涡轮增压和机械增压详解
Turbo—涡轮增压器, 是个藉由内燃机排气的能量推动叶轮, 使其高速运转, 带动另一个叶轮, 压缩空气, 再把此压缩后的空气灌入内燃机进气端的装置. 借着更大的空气量, 使内燃机运作更有效率, 产出更大马力. 外观上, 就像两个相连的蜗牛壳:（以上见图一）
右边红色部分为排气气流, 左边蓝色为进气气流. 排气侧叶轮, 也就是驱动侧, 我们称之为turbine, 其外壳便称为turbine housing, 高温高速脉动的排气气流, 由叶轮的外围切线方向进入turbine housing, 顺着蜗牛壳形状渐缩的管道挤入叶片之间的空间, 很有效率的将排气能量转动turbine, 使其高速旋转, 转速通常在80000~180000rpm的范围. 排气气流再顺着turbine叶片的弧度和旋转自轴线方向排出涡轮本体外, 在接到排气管排出.
进气侧叶轮, 用以对进气加压, 我们称之为compressor wheel, 这部分外壳也是蜗牛壳形状, 叫compressor housing. 和排气侧相反的是, 气流由轴向中央部份吸入, 被带着弧面放射状的叶片由内往外甩, 这部分气流速度非常快, 但此时并不具备有效的 ‘压力’. 快速往外甩的气流, 在compressor housing和compressor wheel 之间形成的渐缩区域内逐渐减小体积, 压力升高, 再由最外围的渐大管道收集起来, 最后吐出turbo本体, 形成高压的空气, 准备灌入引擎的进气歧管.
加压后的空气, 含有大量氧气, 配合相应的供油, 能让引擎发挥强大的扭力和马力. 换个角度, 在相同的出力下, 可以用较小排气量来做到, 也就减轻了整体的重量. 总的来说, 对引擎的效率有很大的提升. 这个特点, 在数十年前的航空用引擎也发挥了很大的功能, 在高空中气压低, 引擎吸不了多少空气, 加上螺旋桨在稀薄空气中效率也降低, 所以高度越高, 飞机的性能就越差. 有了增压的帮助, 就让当年的飞机得以改善在高空的性能.
在需要高负荷长距离行驶的货车和拖车头, 也能得利于涡轮增压. 因为在长时间稳定负荷的状态下, 正是涡轮增压引擎发挥其高性能的最佳应用之一, 强大的扭力有利于拖曳, 高效率则减少了整体燃油的消耗.
在令人血脉喷张的赛车领域, 最慑人心魄的应属Top Fuel级的直路加速赛, 现行的赛车, 多半都用超大的机械增压, 燃烧硝基甲烷, 能输出数千匹马力, 1/4哩加速于4秒多完成. 为什么不用turbo? 在 ‘80年代的确有车队试过, 但那时试做的引擎出力便已过大, 传动系统无法负荷, 屡屡被打断, 在找到足够的赞助以解决这个问题之前, 赛会便禁止使用turbo引擎. 自此我们便无缘见到这样超强的Turbo Top Fuel Dragster. 若哪天有人又做了一辆出来, 也许1/4哩能在3秒多跑完, 加速度达到5或6个g? 天晓得能强到什么地步?
在F1最辉煌的80年代, 有几年允许涡轮增压引擎, 并且没有限流装置, 当时1.5升的引擎, 可以产出超过1500匹的马力, 这还是 ‘后面几名’ 的车队的成绩, 头几位的车队, 绝对不只此数 (曾 ’听说’ 有做到1800匹左右的). 后来FIA便开始规定要用小口径的限流器(restrictor), 因此也直接减低了性能.
目前的大型比赛, 大概只剩下WRC和Indy CART容许使用turbo, 但也都装置了很严格的限流器或限压阀, 完全不设限的turbo赛事, 应该只剩下一些地方性小比赛了. 对于潜力无限的turbo引擎来说, 这真是个无处发挥的严重讽刺.
（以上见图二）
涡轮增压系统：
图左边为引擎, 排气吐出后驱动turbine, 相连的compressor便同步高速运转, 提供高压的空气, 喂回引擎的进气端. 在compressor和进气歧管之间, 有个冷却器, 用以降低压缩后升温的空气温度.
空气经过压缩, 温度会升高, 是因为压缩器的效率未臻完美, 一个完美/理想的compressor, 有100%效率, 不会使加压后的空气升温. 但, 这不可能存在于现实世界. 在我们现在可以取得的turbo来说, 压缩效率在一般的运作范围内通常在百分之七十几, 最好的能达到80%左右. 以70%的压缩效率来说, 意思就是驱动compressor的能量(功率)当中, 有30%拿去发热了.
