渦輪增壓

19世紀(jì)末期，隨著葉輪式機械的誕生，人們便認(rèn)識到它與活塞式內(nèi)燃機的不同。1905年11月瑞士工程師布希（ Alfred Buchi）提出了活塞式內(nèi)燃機與葉輪式機械相結(jié)合的方案即廢氣渦輪增壓器。1925年布希獲得“脈沖增壓”專利，21世紀(jì)仍作為提高內(nèi)燃機性能的重要手段繼續(xù)被研究。

20世紀(jì)20年代，瑞士某公司首先設(shè)計并試制成第一臺廢氣渦輪增壓器，和四沖程柴油機匹配。這臺增壓器增壓比為1.3，采用兩級離心式壓氣機，是柴油機發(fā)展史上另一個里程碑。1926年，世界上第一家增壓器公司在瑞士成立，同年德國生產(chǎn)出第一批渦輪增壓柴油機，使柴油機的功率由423 kW提高到551 kW，提高了30%。但其增壓比不超過15，使用壽命也比較短。

20世紀(jì)40年代，渦輪增壓器的技術(shù)逐步成熟起來，如美國某公司早期生產(chǎn)低壓比的BF、E系列，1949 年開始生產(chǎn)的L、H系列，60 年代生產(chǎn)的C系列，瑞士某公司公司制定的VTR系列，英國某公司制定的MS和HP系列等。這一時期代表性的增壓器是法國某公司于1962年在漢諾威展覽會上首次展出的HS-400渦輪增壓器，增壓比達25，渦輪進（最高溫度600，最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，增壓器重145 kg，用于功率294.2~441.3kW馬力的柴油機。

從20世紀(jì)50年代初到60年代初，船用柴油機增壓度從30%提高到了60%，這兩者使柴油機功率達到了22065kW。20世紀(jì)70年代，渦輪增壓器朝著高壓比、超高壓比的方向發(fā)展。如瑞士某公司1978年底完成的VTR4系列將壓比提高到了4.0-4.5，總效率達到了64%一65%，而其開發(fā)的TPS系列船用增壓器，致力于高流通能力和高壓比，全負(fù)荷時壓比達到4.7。在壓比升高的同時，增壓器的流量范圍也進一步擴大。現(xiàn)在，渦輪增壓器的壓氣機在相同的殼體下，在高效率區(qū)域內(nèi)最大流量和最小流量之比可達3.5以上。在研制高壓比、流量的增壓器同時，渦輪增壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其制造工藝也相應(yīng)的簡化。如一種新的潤滑油泵，它能利用離心力的作用分離出潤滑油中的雜質(zhì)，從而提高軸承的壽命。再如某公司的SUPER MET渦輪增壓器采用新的進氣消音器后使壓氣機效率提高1.5%~3.5%。

今天，中重型車輛已經(jīng)普遍選用柴油機作為動力。在西歐，轎車選用柴油機的比例逐年上升，其中柴油機轎車市場占有率已達30%~50%?，F(xiàn)代柴油機已是高新技術(shù)產(chǎn)品的代表之一，現(xiàn)代柴油機具有節(jié)能、低污染的先天優(yōu)勢，能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，這得益于普遍采用了渦輪增壓技術(shù)。通過采用渦輪增及渦輪增壓中冷技術(shù)可提高氣缸充量容積效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不變，可降低廢氣煙度、廢氣溫度和發(fā)動機的熱負(fù)荷。在內(nèi)燃機的發(fā)展歷程中，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用在提高內(nèi)燃機的比功率和燃油經(jīng)濟性、降低排放等方面發(fā)揮了重要的作用，被答為內(nèi)燃機發(fā)展史上的第二個里程碑。

