渦輪增壓是什麼?從渦輪器拆解開始學習

如今“渦輪增壓”成為很多車友的口頭禪，其中DSG+TSI這對黃金組合以“業界領袖”的姿態引領着國內渦輪車的浪潮，就連如今國產自主品牌也紛紛開發自家的渦輪車型，大有不是渦輪車不好意思和別人打招呼的趨勢。那麼小編就想問問各位，渦輪增壓器到底哪個是渦輪?另外一個又叫什麼呢?渦輪葉片的大小和設計有什麼作用呢?渦輪增壓器裏面有什麼結構呢?如果你不明白，就趕緊看完文章吧。

問:渦輪增壓器是由哪些部件組成的?

老師:典型的渦輪增壓器一般由壓氣機殼、壓氣機葉輪、連接軸(機芯)、渦輪殼、渦輪等主要部件組成，機芯部分有機油密封環(油環)、止推軸承、擋油板(背板)和浮動軸承(銅套)或者滾珠軸承組成。

問:渦輪增壓器的工作原理?

老師:渦輪增壓器工作原理是利用引擎經過爆炸行程後產生的高温、高速廢氣的能量，廢氣從氣缸內排出後通過特殊形狀的排氣蕉(Exhaust Manifold)，流入廢氣側渦輪蝸殼，並推動廢氣側內的渦輪葉片轉動。同時，與廢氣側渦輪葉片高速旋轉帶動同軸相連的壓氣機蝸殼內部的壓氣機葉輪，會對流經風格後的空氣進行壓縮，壓縮氣體經過中央冷卻器(INTERCOOLER)冷卻後，成為帶有一定壓力的和高密度的新鮮空氣，流經節氣門和進氣歧管後，進入氣缸內燃燒。空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整發動機參數，便可以增加發動機的輸出功率。

圖:渦輪增壓器本體。

圖:一個超過工作壽命而報廢的渦輪解體圖，我們可以看到渦輪本體分為壓氣機殼體(左)、機芯(中)和渦輪殼體(右)。

圖:這台豐田86安裝了來自GReddy出品的渦輪套件，令原廠200匹馬力的86在渦輪的鞭策下爆發出輪上246.42匹馬力和25Kg/m扭矩輸出。

圖:在安裝渦輪增壓器的同時芭蕉、進排氣、中冷器、油冷等等都需要相應提升來配合渦輪達到最佳使用效果。

圖:當然渦輪處的高温也必須要謹慎處理，而此時合理的管路設計和隔熱處理就顯得尤為重要了。

問:浮動軸承與滾珠軸承的區別?

老師:浮動軸承實際上是套在軸上的浮動軸承，也就是銅套。銅套與軸以及與軸承座之間都有間隙，形成雙層油膜。銅套浮在軸與軸承座之間。一般內層間隙為0.05mm左右，外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約3~4.5mm，用鉻銅合金製造，軸承表面鍍一層厚度約為0.005~0.008mm的鉛錫合金或金屬銦。在增壓器工作時，銅套在軸與軸承座中間轉動。

滾珠軸承更多可見在性能車型上，顧名思義，滾珠軸承就是在渦輪軸上安裝滾珠，取代浮動軸承中的機油的位置。滾珠軸承的優勢所在剛好是浮動軸承的對立面:摩擦力更小，渦輪遲滯的效應更低，對動力極限的壓榨更有利;可以有效地對渦輪軸的動態進行控制;機油壓力以及品質可以稍微降低，間接提高了渦輪的壽命。其缺點也顯而易見，就是壽命不及浮動軸承，一般7萬到8萬公里就到壽命極限，而且維修費用貴，維修困難。不過，由於滾珠軸承在提升動力方面極具誘惑力，所以滾珠軸承依然是性能車型上的主流裝備。

不過滾動軸承造價一般是浮動軸承的2-2.5倍，所以很多車廠出於成本原因沒有采用滾珠軸承;不過在性能車輩出的90年代初，很多日本渦輪車型使用滾珠軸承，比如日產RB25DEET使用的就是由Garrett代工的陶瓷滾珠軸承;S15搭配的SR20DET也是使用Garrett GT28R滾珠軸承，GTR33 RB26DEET使用的兩個GT22R滾珠軸承;而如今的GTR35便沒有采用滾珠軸承，而是採用了浮動軸承渦輪。

圖:此圖為浮動軸承內部結構，而中心軸左右各一個銅套防止機油滲入蝸殼內部，導致機油進入進氣道和排氣管造成不必要的損失。

圖:此圖為滾珠軸承內部結構，相比浮動軸承更為簡單，採用滾珠設計令渦輪響應速度更快;因為滾珠軸承有效降低滾動摩擦，不需要太多機油去潤滑，對動力極限壓榨有利，並且還能夠改善渦輪燒機油現象。而通過旋轉兩種渦輪的葉輪可以明顯感覺到滾珠軸承渦輪旋轉更順暢，而浮動軸承由於內部機油的阻力作用，轉動起來會比較吃力。