为了保持引擎的燃烧效率和运作的安定, 进气温度必须保持在一个合理的范围, 过高的进气温度, 会使爆震的发生率急剧升高, 另也使进气密度降低, 减损引擎性能, 因此一个合理的intercooler是必需的. 目前汽车引擎使用的intercooler, 大致有air-to-air 和air-to-water两种. Air-to-air就是进气温度由空气来冷却, 使气流经过多排的扁平狭长的信道, 信道内外都有许多细薄的鳍片。
水冷式的好处, 是效率较高 (意思就是压降小, 冷却力强), 还有个好处是安装位置弹性大, 可使整个进气道更短更顺畅, 不需考虑撞风而使管道绕的很长. 在一些短程的赛事, 甚至可以在水箱里塞冰块, 使进气温度拉低到比环境气温更低. 在一些中置或后置引擎的配置上, 较难有直接撞风的配置, 这种方式就更加理想. 当然也有坏处, 就是系统复杂, 重量较重, 成本也较高. 相对的, 一般气冷式就比较简单而直接, 若体积够大, 撞风理想, 效率也不差, 所以绝大多数的前置引擎增压车, 都是使用air-to-air的中冷器. 另也可使用外部喷水(或喷CO2或NOx)来使air-to-air的intercooler提高冷却能力.
（以上见图三至七）
涡轮本体的组件：
回到turbo本体, 如前所述, 有compressor/housing, 和turbine/housing, 这是主要发挥 ‘功能’ 的部位, 连接这两者, 则是轴心总成(CHRA, Center Housing Rotating Assembly), 包含水道、油道、油浮式轴承、侧推轴承(thrust bearing)、油封等. Turbine和轴心常是焊在一起, 或紧密的逼在一起, 轴心本身通常是不锈钢或铬钼合金, turbine则常是耐高温的合金, 如inconel, GMR, 或Mar-M, 更先进的材料还有钛合金、陶瓷等, 取其轻量化, 低贯性的优点, turbine housing也是耐高温的至少是软铸铁, 好一点的会采用高含镍量合金钢材. Compressor wheel则是用螺帽锁在主轴上, 常用铝合金制成, 甚至还有使用塑料制成的超轻量化叶轮, 但这种的不耐高增压, 常会断裂飞散.
轴承部分, 较老式的多半采用铜套式油浮轴承, 这个轴承的内外都有适量的机油, 油压使得轴承和外壳间以及轴承和主轴间都是悬浮状态, turbo运作时, 此轴承事实上也随着转动, 转速约为轴心的1/10左右, 这样的悬浮机构提供一个阻尼的功能, 可使整个旋转部分可以容忍些微的不平衡带来的震动, 若没有这样的悬浮, 则可能在某个转速因为共振而使机件损坏. 较新式的则采用滚珠轴承, 同样有油浮的机制, 而因为滚珠能减少很大幅度的摩擦力, 所以配备滚珠轴承的turbo可以更早达到工作转速, 大幅改善迟滞现象, 比同级turbo提早约500~800rpm的引擎转速便能提供最大增压, 或者在相同引擎转速就提供更大流量(或增压). 如Garrett的GT系列和IHI的RHF系列.
轴承之外, 有两段式油封, 最靠外侧有一圈封住轴心和外壳之间, 在这之内, 则有一圆盘, 运转时将机油甩向外围, 使油靠近外侧油封的机会大幅减小, 直些减低渗油/漏油的可能, 这叫做 ‘动态油封系统’ , 这样的机制在compressor侧和turbine侧都有.
控制机构及其它配件
Turbo的运作控制, 最重要的就是转速. 像turbo这样的离心式压缩机, 通常只能在很窄的转速范围内提供最好的效率, 转速过低, 打不出足够压力, 转速过高, 则可能使叶片尖端速度快过音速, 而使得效率大减, 产生高热, 超音速振波则会使叶片/外壳损坏.
控制涡轮的转速, 就从驱动端的turbine着手. 控制驱动turbine的排气气流, 就能控制涡轮转速. 当引擎转速低时, 废气量尚小, 能量不高, 所以为了充分利用, 此时全部的废气都该灌到turbine上, 全力驱动. 当引擎转速到了一个程度, 废气量够大时, turbine则进入最佳效率的运作范围, compressor则吐出高压. 当达到目标压力, 就该调节驱动turbine的废气量, 使其转速不要再上升, 免的增压过高, 使引擎受不了, 或是损坏涡轮本体.
