涡轮增压器工作原理.doc

涡轮增压器和机械增压器有什么区别让我们先看看它们的相似之处。 涡轮增压器和机械增压器都称为强制进气系统。 该系统对流入发动机的空气进行压缩（有关普通发动机中气流的介绍，请参见汽车发动机工作原理）。 这样便可使发动机气缸中充入更多的空气。 空气越多表明充入的燃油就越多，因此就可以在每个气缸发生爆炸时获取更多的动能。 涡轮增压发动机和机械增压发动机所产生的总体动能比无增压设备的发动机要多。 涡轮增压器或机械增压器所提供的标准推进力为6-8磅/平方英寸（Pound/Square Inch，简写为PSI，1磅=0.45公斤，1英寸=2.54厘米，1PSI=68.9千帕）。 由于海平面的标准大气压为14.7PSI，因此您会发现，进入发动机的空气大约多了50%。 因此，您获取的动能也将多50%。但这也不是绝对的，也可能动力只能提高30%-40%。 涡轮增压器和机械增压器之间的主要差异在于动力供应不同。 必须提供动力，空气压缩机才能运转。 在机械增压器中，有一个直接与发动机连接的皮带。 机械增压器获取动力的方式与水泵或交流发电机一样。 另一方面，涡轮增压器从废气流获取动力。 废气经过涡轮，涡轮带动压缩机旋转。 两个系统各有利弊。 理论上讲，涡轮增压器效率更高，因为它使用的是废气流中的“废弃”能量作为动力来源。 另一方面，涡轮增压器会导致排气系统中产生一定的背压，且提供的推进力较小，直至发动机高速运转。 机械增压器的安装较简单，但价格较昂贵。 涡轮增压器工作原理 作者 Karim Nice本文包括：1.引言 2.涡轮增压器的设计考虑因素 3.了解更多信息 4.阅读所有引擎盖下类文章 引言当人们谈论赛车或高性能跑车时，涡轮增压器通常都是必谈的话题。 涡轮增压器也用于大型柴油机发动机中。 涡轮可以显著提升发动机的马力，而不会大幅度增加发动机重量，这也是涡轮增压器如此受欢迎的一个重要因素。 Garrett 供图在本文中，我们将了解涡轮增压器在极端工作条件下如何增加发动机的动力输出。 同时我们也将了解“废气泄放阀”、陶瓷涡轮叶片以及滚珠轴承如何帮助涡轮增压器提高性能。 涡轮增压器是一种强制引导系统。 它对流入发动机的空气进行压缩（有关普通发动机中气流的介绍，请参考汽车发动机工作原理）。 压缩空气可以使发动机能够将更多的空气压到气缸里，而更多空气就意味着能向气缸内注入更多的燃料。 因此，每个气缸的燃烧冲程就能产生更多动力。 涡轮增压发动机产生的动力要比相同普通发动机大得多。 这样就可显著提高发动机的动力重量比（有关详细信息，请参考马力及其应用）。 为了获得这种性能上的提升，涡轮增压器使用发动机排出的废气带动涡轮旋转，而涡轮则带动气泵旋转。 涡轮在涡轮机中的最高转速为每分钟150,000转这相当于大多数汽车发动机转速的30倍。 同时由于与排气管相连，涡轮的温度通常非常高。 涡轮增压器基础知识增加发动机所能燃烧的燃料和空气是提升发动机动力最可靠的方法之一。 增加燃料和空气的方法之一是增加气缸数或增大气缸容积。 有时这些方法并不可行。这时使用涡轮将是增加动力更简便、有效的方法，尤其在购买后自行改装时更是如此。 涡轮增压器在汽车中的位置涡轮增压器使发动机能将更多的燃料和空气注入气缸，从而使发动机能够燃烧更多的燃料和空气。 涡轮增压器通常能够产生41-55千帕的气压。 由于在海平面大气压力为1012.8千帕，因此发动机中注入的空气会增加50%。 从而发动机内部动力可增加50%。 但上述过程并不能完全实现，实际动力可能增加30-40%。 在使用涡轮增加发动机动力过程中，有一个原因会导致涡轮效率低下，那就是需要动力动涡轮旋转。 将涡轮装在排气管内会增加排气管内的空气阻力。 