高壓渦輪增壓器

《機(jī)械工程名詞 第四分冊》第一版。 2100433B

用來把低壓渦輪增壓器輸出的空氣壓縮至最終的增壓壓力的二級渦輪增壓系統(tǒng)中的第二級增壓器。

渦輪增壓器結(jié)構(gòu)原理

首先說說渦輪增壓器的大概結(jié)構(gòu)原理，廢氣渦輪增壓器主要由泵輪和渦輪組成，當(dāng)然還有其他一些控制元件。泵輪和渦輪由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動泵輪，泵輪帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，由機(jī)油來進(jìn)行潤滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。以前，渦輪增壓器大都用在柴油發(fā)動機(jī)上，因為汽油和柴油的燃燒方式不一樣，因此發(fā)動機(jī)采用渦輪增壓器的形式也有所區(qū)別。 汽油發(fā)動機(jī)不同于柴油發(fā)動機(jī)，它進(jìn)入氣缸的不是空氣，而是汽油與空氣的混合氣，壓力過大容易爆燃。因此，安裝渦輪增壓器必須要避免爆燃，這里涉及兩個相關(guān)問題，一個是高溫控制，另一個是點火時間控制。

強(qiáng)制性增壓后，汽油機(jī)壓縮和燃燒時的溫度和壓力都會增加，爆燃傾向增加。另外，汽油機(jī)排氣溫度比柴油機(jī)高，而且不宜采用增大氣門重疊角（進(jìn)、氣排門同時開啟的時間）方式來加強(qiáng)排氣的降溫，降低壓縮比又會造成燃燒不充分。還有，汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)高，空氣流量變化大，很容易造成渦輪增壓器反應(yīng)滯后。針對汽油機(jī)使用渦輪增壓器出現(xiàn)的一系列問題，工程師有針對性地一一做了改進(jìn)，使汽油機(jī)也能用上廢氣渦輪增壓器。

渦輪增壓器中冷器

溫度增高，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝置降低進(jìn)氣溫度的設(shè)備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進(jìn)氣管之間，對進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風(fēng)冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過冷卻而逸散到大氣中去。據(jù)測試，性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動機(jī)壓縮比能保持一定值而不會產(chǎn)生爆燃，同時降低溫度也可提高進(jìn)氣壓力，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的有效功率。

渦輪增壓器葉輪

由于汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬，空氣流量變化大，因此渦輪增壓器的壓縮葉輪外形是復(fù)雜的三元曲面超薄壁葉輪片，一般有12～30片葉，呈放射線狀曲線排列，葉片厚度在0.5毫米以下，采用鋁材用特殊鑄造法制作。葉片形狀的優(yōu)劣直接影響到到渦輪增壓發(fā)動機(jī)的性能。葉輪形狀角度越合理，質(zhì)量越輕，葉輪的啟動就越靈敏，渦輪增壓器的天生缺陷“反應(yīng)滯后”也就越小。

渦輪增壓器爆燃傳感器

除了降低溫度來減少爆燃的可能外，還要采用爆燃傳感器，它的作用就是在產(chǎn)生爆燃之時，傳感器感到不正常的振動會立即將信息反饋至發(fā)動機(jī)ECU（電子控制單元）控制系統(tǒng)，將點火定時稍推遲一點，不產(chǎn)生爆燃的時候再恢復(fù)正常點火定時。

渦輪增壓器其他

由于轎車汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)高，空氣流速快而且變化范圍大，因此它的渦輪增壓器有更高的要求?，F(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)已普遍采用電子噴射系統(tǒng)，在電子控制技術(shù)及新材料的配合下，渦輪增壓器在汽油機(jī)上的應(yīng)用也會日益普遍。

轎車用的廢氣渦輪增壓器都采用單入口渦輪外殼，也就是說只利用廢氣排氣的壓力能量，不需使用其它的輔助能量。由于轎車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍大，因此廢氣渦輪增壓器必須要有調(diào)節(jié)裝置，以使發(fā)動機(jī)能在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得比較恒定的增壓壓力。另外，汽油機(jī)是點燃式點火，它的壓縮比是有一定范圍限制的，過高就會引發(fā)爆燃。因此，還要有爆燃檢測及控制機(jī)構(gòu)，隨時調(diào)整點火提前角。