这个turbine的调节, 就靠waste gate (废气门). 有两种, 一体式和外接式. 一体式的就是在turbine housing上做个旁通阀门, 当需要调节废气压力时, 此阀门就适度开启, 让部分废气不经turbine便排出, 这么一来就使涡轮转速得以控制. Waste gate的开启, 由一个气压/弹簧为驱动力的actuator来作动. 一般是把compressor出口的压力引到actuator上, 当增压到达一个程度, 此压力作用在actuator内部的膜片上, 大过弹簧弹力, 便能透过一个连杆去推开废气门. 当compressor出口压力越大, 则作用在actuator上的压力也越大, 推开废气门的程度就越大, 旁通掉的也废气越多, 则turbine的转速便获得控制. 很简单的一个负回授.
（见图八）
涡轮vs机械增压
机械增压器直接由曲轴驱动, 所以和引擎的动作同步, 直觉上油门反应会比turbo这种 ‘浮动’ 式的增压器要好得多, 但其实还有许多因素可以考虑.
典型的机械增压, 应用很成功且最多的, 应属Roots增压器, 这种增压器没有所谓的 ‘内部压缩’, 也就是说空气在增压器内部没有被压缩, 而是朝着进气歧管吹进与转速成正比的空气量, 在进气歧管内产生正压. 再加上他本身的机械/流体力学特性, 效率并不很高, 已经算很不错的Roots增压器厂牌--Eaton, 藉由流体力学的改进和较高精度的加工, 可以做到60%的压缩效率, 比同类型旧式压缩机的50%, 算是不错的进步. 而Twin Screw型的压缩机, 先天有内部压缩, 效率较高. Whipple, 一家专门生产twin screw增压器的厂家, 声称他们的产品可以达到75%的效率, 但并没有像turbo厂家那样提供compressor map以供评估.
而离心式机械增压, 就如同turbo的进气那一半, 压缩效率与turbo相当, 但不是由气体驱动, 而是曲轴, 很难让它的转速保持在最佳效率的范围, 通常较佳的效率都只能出现在窄窄的高转速域, 中低转速则比turbo更差. 虽然由曲轴带动没有lag, 但引擎转速范围中大部分区域都得不到足够的增压, 使得这种增压器比较适合大排气量的引擎, 补足原本呆滞的高转速域. 对于中小排气量的近代多汽门引擎来说, 离心式机械增压只会做出一个很差的扭力曲线, 陡峭的往高端上升, 中低转的实用性可说完全被忽略了, 虽然最大马力值还不错, 但扭力曲线这么差, 时在不适合中小排气量的引擎.
机械增压最大的问题, 主要在于直接吃掉引擎马力, 目前最猛的机械增压引擎— 燃烧硝基甲烷的Top Fuel Dragster, 大V8配上一个超大的Roots Blower, 该机械增压器便会吃掉600~800匹马力 (先别担心, 它有4~6千匹马力可供挥霍). 同时也因为机械和热的因素, 没办法无限制的提高转速, 产出高增压/高流量, 所以最大动力总是比不上turbo. 且相同增压下, 产出马力仍不如turbo. 一个依理论计算的例子, 相同条件--Honda B18C引擎, 打20psi的增压, turbo可有453匹马力, 离心式机械增压可到412匹, 而Roots机械增压则只有388匹. 较差的压缩效率, 和从曲轴 ‘偷’ 去马力, 就使得机械增压在最大输出上不如turbo.
机械增压最大的优势, 是在容积效率 (VE), 因为没有turbine挡在排气路径上产生回压, 所以进气压力总是大于排气背压, 在某些引擎上有可能做到大于110%的VE, 这直接对引擎效率和性能有很大的助益. 这个优势, 在低增压的情形最为明显. 在低增压的turbo系统中, 通常使用较小的turbo, 小turbo流量小, 在高转速大流量时会有较大的背压, 而越大的背压, 越会减损VE, 因为在这种状况下背压总大于进气增压, 因此进排气的过程中常要花去颇大的力气去把废气 ‘挤’ 出去, 若汽门重叠过大, 还会产生逆流的现象, 这就非常糟糕. 当涡轮增压系统的背压/增压比在1.8:1以上, 则相同增压值的机械增压就有机会在马力上超过turbo.
当然, 正如一般的认知, 机械增压完全没有迟滞的油门反应, 常是更吸引人之处, 尤其是Roots和Twin Screw型式的, 几乎是一离怠速, 便开始有线性/实时的增压, 因此操驾的感觉就有如较大排气量的N/A引擎. 这点虽然是turbo所比不上, 但近年的turbo也有很大的进步, 越来越多的原厂增压车, 几乎已经让人感觉不到lag, 扭力高原也越来越宽, 加上很高的运作效率, turbo还是有继续发展的无穷潜力和优势. 好东西!
一级精华!
