涡轮增压

19世纪末期，随着叶轮式机械的诞生，人们便认识到它与活塞式内燃机的不同。1905年11月瑞士工程师布希（ Alfred Buchi）提出了活塞式内燃机与叶轮式机械相结合的方案即废气涡轮增压器。1925年布希获得“脉冲增压”专利，21世纪仍作为提高内燃机性能的重要手段继续被研究。

20世纪20年代，瑞士某公司首先设计并试制成第一台废气涡轮增压器，和四冲程柴油机匹配。这台增压器增压比为1.3，采用两级离心式压气机，是柴油机发展史上另一个里程碑。1926年，世界上第一家增压器公司在瑞士成立，同年德国生产出第一批涡轮增压柴油机，使柴油机的功率由423 kW提高到551 kW，提高了30%。但其增压比不超过15，使用寿命也比较短。

20世纪40年代，涡轮增压器的技术逐步成熟起来，如美国某公司早期生产低压比的BF、E系列，1949 年开始生产的L、H系列，60 年代生产的C系列，瑞士某公司公司制定的VTR系列，英国某公司制定的MS和HP系列等。这一时期代表性的增压器是法国某公司于1962年在汉诺威展览会上首次展出的HS-400涡轮增压器，增压比达25，涡轮进（最高温度600，最高转速为20000r/min，增压器重145 kg，用于功率294.2~441.3kW马力的柴油机。

从20世纪50年代初到60年代初，船用柴油机增压度从30%提高到了60%，这两者使柴油机功率达到了22065kW。20世纪70年代，涡轮增压器朝着高压比、超高压比的方向发展。如瑞士某公司1978年底完成的VTR4系列将压比提高到了4.0-4.5，总效率达到了64%一65%，而其开发的TPS系列船用增压器，致力于高流通能力和高压比，全负荷时压比达到4.7。在压比升高的同时，增压器的流量范围也进一步扩大。现在，涡轮增压器的压气机在相同的壳体下，在高效率区域内最大流量和最小流量之比可达3.5以上。在研制高压比、流量的增压器同时，涡轮增压器的可靠性、寿命也不断提高，其制造工艺也相应的简化。如一种新的润滑油泵，它能利用离心力的作用分离出润滑油中的杂质，从而提高轴承的寿命。再如某公司的SUPER MET涡轮增压器采用新的进气消音器后使压气机效率提高1.5%~3.5%。

今天，中重型车辆已经普遍选用柴油机作为动力。在西欧，轿车选用柴油机的比例逐年上升，其中柴油机轿车市场占有率已达30%~50%。现代柴油机已是高新技术产品的代表之一，现代柴油机具有节能、低污染的先天优势，能满足日益严格的排放法规要求，这得益于普遍采用了涡轮增压技术。通过采用涡轮增及涡轮增压中冷技术可提高气缸充量容积效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不变，可降低废气烟度、废气温度和发动机的热负荷。在内燃机的发展历程中，涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面发挥了重要的作用，被答为内燃机发展史上的第二个里程碑。

汽油发动机是靠汽油与空气形成的可燃混合气在缸内燃烧做功输出动力的，电喷汽油发动机输出功率和转矩的的大小取决于进入汽缸内的空气量，当发动机的运行性能已处于最佳状态时，要想提高其输出功率只有通过压缩更多的空气进入汽缸来增加可燃混合气量，从而提高燃烧做功能力，提高其输出功率。涡轮增压器即是利用压力推动壳体里的泵轮叶轮旋转从而带动进气增压室涡轮叶轮将空气压进汽缸，从而使提高发动机输出功率的控制装置。

废气涡轮增压器的工作原理如图1所示。发动机排气管1接在涡轮增压器的涡轮壳4上（涡轮室进气口）。当发动机排出的具有一定压力的高温废气经涡轮壳4进入喷嘴环3时，由于此处面积由大到小，因而废气的压力和温度下降，流速迅速提高。高温高速的废气气流冲击涡轮2，使涡轮高速旋转，废气的压力、温度、流速越高，涡轮转速也越高。通过涡轮的废气后排入大气。这时与涡轮2同装在一根转子轴5上的压气机叶轮9也以相同的速度，将经空气滤清器滤清过的空气吸入压气机壳10。高速旋转的压气机叶轮9把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加，并进入形状做成进口小出口大的扩压器8，使气流的速度下降，压力升高。再通过断面由小到大的环形压气机壳10，使空气压力继续升高。最后，高压空气流经中冷器11和发动机进气管6进入汽缸。由于增大了充气效率，使燃油燃烧更加充分，在排量不变的情况下使发动机输出更大的功率。