圖:這一桌子的零件都是什麼呢?讓我們一起來探秘吧。

圖:渦輪增壓器中的壓氣機殼。

圖:渦輪增壓器中的渦輪殼。

圖:渦輪增壓器中的機芯。(此機芯為報廢的渦輪增壓器中拆下)

圖:從左至右為背板、壓氣機葉輪(圖片上沒有)、止推軸承、銅套(由於機芯內部損壞沒能取下)、機芯外殼、銅套、連接軸和渦輪。

圖:而這個則是老師為國內車隊專門設計改良的渦輪機芯;由於渦輪較小，銅套沒有采用分體結構而是採用一體設計，這樣做能夠擁有更好的強度和耐用度。

圖:止推軸承主要作用就是防止渦輪、連接軸、葉輪等部件的軸向晃動，不會偏向與機芯外殼、渦殼、壓殼等摩擦導致渦輪故障。而一般止推軸承損壞後會產生左右晃動，需要更換止推軸承和背板解決問題。

圖:根據不同型號渦輪，止推軸承也會有區別。

圖:銅套安裝在中心軸上，主要作用就是隔離機油和潤滑降温。而一旦靠近渦輪蝸殼和壓氣機蝸殼的密封環損壞，會導致機油進入排氣管和進氣歧管進入燃燒室。另外各位還要注意一個問題，由於銅套採用機油潤滑散熱，所以車輛使用的機油儘量採用更好的機油，而劣質的機油導致渦輪主轉動軸不能正常潤滑和散熱，從而在高温下損壞油封造成漏油。因此我們建議渦輪增壓發動機應該選擇耐高温、抗氧化好的優質機油，並且還要注意適當縮短機油的更換週期。

圖:壓氣機葉輪，此葉輪為鑄造產品，當然為了獲得更好的使用效果，很多高性能渦輪開始使用了鍛造CNC壓氣機葉輪。

圖:此葉輪鍛造CNC產品，不過這葉輪已經報廢。

圖:渦輪殼內的渦輪，它的工作環境極為惡劣，所以小編對它説一句“兄弟，辛苦了”!

圖:接下來小編也為大家來示範下渦輪機芯的安裝步驟。

圖:上面的為正常的渦輪機芯，下面的是待組裝的機芯。

圖:由於渦輪較小，採用了一體式銅套，所以需要一個能夠固定軸與中心軸外殼的支撐來保證渦輪機芯的穩定性。

圖:之後是止推軸承。

圖:最後將壓氣機葉輪安裝到位後，在將螺絲以反扣進行固定，一個機芯就搞定了。

圖:看起來並不難，其實這只是我們為大家演示的過程，而在實際安裝過程中可就不是這般簡單了。

問:A/R值代表着什麼?

老師:A/R 值是壓氣機殼體(Compressor Housing)及渦輪殼體(TurbineHousing)的幾何特性數字。R(Radius)為渦輪軸承中心到壓氣機出風口(渦輪進風口)橫截面(渦輪半徑線繞360 度一圓周後)中心點的距離。A(Area)指壓氣機殼體的出風口(渦輪進風口)對應以上中心點所在的橫截面積，以A 除以R 的所得兩者的值即為A/R 值。A/R值是渦輪增壓器的一項重要指標，用以表達渦輪的特性;同品牌、同型號渦輪A/R值越高，空氣流量越高、容量越大，渦輪在高轉表現會更好;但遲滯現象也會增大。

A/R值分為壓氣A/R值與渦輪A/R值。一般而言壓氣A/R值大，説明流速快但流量少，較適合低增壓渦輪使用;而壓氣A/R 值小，説明流速慢但流量大，較適合高增壓渦輪使用。相對而言壓氣A/R 值的大小變化對渦輪性能的影響較小，而對於排氣端的渦輪A/R 值就顯得非常重要了。A/R 值越小，即排廢氣的流速較高，渦輪在低轉速區域的增壓反應越快，渦輪遲滯減低，渦輪也就能在較低的轉速區域取得接近峯值的增壓，所以在低速提速情況下基本無渦輪遲滯的感覺;但與此同時高速所能提供的增壓壓力會顯得不足，因為靠增壓器提供的壓力已經不足以彌補減小的壓縮比了，所以此時會有高速無力的感覺。相對的，A/R 值越大，渦輪在低轉速域的增壓反應便越差，渦輪遲滯的感覺越明顯;儘管引擎的低轉速增壓難以上升，不過在高轉速區域卻可以產生更大的動力，轉速越高發出馬力越大的傾向相當明確。總而言之，A/R 值(渦輪A/R 值)小屬於低速發力型渦輪，而A/R 值大則是高速發力型渦輪。