轎車的廢氣渦輪增壓器一般安裝在排氣管附近，渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接，同步旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)不需要增壓時，例如怠速或者有爆燃先兆時，一部分排氣會通過旁通閥泄出而不進(jìn)入渦輪增壓器。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘達(dá)到2000轉(zhuǎn)時，電磁閥就會關(guān)閉旁通閥讓排氣流指向渦輪一側(cè)，使渦輪轉(zhuǎn)動。另外還有一種設(shè)計，就是調(diào)節(jié)渦輪葉片的角度，通過阻力的改變來調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速，從而改變增壓量。

對空氣進(jìn)行冷卻可以使空氣收縮增大密度，在同等容積下塞進(jìn)更多空氣，還可以防止爆燃。因此轎車的渦輪增壓器都安裝有中間冷卻器，這種中間冷卻器一般用空氣冷卻，安裝在發(fā)動機(jī)散熱器前面、旁邊或者單獨一個位置，利用汽車迎面氣流或者自身風(fēng)扇冷卻。

渦輪增壓器的關(guān)鍵零件是軸承。這種根據(jù)潤滑形式命名的軸承被稱為“全浮式軸承”，工作轉(zhuǎn)速極高，工作環(huán)境惡劣。因此，保證潤滑是非常重要的事情。如果因油壓低導(dǎo)致機(jī)油供給緩慢，就會損壞軸承從而導(dǎo)致渦輪增壓器失效。在正常的發(fā)動機(jī)啟動是不會發(fā)生此類故障的，但如果發(fā)動機(jī)更換機(jī)油和機(jī)油過濾器后第一次啟動，就會產(chǎn)生機(jī)油供給緩慢現(xiàn)象，使軸承缺乏機(jī)油潤滑。在這種情況下，啟動后要怠速運轉(zhuǎn)3分鐘左右，不可直接將轉(zhuǎn)速提升到渦輪增壓器啟動轉(zhuǎn)速。同樣，在高速及上坡后也不要使發(fā)動機(jī)立即停止，要使發(fā)動機(jī)繼續(xù)怠速運行1分鐘左右，使仍繼續(xù)空轉(zhuǎn)的渦輪增壓器軸承不會缺油。因此，使用渦輪增壓器汽車的司機(jī)，一定要遵循廠家的指示操作，還要十分注意機(jī)油的質(zhì)量，不宜將渦輪增壓器汽車視同一般汽車進(jìn)行操作。

渦輪增壓器的缺點是滯后，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應(yīng)遲緩，使發(fā)動機(jī)延遲增加或減少輸出功率，這對于要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。

渦輪增壓器有五個主要優(yōu)點：

1、提高發(fā)動機(jī)升功率。在發(fā)動機(jī)排量不變的情況下可以通過增加進(jìn)氣密度，讓發(fā)動機(jī)可以多噴油，從而提高發(fā)動機(jī)的功率，加裝增壓器后的發(fā)動機(jī)的功率及扭矩要增大20%~30%。反之在同樣的功率輸出的要求下可以降低發(fā)動機(jī)的缸徑，縮小發(fā)動機(jī)的體積和重量。

2、改善發(fā)動機(jī)的排放。渦輪增壓器發(fā)動機(jī)通過改善發(fā)動機(jī)的燃燒效率，減少發(fā)動機(jī)廢氣中顆粒物和氮氧化物等有害成分的排量。是柴油發(fā)動機(jī)達(dá)到歐二以上排放標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的配置。

3、提供高原補(bǔ)償?shù)墓δ堋２糠指吆０蔚貐^(qū)，海拔越高，空氣越稀薄，帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)就可以克服因高原空氣稀薄導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)的功率下降。

4、提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低油耗。由于帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)燃燒性能更好，可以節(jié)省燃油3%-5%。

5、具有很高的可靠性和良好的匹配特性，高瞬態(tài)響應(yīng)特性。