塞，不仅提供高热价，而且也不必牺牲低温时的点火特性。

    压缩的调整

    引擎的压缩越强时，爆发力就越大，也更容易提高马力，但是反过来说，也很容易引起爆震。由于涡轮车容易引起爆震，所以压缩的设定值都会偏低。如果想要调整压缩比，可以从改装汽缸床垫片（HEAD GASKET）着手。