这意味着，发动机在排气冲程时，不得不克服更高的负压。 这会稍微减少发动机在燃烧时产生的动力。 涡轮增压器适用于高海拔涡轮增压器在空气较为稀薄的高海拔地区很有用。 在高海拔地区，通常普通发动机的动力会减小，因为在活塞的每个冲程中，发动机都只能获得少量的空气。 涡轮增压发动机可能同样会减小动力，但减小量会少很多，因为稀薄的空气会更容易被涡轮增压器抽入发动机。 装有化油器的老式汽车为了适应气缸内增加的空气，会自动增加燃料。 使用燃料直喷技术的现代汽车一定程度上也会在作相同的调整。 燃料喷射系统通过装在排气管内的氧气含量传感器来判断空燃比是否正确，因此加装涡轮后，系统会自动增加燃料。 在采用燃料直喷技术的汽车中，如果涡轮增压器过多地增加空气压缩率，系统可能无法提供足够的燃料（要么是控制器的软件程序不允许，要么是燃料泵和喷射器无法提供如此多的燃料）。 在这种情况下，为了最大程度地利用涡轮增压器，必须对车辆进行其他改进。 涡轮增压器的工作原理涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。 气缸内排出的尾气带动涡轮旋转，与燃气轮机类似。 涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连。 压缩机把空气压缩到气缸中。 Garrett 供图 涡轮增压器在汽车中的连接方式 气缸排出的尾气流过涡轮叶片，使涡轮旋转。 流过叶片的尾气越多，涡轮旋转速度就越快。 Garrett 供图涡轮增压器的内部结构 在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。 压缩机是一种离心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。 Garrett 供图涡轮压缩机叶片 为了适应高达150,000转/分的转速，必须小心支撑涡轮轴。 大部分轴承在这样的高速下会爆炸，所以绝大多数的涡轮增压机使用的是液压轴承。 这类轴承能使轴浮于一层薄薄的油膜上，这些油从轴四周恒定抽入。 这可以起到两个作用： 一方面能够降低轴和一些其他涡轮增压机部件的温度，另一方面能够减小轴在旋转时遇到的摩擦。 在为发动机设计涡轮增压机时，需要权衡许多利弊。 在下一节，我们将了解一些需要权衡的因素，并说明其如何影响涡轮增压机的性能。 过度增压由于空气在涡轮增压机的压迫下进入气缸，然后又被活塞进一步压缩（请参考汽车发动机工作原理示例），所以发生爆震的危险会增大。 爆震之所以会发生，是因为空气被压缩时温度会上升。 空气温度可能在火花塞点火之前就升高到足以点燃燃料的程度。 安装涡轮增压机的汽车通常使用高辛烷值燃料，以防止发动机爆震。 如果增压压力确实非常高，就必须降低发动机的空气压缩率，以防止爆震。 涡轮增压器的设计考虑因素涡轮增压机的一个主要问题是：当踩下油门时，发动机不会立即产生增压，而是需要几秒时间使涡轮提升转速，之后才能产生增压。 这样就产生了延时感，即踩下油门后，要等涡轮转速上升，汽车才会加速前进。 减少涡轮延时的方法之一是减小旋转件的惯性，这主要通过减少旋转件的重量来实现。 这样就使涡轮和压缩机能够更快地加速，更快地产生增压。 减小涡轮增压器的尺寸是降低涡轮及压缩机惯性的一个有效方法。 小型涡轮增压机在发动机低转速时能更快地产生增压，但无法在发动机处于高转速、更多空气进入发动机时产生更多的增压。 同时，发动机高速运转时，更多的尾气会经过涡轮，还可能存在使涡轮转速过快的危险。 大型涡轮可以在发动机高速运转时产生较多的增压，但因为其涡轮和压缩机偏重，以致加速缓慢，从而产生较严重的涡轮延时。 幸运的是，我们可以通过一些小窍门来克服这些问题。 