不过现在没空看,晚些有空再看~
谢谢四少爷 机械增压比涡轮贵好多喔,其实都各有长处短处,大多数人都喜欢涡轮尾段加速还有推背感,而机械增压尾段加速就不及涡轮,至于2个的增压能否让机头寿命长久就要看调教和车主的使用习惯来定,特别是外挂的 这个...我要慢慢研究研究才行:victory: 大开眼界！ [quote]原帖由 [i]阿波萝[/i] 于 2008年7月20日 13:24 发表 [url=http://www.sibalu.com/redirect.php?goto=findpost&pid=22535&ptid=2864][img]http://www.sibalu.com/images/common/back.gif[/img][/url]
机械增压比涡轮贵好多喔,其实都各有长处短处,大多数人都喜欢涡轮尾段加速还有推背感,而机械增压尾段加速就不及涡轮,至于2个的增压能否让机头寿命长久就要看调教和车主的使用习惯来定,特别是外挂的 [/quote]
现阶段来说机械增压外挂的比涡轮外挂要便宜很多，因为它不需要中冷、油冷、锻造引擎零件等复杂的事情，价钱大概
是涡轮套件的一半左右。头段反应很灵敏，没有延迟，就是到了尾段的时候反而变成了引擎的负担（因为是靠引擎本身的动力来增压）。所以能匹配好的话在多车的市区里是很有优势的。现在我们准备装一台傲虎3.0来看看效果，到时再向大家汇报。 关键问题：现在一般国产中低级NA车，例如马六，琪达，福克斯，思域等一系列车型外挂TURBO的话一般都不超过10万公里引擎就得大修或报废，机械增压的寿命据说能到40万公里
或者以上都引擎不用怎么大修，我个人认为这个值得参考，因为本人更看重扭力。:loveliness: :) :) :) :) :victory: :victory: :victory: :victory: [quote]原帖由 [i]sai原罪[/i] 于 2008年7月22日 10:44 发表 [url=http://www.sibalu.com/redirect.php?goto=findpost&pid=22969&ptid=2864][img]http://www.sibalu.com/images/common/back.gif[/img][/url]
现阶段来说机械增压外挂的比涡轮外挂要便宜很多，因为它不需要中冷、油冷、锻造引擎零件等复杂的事情，价钱大概
是涡轮套件的一半左右。头段反应很灵敏，没有延迟，就是到了尾段的时候反而变成了引擎的负担（因为 ... [/quote]
现在机械增压那么便宜??是不是找青蛙的傲虎试?:lol [quote]原帖由 [i]阿波萝[/i] 于 2008年7月23日 10:14 发表 [url=http://www.sibalu.com/redirect.php?goto=findpost&pid=23120&ptid=2864][img]http://www.sibalu.com/images/common/back.gif[/img][/url]
现在机械增压那么便宜??是不是找青蛙的傲虎试?:lol [/quote]
青蛙竟然不知道机械增压这回事。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
现在的？进回来的是日本（不知是什么品牌）的SUPERCHARGE套件，价格2W左右吧。
因为把引擎做得越轻的话SUPERCHARGE对引擎的负担就越少，效果越理想。所以
估计那南海的傲虎车主肯定是锻造曲轴连杆，轻量化大尾牙，轻量化皮带和皮带轮全部做齐了。
不做也没关系，但到了很高速反而会感到吃力一点。最关键还是电脑的调教，很烦人！！！！！
菠萝可以试试，一般打在0.3到0.5BAR左右，绝对没有挂T伤害那么大，（一样可以上杂志）。哈哈哈。。。。。 [attach]5219[/attach]
这是骐达的,但这套机械增压不便宜喔,可能是日产改装厂IMPUL专为骐达打造缘故卖得特别贵
我台2.0中小排量装可能要拆冷气,;P 所以还是考虑涡轮0.5BAR.南海有台傲虎打算装机械增压咩 四少,波罗和青蛙不分? [quote]原帖由 [i]阿波萝[/i] 于 2008年7月23日 11:10 发表 [url=http://www.sibalu.com/redirect.php?goto=findpost&pid=23132&ptid=2864][img]http://www.sibalu.com/images/common/back.gif[/img][/url]
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这是骐达的,但这套机械增压不便宜喔,可能是日产改装厂IMPUL专为骐达打造缘故卖得特别贵
我台2.0中小排量装可能要拆冷气,;P 所以还是考虑涡轮0.5BAR.南海有台傲虎打算装机械增压咩 [/quote]
哦？这是多久之前的产品？现在我们装的机械套件体积很小，不需要拆冷气呢。
外挂涡轮的话不如直接上STI引擎，完整度高而且耐玩，费用不差多少。
是啊~南海有傲虎准备安装，车牌忘记了。。。。。。。。。。。。。。。开始以为是青蛙的傲虎。 直接上STI啦波罗反正你那部已经系手波车啦
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