汽油机涡轮增压系统是由涡轮增压器和中冷器两部分组成，通过涡轮增压器压缩空气，由中冷器对压缩后的空气进行冷却。涡轮增压器由涡轮室和增压器组成。涡轮室的进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在通往进气歧管的进气管路上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴钢性联接。中冷器是涡轮增压系统的一部分。空气被高比例压缩后温度会升高，容积率反而降低。所以，增压后的空气在进入汽缸前要对其进行冷却。原理是在发动机和涡轮增压器之间加装一个散热器（称作中央冷却器，简称中冷器），结构类似于水箱散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，管道外有常温空气高速流过（有的采用循环水冷或冷却风扇），达到降温的目的（可以将压缩空气的温度从150℃降到50℃左右），在提高发动机功率输出的同时，降低了发动机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低了发动机的排气温度、热负荷和 NO_x的排放。

目前主要的涡轮增压技术有混流式涡轮增压技术、可变涡轮增压技术、两级涡轮增压技术、电辅助涡轮增压技术。

涡轮增压（1）混流式涡轮增压技术

混流式涡轮也称斜流式涡轮，是一种介于径流式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式。如图2所示，由于叶片进口倾斜，使得气流能很好地适应叶型的变化而平缓地过渡至轴向，并且可以有效地防止叶轮出口外径增大带来的轮缘处气流脱离现象，使叶轮的内部流场大为改善，与同样轮径的径流式涡轮相比，流通能力增加约40%，可以满足涡轮增压器向高速、大容量变化发展要求。世界各国最新车用增压器产品上，已采用大容量混流式涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器性能。

涡轮增压（2）可变截面涡轮增压技术

涡轮流通部分起作用的共有三处截面，即涡轮进气截面、蜗壳出口环形截面以及叶轮出口截面。其中叶轮出口截面处调节因实现起来较为复杂且易造成较大损失，调节效果不如前两者，故一般不予考虑。基于此可变涡轮增压器有两种结构，即可动舌片增压结构和可变喷嘴增压结构。对于无叶径流式涡轮机，采用可动舌片增压结构。如图3所示，在涡轮进气截面后加摆动舌片，通过舌片的摆动，改变蜗壳的面径比A/R值，对进气量进行调节。在发动机低速时，减小A/R值，提高涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速较高时，增加A/R值，提高进气量，保证发动机的动力输出。可动舌片增压结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大且调节范围有一定限制，增压器总效率低。

对于有叶径流式涡轮机，采用可变喷嘴增压结构。此结构主要适用于在大排量重型车用涡轮增压发动机。如图4所示，涡轮外围的叶片就是可变喷嘴叶片，在发动机低速或怠速时，喷嘴叶片关闭或开度很小，增加进气压力，从而提高发动机的低速转矩和响应性；当发动机转速较高时，喷嘴叶片全开或开度加大，提高进气量，保证发动机的动力输出。但可变喷嘴涡轮增压器仍不能彻底消除涡轮迟滞问题，在设计和制造上难度较大，生产成本高。

涡轮增压（3）二级涡轮增压技术

二级涡轮增压技术，就是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器，实现增压器与发动机在更大工况范围的良好匹配的一种技术。如图5所式该涡轮增压系统由一大一小两个涡轮增压器串联搭配而成。在发动机低速时，只有一个质量小的涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，改善发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。当发动机转速较高时，质量大的涡轮增压器开始介人工作，提高进气量，保证发动机的动力输出。

二级涡轮增压技术在提高发动机动力性和加速性的同时，可以改善涡轮迟滞现象，但与单级系统相比，在部分负荷时采用二级增压系统增压比下降快，使得发动机低负荷性能恶化。此外，二级涡轮增压器结构复杂，制造成本较高。

涡轮增压（4）电辅助涡轮增压技术

如图6所示，电辅助涡轮增压系统主要增加了电动机/发电机、电路控制单元、电池、高功率逆变电源和一些传感器。其中，电控单元和电池可与发动机共用。在发动机低速时，电控单元发出控制信号，电机启动驱动压气机工作，电池中储存的电能转化为压气机的动能，增压进气压力，改善发动机的加速性和低速转矩问题。当发动机转速上升到一定程度，压气机能够提供足够的空气时，电机就可以关闭或脱开。当发动机在高速大负荷工况时，电控单元发出控制信号起动发电机，回收涡轮能量中的一部分，通过发电机转化为电能储存在蓄电池中心。电辅助技术改善了发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题，降低了燃油消耗率，扩大了发动机的高效、经济区域。但由于辅助电机加人使得转动惯量增加，对电机转子结构和增压器轴提出了很高的要求。