多数涡轮增压机都有一个废气泄放阀，由于它的存在，我们可在采用小型涡轮增压机降低增压延时的同时，防止发动机高速运转时涡轮旋转过快。 废气泄放阀是一个阀门，它使排出的废气绕过涡轮叶片。 废气泄放阀能感知增压压力。 如果压力过高，废气泄放阀就会指示涡轮旋转太快，此时废气泄放阀使一部分尾气经过涡轮叶片，从而降低涡轮叶片的转速。 一些涡轮增压机用滚珠轴承代替液压轴承来支承涡轮轴。 但它们不是普通的滚珠轴承，而是用高级材料制造出的高精度轴承，用以应对涡轮增压器的速度和温度。 涡轮轴旋转时，这类滚珠轴承承受的摩擦力小于大多数涡轮增压器液压轴承中的摩擦力。 同时还允许使用略小、略轻的轴。 这样涡轮增压器加速更快，进一步降低了涡轮延时。 陶瓷涡轮叶片比大多数涡轮增压器中使用的钢制涡轮叶片要轻。 同样，这也使涡轮能更快地加速，从而降低涡轮延时。 有些发动机同时使用两个不同尺寸的涡轮增压机。 较小的一个可较快地加大转速，降低涡轮延时，而较大的一个在发动机高速旋转时能产生更多增压。 空气被压缩时，温度升高；而空气温度升高时，就会发生膨胀。 因此当使用涡轮增压时，空气在进入发动机前就已经因为压缩生热而产生了一些膨胀。 为了提升发动机动力，需要使更多的空气分子进入气缸，而并不一定要产生更多的气压。 Garrett 供图 涡轮增压器在汽车中的连接方式（包括进气冷却器）。中间冷却器或进气冷却器是外观像散热器一样的附加组件，只不过空气同时从中间冷却器的内部和外部经过。 涡轮吸入的空气通过密封管路流过冷却器，而发动机冷却风扇吹出的冷风从它外部的散热片流过。 在来自压缩机的压缩空气进入发动机之前，中间冷却器会将其冷却，从而进一步提升发动机的动力。 这意味着，如果涡轮增压机在337千帕的增压下运转，中间冷却器就会产生337千帕温度更低的空气，这些空气密度更高，含有的空气分子比温度较高的同气压空气多。 机械增压器工作原理 作者 Bill Harris本文包括：1.引言 2.机械增压器的类型 3.机械增压器的优缺点 4.了解更多信息 5.阅读所有引擎盖下类文章 引言自从人类发明内燃发动机以来，汽车工程师、追求极速的车手和赛车设计师们一直都在寻找提升其动力的方法。 其中一种方法是建造更大的发动机。 但大型发动机也并不总是尽如人意，发动机越大，重量就越重，制造和维护成本也就越高。 Superchargers Online 网站供图福特Ranger在发动机盖下安装了机械增压器。另一种方法是提高普通规格发动机的效率。 可以通过将更多的空气压入燃烧室来实现这一目的。 更多的空气意味着可以注入更多的燃油，而更多燃油则意味着更强劲的爆发力和更大的马力。 安装机械增压器是实现强制进气的好方法。 在本文中，我们将解释机械增压器的概念、工作原理以及其与涡轮增压器的差异。鸣谢感谢杰夫贝克曼为本文提供的帮助。 机械增压器基础知识机械增压器是将吸入的空气加压到超过正常气压的装置。 机械增压器和涡轮增压器均是如此。 实际上，“涡轮增压器”一词是其正式名称“涡轮式机械增压器”的简写。 HowStuffWorks Shopper 网站供图双螺旋式机械增压器机械增压器工作原理这两种装置的不同之处在于它们的能量来源不同。 涡轮增压器是借助排出的巨大气流来驱动涡轮的。 而机械增压器则由发动机曲轴通过传动带或传动链带动的。 普通四冲程发动机有一个冲程专门用于进气。 这一过程有三个步骤： 1. 活塞往下运动。 2. 制造真空状态。 3. 依靠大气压将空气吸入燃烧室。 当空气被吸入发动机后，便和燃油混合形成油气混合物。此混合物能够通过燃烧这一化学反应转换成有用动能。 火花塞通过点燃空气和燃油的混合气体引起此化学反应。 当燃油发生氧化时，会释放大量能量。 