另外渦輪壓殼處需要考慮的就是與排氣芭蕉的接口大小，就好比Garrett GT3076和GTX3076它們只有A/R 60的壓氣機殼體，單是渦輪端卻可以有十幾種搭配選擇，並且渦輪端與發動機接口也有不同，有T25、T3、T4、T3雙渦流、T4雙渦流接口等等選擇，不同接口所搭配的A/R值也不同，如T25口可以搭配A/R 64、A/R 68 、A/R 78，T3接口可以搭配 A/R 63 、A/R 82 、A/R 96等等。所以，一個好的渦輪不單是看材質，更需要一個合理的搭配，以及與引擎的搭配等多方面選擇。

圖:A與R都來自哪裏。

圖:在渦殼與壓氣機殼上都會有不同的A/R值，A/R值分為壓氣A/R值與渦輪A\R值。一般而言壓氣A/R值大，説明流速快但流量少，較適合低增壓渦輪使用;而壓氣A/R 值小，説明流速慢但流量大，較適合高增壓渦輪使用。對於排氣端的渦輪A/R 值來講，越小即排廢氣的流速較高，渦輪在低轉速區域的增壓反應越快，渦輪遲滯減低，渦輪也就能在較低的轉速區域取得接近峯值的增壓;A/R 值越大，渦輪在低轉速域的增壓反應便越差，渦輪遲滯的感覺越明顯;儘管引擎的低轉速增壓難以上升，不過在高轉速區域卻可以產生更大的動力，轉速越高發出馬力越大的傾向相當明確。

圖:該款渦輪的接口便是T25口。

問:葉輪的設計能夠影響什麼?

老師:首先葉輪材質有鑄造葉輪和鍛造CNC葉輪，在一般的小型渦輪中不同葉輪材質實際效果並不明顯，而大型渦輪會比較明顯。比如鍛造CNC葉輪從設計之初就與普通鑄造葉輪不同，因為是CNC切割出的葉輪，在葉輪大小設計、葉輪高度、葉片數量、葉輪角度都有所不同，而普通鑄造葉輪多為平整的葉片，在渦輪與壓氣機壓縮比較大的時候葉片邊緣會有形變。而鍛造葉輪便可以通過自身材質特點避免在高壓比情況下葉片出現變形的情況。當然最後每個葉輪還需要做單體平衡，就像發動機中的曲軸一樣，只有平衡後才能正常使用。另外渦輪增壓器的大小要與發動機進行匹配，這樣才能達到引擎與渦輪最理想的效果。

圖:此葉輪為鑄造產品，在結構和成本上優勢比較明顯。

圖:這款葉片採用鍛造CNC工藝，其最大的特點就是響應速度更快，讓渦輪能夠很快的進入高壓區域，不過成本自然會高一些。

圖:而不同的葉輪造型也會令渦輪擁有不同的性格。

圖:每一個葉輪在出廠時必須進行單體平衡，並且與中心軸的連接處採用不斷旋轉的高速摩擦焊固定。

問:可變截面渦輪(VGT)與常見的渦輪有什麼不同?

老師:可變截面渦輪與普通渦輪最大的區別就是在渦輪葉輪外側增加了可由真空壓力或者電子系統控制開啓角度很小的導流葉片，這些葉片被固定在葉輪外側，而當廢氣首先要流經導流葉片後再送至渦輪葉片;這時候導流葉片會根據空氣流速和流量來改變角度，從而控制渦輪的轉速。這樣的設計便可以讓發動機在低轉速、低排氣壓力情況下，通過較小的導流葉片角度，讓空氣流速更快提高渦輪的壓強，也就能夠更好的推動渦輪，令渦輪在低速時擁有更好的相應速度。

同時隨着發動機轉速的提升，導流葉片角度也隨之變大，在全負荷狀態下，葉片則保持全開的狀態，減小了排氣背壓，從而達到一般大渦輪的增壓效果。此外，由於改變葉片角度能夠對渦輪的轉速進行有效控制，這也就實現對渦輪的過載保護。

而從另一個方面來看，可變截面技術更重要的作用就是可以改變A/R值中的“A值”。當葉片角度較小時，排氣入口的橫切面積便會相應減小，因此A值會隨之變化，從而擁有小渦輪響應快的特點。而當葉片角度增大時，A值隨之增大，這時A/R值增大，從而在高轉速下獲得更強的動力輸出。總而言之，透過變更葉片的角度，可變截面渦輪增壓器可隨時改變排氣渦輪的A/R值，從而兼顧大/小渦輪的優勢特性。

圖:這是普通渦輪。

圖:這個是可變截面渦輪，通過葉輪上面的可調角度的導流葉片來調整進氣流量，進而提高渦輪的相應速度。