细说涡轮增压器工作的原理

涡轮增压器

涡轮增压器本体是涡轮增压系统中最重要的部件，也就是我们一般所说的“蜗牛”或“螺仔”。因涡轮的外形与蜗牛背上的壳或海产摊内的海螺十分近似而得名。

涡轮增压器本体是提高容积效率的核心部件，其基本结构分为：进气端、排气端和中间的连接部分。

其中进气端包括压气机壳体(Compressor Housing，包括压气机进风口(Compressor Inlet)、压气机出风口(Compressor Discharge)、压气机叶轮(Compressor Wheel)。

而排气端包括涡轮壳体(Turbine Housing， 其中包括涡轮进风口(Turbine Inlet)、涡轮出风口(TurbineDischarge)、涡轮叶轮(Turbine Wheel)。

在两个壳体间负责连接两者的，还有一个轴承室(CenterHousing)，安装有负责连接并承托起压气机叶轮、涡轮叶轮，应付上万转速的涡轮轴(Shaft)，以及与之对应的机油入口(Oil Inlet)、机油出口(OilOutlet)等(甚至包括水入口和出口)。

“高温”是涡轮增压器运作时面临的最大考验。涡轮运转时，首先接触的便是由引擎排出的高温废气(第一热源)，其推动涡轮叶轮并带动了另一侧的压气机叶轮同步运转。整个叶片轮轴的转速动辄120000-160000rpm。所以涡轮轴高速转动所产生的热量非常惊人(第二热源)，再加上空气经压气机叶轮压缩后所提高的温度(第三热源)，这三者成为涡轮增压器最最严峻的高温负担。涡轮增压器成为一个集高温原件于一体的独立工作系统。所以“散热”对于涡轮增压器非常重要。涡轮本体内部有专门的机油道(散热及润滑)，有不少更同时设计有机油道以及水道，通过油冷及水冷双重散热，降低增压器温度。

涡轮轴

涡轮轴(Bearing)看起来只是简单的一根金属管，但实际上它是一个肩负120000-160000rpm 转动及超高温的精密零件。其精细的加工工差、精深的材料运用和处理正是所有涡轮厂最为核心的技术。传统的涡轮轴使用波司轴承(Bushing Bearing)结构。它确实只是一根金属管，其完全倚仗高压进入轴承室的机油实现承托散热，因此才能高速地转动。

而新近出现的滚珠轴承(Ball Bearing)逐渐成为涡轮轴发展的趋势。顾名思义，滚珠轴承就是在涡轮轴上安装滚珠，取代机油成为轴承。滚珠轴承有众多好处：摩擦力更小，因此将有更好的涡轮响应(可减少涡轮迟滞)，并对动力的极限榨取更有利;它对涡轮轴的转动动态控制更稳定(传统的是靠机油做轴承，行程漂浮);对机油压力和品质的要求相对可以降低，间接提高了涡轮的使用寿命。但其缺点是耐用性不如传统的波司轴承，大约7 万-8 万公里就到寿命极限，且不易维修、维修费昂贵。因此重视耐久性的涡轮制造厂( 如KKK) 就不会推出此型式涡轮。

涡轮叶轮

涡轮叶轮的叶片型式，可分为“水车式” 叶片(外形是直片设计，让废气冲撞而产生回旋力量，直接与回转运动结合)，及“风车式”叶片(外形为弯曲型叶片设计，除了利用冲撞的力量以外，还能有效利用气流进入叶片与叶片之间，获取废气膨胀能量)。涡轮叶轮的轮径及叶片数会影响马力线性，理论上来说，叶片数愈少，低速响应较差，但高速时的爆发力与持续力却不是多叶片可比拟的。

涡轮叶轮的叶片大多以耐高热的钢铁制造(有的使用陶瓷技术)，但由于铁本身的质量较大，于是又轻又强的钛合金叶片因此产生。只是在量产车中，现在只有三菱LancerEVO Ⅸ RS 车型有搭载钛合金叶片涡轮(EVO 的钛合金涡轮型号为TD05-HRA，一般的则为TD05-HR 请读者明鉴)。而改装品中，也只有Garrett 出品的赛车专用涡轮使用钛合金，除此以外暂没听说。

压气机叶轮

叶片是涡轮的动力来源。但压气机叶轮及涡轮叶轮各有不同的功用，因此叶片外形当然也不一样。压气机叶轮基本上是把如何将空气有效率地推挤入压缩信道视为首要任务，然后再加以决定其形状。

一般原厂涡轮的压气机叶轮(Compressor Wheel) 都使用全叶片的设计，即叶片是整片从顶端到末端的设计。而为了增加吸入空气的通路面积，提升高速回转时的效率，目前已出现了许多在全叶片旁穿插安装半块叶片的叶轮(此种设计多出现在改装品上)。

而压气机叶轮设计的另一个目的是让压缩空气的流速均等化。传统的叶轮为“放射型压缩轮”，其两叶片之间的气体流速变化很快：位于叶轮运转方向前方的空气，被叶片挤压，故流速很快。但叶片后方的空气则因为吸入阻力及回压力等因素，流速较慢。当节气门半开时，压气机叶轮转速下降，进入压缩轮的空气速度就会降低。而之前已被压缩的空气量如果此时相对过多，便会出现“真空”的状态，无法输送空气(压气机叶轮转速无法产生大于进气管中气压的压力)，相对压力也就无法产生了(压力回馈)，这也就是所谓的“气体剥离” (Compressor Surge) 现象。

所谓的Surge 效应，就好比我们用手去搅动水桶里的水，当手搅动的速度愈快，水桶里的水就会愈来愈向水桶边缘扩散，接着水桶里的水位也就会愈来愈低，到最后水桶里的水则变成只能在水桶周围旋转，而无法落下。这样的现象也会发生在空气流体力学上。大家可以试想：压气机进风口就好比是一个水桶，周围空气就像是水，至于涡轮叶片就好比是搅动的手，当涡轮叶片转速一旦提升，进气口内的气流就会逐渐向周围扩散，转速提升愈高，气流就愈向周围靠近，导致涡轮叶片中央位置会愈来愈吸不到空气，到最后甚至会呈现真空的状态，使得空气只能从叶片周围进入，进气效率当然也就会跟着下降，这样的现象就是所谓的Surge 效应。而迎风角度大的叶片，进气效率虽较好，但却容易在高转速时发生Surge 效应，而角度较小的叶片则反之。

为了防止“气体剥离”现象，把叶片角度设计成向运转方向缩小(与涡轮轴线方向更接近)，以维持流速均一化的“反向”压缩轮渐渐成为改装品的主流，而这也就是改装界所谓的“斜流”叶片。“斜流”叶片通常都在原有的主叶片下，多加半个叶片(一般其角度更接近涡轮轴线方向，即更竖直)。若从进气入口正视压气机叶轮，可看到两个叶片重叠，就代表这是“斜流” 叶轮。而Hybrid Turbine 的压气机叶轮通常亦会使用“斜流”叶片( 后方并加以切平) 搭配漏斗式的加大吸气口来增加出风量。此外，还有压气机进风口处加设循环排气孔，让流失的压缩空气2次循环来减少surge效应的新设计(此处不赘述，HKS T04Z 便有此设计)。