此过程产生的力量集中在气缸盖上，这股力量将推动活塞，使活塞产生往复运动，最终这股动力会传递到车轮上。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 一台安装了机械增压器的基本发动机向燃烧室注入更多的燃油将会产生更为强劲的燃烧爆发力。 但不能仅仅向发动机中增加燃油，因为燃烧燃油需要严格数量的氧气。 这种经过化学反应产生的混合物，空气和燃油的比例应控制在14:1，这对发动机的有效运转至关重要。 所以重点在于：若要注入更多的燃油，就必须吸入更多的空气。 这就是机械增压器的作用。 机械增压器通过将空气压缩至正常大气压以上来吸入更多的空气，而不是通过制造真空状态来吸入空气。 这样就可以强制更多的空气进入发动机，从而导致“增压”。 发动机增压后会吸入更多空气，从而向燃烧室注入更多的燃油，发动机的动力也会增强。 机械增压器平均可提高46%的马力和31%的扭矩。 在海拔较高的地方，发动机性能会降低，因为那里的空气密度和压力都比较低，而机械增压器只有向发动机提供压力更高的空气，才能保证其运转状态最佳。 涡轮增压器利用燃烧产生的废气向压缩机提供动力，与之不同的是，机械增压器直接从曲轴获取动力。 大部分机械增压器都通过一条附属的传动带获得动力，这根传动带缠绕在皮带轮上，皮带轮连接在一个主动齿轮上。 而主动齿轮则会旋转压缩机齿轮。 压缩机的转子可以有多种设计，但它的任务是吸入空气，将空气压入更小的空间，并注入进气岐管中。 Muscle Mustang 公司网站供图ProCharger D1SC离心式机械增压器为了压缩空气，机械增压器必须急速旋转，甚至比发动机本身转得还要快。 将主动齿轮做得比压缩机齿轮大，就能使压缩机旋转得更快。 机械增压器的转速每分钟能高达5-6.5万转。 5万转的压缩机能产生大约41-62千帕的压强。 在特定海拔高度，这会产生比大气压高41-62千帕的压力。 而海平面的大气压为1012.8百帕，因此大约会多出50%的空气被机械增压器压入发动机中。 空气受到压缩会变热，这意味着空气密度会降低，同时也会减少爆炸过程中空气的膨胀程度。 这就无法在火花塞点燃混合气体后产生足够的动力。 为使机械增压器发挥全部效率，从排气装置排出的压缩空气必须在进入进气歧管前加以冷却。 中间冷却器的出现解决了这一问题。 中间冷却器有两种基本设计： 风冷和水冷。 它们的工作原理类似于散热器，即让较凉的空气或水流过导管，带走热量。 当热空气离开机械增压器碰到较凉的导管时，它便会冷却下来。 随着空气温度降低，其密度会变高，这样就会使密度较高的混合燃气进入燃烧室。 接下来，我们将了解几种不同类型的机械增压器。机械增压器的类型HowStuffWorks Shopper 网站供图Eaton机械增压器是一种经过改进的鲁式机械增压器。机械增压器的类型有三种：鲁式 (Roots)、双螺旋式和离心式。 它们的主要区别在于将空气吸入发动机进气歧管的方式不同。 鲁式和双螺旋式机械增压器使用不同类型的啮合凸缘，而离心式机械增压器使用叶轮吸入空气。尽管这三种设计都能产生增压效果，但在效率上却有很大差别。 各个类型的机械增压器都有不同的尺寸，具体选择哪一种取决于您是只想提升汽车的动力，还是想去参加赛车运动。 鲁式机械增压器是最老式的一种设计。1860年，Philander和Francis Roots申请了鲁式机械增压器的设计专利，作为帮助矿井通道通风的机器。1900年，Gottleib Daimler首次在汽车发动机中安装了鲁式机械增压器。 鲁式机械增压器当啮合凸缘旋转时，空气会被吸入凸缘之间的气槽中，然后在进气口和排气口之间传送。 大量的空气将进入进气歧管，并“累积”起来产生正压力。 