涡轮增压（1）增压效果差

主要表现在动力下降，冒黑烟、蓝烟，燃油经济性差，机油消耗量明显过多。其原因有三方面：

①空气滤清器太脏，不能向发动机提供高密度的洁净空气；

②叶轮破损，引起进气量不足；

③进气的灰尘太多，叶轮和增压器壳接缝处有油泥，影响了增压器叶轮转速，造成进气量不足。

涡轮增压（2）增压压力偏低

增压压力偏低是指与正常情况相比（增压压力低于正常值的 90%)）。增压压力偏低，使气缸内充量减少，不但柴油机功率下降，而且会使气缸内燃烧过程恶化，油耗和排气温度升高。

涡轮增压（3）增压器一端或两端漏油

这是比较常见的故障，也是影响增压器使用寿命的主要原因。增压器转速很高，其浮动轴承的润滑全靠来自油底壳的润滑油润滑。以正常压力进入轴承间隙的机油在通过轴承工作面后，机油压力变为零，靠自身重力流回油底壳，不会从增压器两端流出。在正常工作时，增压器两叶轮之间有一定的压力，机油是不会从低压的轴承区流向两端高压区的，而且两叶轮和浮动轴承之间还有密封环，一般情况下不会发生漏油现象，但在下列情况下机油有可能从增压器两端漏出。

①浮动轴承磨损

长期不换机油或空气滤清器失效造成太多沙尘进入增压器，严重磨损浮动轴承，造成轴承间隙过大，油膜不稳定，在高转速下，增压器很快就出现不平衡，转子轴系振动加剧，破坏了两端的密封，造成润滑油泄漏。

②空气滤清器太脏或堵塞

当空气滤清器因灰尘过多或其他原因造成供气不良时，会导致压气机进气负压太高，使压气机一端内压高于外压，机油在压力差的作用下从进气管一端流出。

③回油不畅

当机油从增压器浮动轴承流出后，靠自身重力流回油底壳。但当回油管路发生 变形或堵塞，或当曲轴箱内因废气压力过高造成回油管内有压力时，从浮动轴承流出的机油就不会很畅快地流回油底壳，而沿转子轴从两端密封环流出，造成漏油。

④发动机长时间怠速运转也会造成增压器漏油

当发动机长时间怠速运转时，会在增压器涡 轮及压气机叶轮后产生负压，从而造成从浮动轴承流出的机油在压力差作用下向外泄漏。

涡轮增压（4）增压器喘振

除因增压器与柴油机匹配不当而引起压气机喘振外,，匹配良好的增压器在运行条件变化时，仍可能出现喘振现象，其根本原因是压气机空气流量减少。

涡轮增压（5）排气温度过高

排气温度过高，将影响涡轮寿命，原因是气缸后燃严重，可能是增压压力偏低，气缸内空气不足；或因喷油提前角偏小，喷油器雾化不良，供油量偏大等。

涡轮增压（6）增压器转速过高

增压器转速过高的原因是涡轮进气口处能量相对过高或压气机的负荷相对过小。

涡轮增压（7）增压器异常振动及噪声

增压器产生异常振动和噪声，直接影响增压器的使用寿命。其主要原因有：

①增压器转子轴弯曲变形或叶片变形。

②轴承损坏使叶轮外弧与壳体间隙消失，发生摩擦。

③转子积炭造成动平衡精度下降。

④与增压器连接的管路局部漏气。

涡轮增压器经常处于高速、高温下工作，增压器废气涡轮端的温度在600℃以上，增压器的转速也非常高，达 12000rpm以上。因此为了保证涡轮增压器的正常工作，对它的正确使用和维护十分重要。涡轮增压汽油机在使用中的注意事项主要有以下几点：

（1）发动机起动后，不能立即起步或猛轰油门。一般要怠速运转3分钟，特别是在冬季，至少需要热车5min 以上，以使机油温度升高，流动性能变好，在增压器转子高速运转之前让润滑油充分润滑转子轴承。同时，发动机刚起动后，由于机油温度低、粘度大，如猛轰油门，会使机油压力过高而损坏增压器油封。