也正因为如此，鲁式机械增压器只不过是鼓风机，而“鼓风机”一词也常用来描述所有的机械增压器。Sport Truck 网站供图20世纪40年代的福特汽车使用了鲁式机械增压器鲁式机械增压器通常都很大，安装在发动机的顶部。 因为可以装在发动机盖的外面，所以它们在力量型汽车和大马力改装车中很受欢迎。 不过，它们却是效率最低的机械增压器，原因有两个：它们增加了轿车的重量，并且只能间歇地吸入空气，而不能顺畅地连续吸入空气。 双螺旋式机械增压器Superchargers Online 网站供图双螺旋式机械增压器双螺旋式机械增压器通过两根类似于一组涡轮传动的啮合凸缘吸入空气。 与鲁式机械增压器一样，双螺旋式增加器中的空气也是通过转子凸缘集中起来吸入的。 但双螺旋式机械增压器会压缩转子壳体内的空气。 其原因在于这些转子具有锥度，这意味着随着空气从进气口流向排气口，气穴会变小。 随着气穴的收缩，空气便被压入到更小的空间。 双螺旋式机械增压器这使双螺旋式机械增压器的效率更高，但需要在制造过程中精密加工螺旋型转子，从而增加了成本。 有些双螺旋式机械增压器与鲁式机械增压器一样，也放在发动机的上方。 它们也会发出很大的噪音。 从排气口排出的压缩空气会发出轰鸣声，因此必须使用降噪技术消除这些声音。 离心式机械增压器离心式机械增压器利用叶轮（一种类似于转子的装置）提供动力，将空气高速吸入狭小的压缩机壳体。 叶轮与转子相似，其转速可达每分钟5-6万转。 由于空气在叶轮轮毂处被吸入，因此离心力会导致空气向外扩散。 这些空气会使叶轮处于高速低压状态。 扩压器是一组环绕叶轮的固定叶片，它会将高速低压的空气转换成低速高压的空气。 当空气分子碰到这些叶片时，会减慢速度，从而降低气流速度以及增加压力。 离心式机械增压器在所有增压系统中，离心式机械增压器是最有效率、最普遍的一种机械增压器。 它们体积小，重量轻，安装在发动机的前面而不是顶部。 它们也会产生与众不同的轰鸣声，这会增加汽车在街上的回头率。 HowStuffWorks Shopper 网站供图Monte Carlo和Mini-Cooper S均提供机械增压器。所有这些机械增压器均可以作为售后汽车的动力增强装置安装到汽车上。 有许多公司提供成套的产品，用于客户自己动手安装机械增压器。 在有趣的汽车和燃油赛车的世界里，这种定制已成为体育运动不可分割的一部分。 很多汽车制造商也会在其产品样车上安装机械增压器。 机械增压器的优缺点机械增压器最大的优点是可以增加汽车的马力。 给一辆普通汽车或卡车安装机械增压器，会使其像一台大马力发动机汽车一样动力十足。 但是在机械增压器和涡轮增压器之间应该如何选择呢？ 汽车工程师和车迷们一直在激烈地争论这个问题，但通常而言，机械增压器与涡轮增压器相比有一定的优势。 机械增压器没有增压延时驾驶员踩下油门到发动机响应这段时间的长短。 涡轮增压器存在增压延时，因为它需要一段时间，让排出的气体达到一定速度以加快叶轮/涡轮的转速。 机械增压器没有延时，是因为它们直接通过曲轴获得动力。 某些机械增压器在低转速时效率比较高，而另一些在高转速时效率比较高。 例如，鲁式和双螺旋式机械增压器在低转速时可提供更多的动力。 离心式机械增压器在叶轮快速旋转时效率较高，从而能在高转速时提供更多的动力。 安装一台涡轮增压器需要对排气系统做大幅度的调整，但机械增压器只要拴在发动机顶部或旁边就可以了。 因此，机械增压器的安装更方便，同时也更容易使用和维护。 最后，机械增压器停止工作时不需要专门关闭。 因为它们不用发动机机油进行润滑，便可以正常关闭。 而涡轮增压器必须等待30秒或预先关闭，以便润滑油冷却。 也就是说，预热对于机械增压器十分重要，它们在正常温度下的