（2）发动机热机状态下不能立即熄火（未单独安装增压 器冷却系统的发动机）。涡轮增压器的转子轴承是靠一定压力的机油来润滑和冷却的。热机状态下的发动机如突然熄火，机油压力会迅速降低，则增压器涡轮部分的温度会迅速上升。同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转，这样就会造成涡轮增压器转子轴与轴承“咬死”而损坏轴承和轴。

（3）发动机突然熄火后，排气歧管上的热量会被吸收到涡轮增压器壳体上，将停留在增压器内部的机油熬成积炭，阻塞进油口，导致轴承缺油，加速涡轮转轴与轴承之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转3～5min，使涡轮增压器的温度和转子的转速下降。特别要防止猛踩几脚油门后突然熄火。此外值得注意的是涡轮增压发动机不适宜长时间怠速运转，一般应限制在10min之内，否则会因为机油压力过低造成转子轴承润滑不良而损坏。

（4）严禁采用“加速-熄火-空挡滑行”的操作方法，因发动机在全负荷高温下突然熄火，机油泵停止工作，润滑油不能带走增压器内零件的热量，会导致增压器的损坏。

（5）使用厂家规定牌号机油，并定期更换机油及机滤；增压器的润滑油管线在高温作用下内部机油容易结焦，应定期进行清洗。

（6）定期清洁或更换空气滤清器，防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气机叶轮，造成转速不稳或轴套和密封件加速磨损。

（7）检查涡轮增压器的运转情况。在出车前、收车后，应检查发动机进气管路的连接部分，防止出现松动、脱落情况造成涡轮增压器失效或空气短路直接进入气缸。检查涡轮增压 器是否有漏油、漏气现象；增压器壳体是否有过热、变色、裂纹等现象，如有立即查明原因加以排除或更换。当涡轮增压器出现异响时，决不能继续使用，应找出原因，加以排除。

为解决发动机低速转矩和涡轮迟滞等问题，降低燃油消耗率，减少有害物的排放。涡轮增压技术主要向以下三个方向发展：

涡轮增压（1）可变混流式涡轮增压技术

可变混流式涡轮增压技术综合了可变截面涡轮增压技术和混流式涡轮增压技术。事实证明：使用可变喷嘴涡轮增压器后能够有效的改善发动机低速转矩和涡轮迟滞问题，降低有害物的排放。而混流式涡轮则在高转速、小型化、大容量的发展方向下较径流式涡轮有着较为显著的优点。因此，将可变喷嘴与混流式涡轮结合，设计出可变混流式涡轮增压（VN-MT）成为目前增压器的研究方向之一。

涡轮增压（2）可变二级涡轮增压技术

可变二级增压技术融合了可变截面涡轮增压技术和二级涡轮增压技术，极大拓宽了增压器高效流量范围，在重型柴油机和高性能轿车柴油机上都有良好的应用前景。如图7所示，在发动机低速时，调节阀关闭，所有废气先经高压级涡轮膨胀，再经低压级涡轮膨胀；当发动机在高速大负荷工况时，调节阀打开，部分废气不经高压级涡轮而直接经低压级涡轮膨胀后排出，以降低高压级涡轮功，从而降低高压级压气机压比，使总进气压比不超过设定值。

此外，对于高原柴油机，由于空气密度较低，进气量减少，只采用单级涡轮增压技术不能够满足柴油机动力性要求。可变二级涡轮增压技术可以使发动机在全海拔具有最佳的动力性和燃油经济性。可以认为可变二级增压技术是提高发动机的升功率、低速转矩，满足未来严格排放法规和满足未来高功率密度发动机需求的重要技术。

涡轮增压（3）复合增压技术

复合增压技术同时采用机械增压技术和涡轮增压技术，理论上可以彻底消除涡轮迟滞问题。但由于复合增压器结构复杂，因此长期以来在应用上受到一定的限制，一般只用在二冲程柴油机和一些特殊场合。如图8所示，在发动机低转速时，用机械增压器提供进气，从而消除涡轮介人前由于压缩比不够高造成的功率下降问题；当发动机转速达到一定程度，涡轮完全启动后，机械增压器自动断开，由涡轮增压器提供进气。复合增压型发动机很好地发挥了机械增压技术和涡轮增压技术的优点，在发动机全工况范围，提高发动机的输出功率和输出转矩，彻底消除涡轮迟滞问题，它代表着未来涡轮增压技术的发展方向。