汽油發(fā)動機是靠汽油與空氣形成的可燃混合氣在缸內(nèi)燃燒做功輸出動力的，電噴汽油發(fā)動機輸出功率和轉(zhuǎn)矩的的大小取決于進入汽缸內(nèi)的空氣量，當(dāng)發(fā)動機的運行性能已處于最佳狀態(tài)時，要想提高其輸出功率只有通過壓縮更多的空氣進入汽缸來增加可燃混合氣量，從而提高燃燒做功能力，提高其輸出功率。渦輪增壓器即是利用壓力推動殼體里的泵輪葉輪旋轉(zhuǎn)從而帶動進氣增壓室渦輪葉輪將空氣壓進汽缸，從而使提高發(fā)動機輸出功率的控制裝置。

廢氣渦輪增壓器的工作原理如圖1所示。發(fā)動機排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上（渦輪室進氣口）。當(dāng)發(fā)動機排出的具有一定壓力的高溫廢氣經(jīng)渦輪殼4進入噴嘴環(huán)3時，由于此處面積由大到小，因而廢氣的壓力和溫度下降，流速迅速提高。高溫高速的廢氣氣流沖擊渦輪2，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣的壓力、溫度、流速越高，渦輪轉(zhuǎn)速也越高。通過渦輪的廢氣后排入大氣。這時與渦輪2同裝在一根轉(zhuǎn)子軸5上的壓氣機葉輪9也以相同的速度，將經(jīng)空氣濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機殼10。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進入形狀做成進口小出口大的擴壓器8，使氣流的速度下降，壓力升高。再通過斷面由小到大的環(huán)形壓氣機殼10，使空氣壓力繼續(xù)升高。最后，高壓空氣流經(jīng)中冷器11和發(fā)動機進氣管6進入汽缸。由于增大了充氣效率，使燃油燃燒更加充分，在排量不變的情況下使發(fā)動機輸出更大的功率。

汽油機渦輪增壓系統(tǒng)是由渦輪增壓器和中冷器兩部分組成，通過渦輪增壓器壓縮空氣，由中冷器對壓縮后的空氣進行冷卻。渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在通往進氣歧管的進氣管路上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸鋼性聯(lián)接。中冷器是渦輪增壓系統(tǒng)的一部分。空氣被高比例壓縮后溫度會升高，容積率反而降低。所以，增壓后的空氣在進入汽缸前要對其進行冷卻。原理是在發(fā)動機和渦輪增壓器之間加裝一個散熱器（稱作中央冷卻器，簡稱中冷器），結(jié)構(gòu)類似于水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細(xì)小的管道里，管道外有常溫空氣高速流過（有的采用循環(huán)水冷或冷卻風(fēng)扇），達到降溫的目的（可以將壓縮空氣的溫度從150℃降到50℃左右），在提高發(fā)動機功率輸出的同時，降低了發(fā)動機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度，從而降低了發(fā)動機的排氣溫度、熱負(fù)荷和 NO_x的排放。

目前主要的渦輪增壓技術(shù)有混流式渦輪增壓技術(shù)、可變渦輪增壓技術(shù)、兩級渦輪增壓技術(shù)、電輔助渦輪增壓技術(shù)。

渦輪增壓（1）混流式渦輪增壓技術(shù)

混流式渦輪也稱斜流式渦輪，是一種介于徑流式渦輪和軸流式渦輪的一種中間形式。如圖2所示，由于葉片進口傾斜，使得氣流能很好地適應(yīng)葉型的變化而平緩地過渡至軸向，并且可以有效地防止葉輪出口外徑增大帶來的輪緣處氣流脫離現(xiàn)象，使葉輪的內(nèi)部流場大為改善，與同樣輪徑的徑流式渦輪相比，流通能力增加約40%，可以滿足渦輪增壓器向高速、大容量變化發(fā)展要求。世界各國最新車用增壓器產(chǎn)品上，已采用大容量混流式渦輪和寬流量范圍的前傾后彎壓氣機來獲得高效率的增壓器性能。

渦輪增壓（2）可變截面渦輪增壓技術(shù)

渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進氣截面、蝸殼出口環(huán)形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調(diào)節(jié)因?qū)崿F(xiàn)起來較為復(fù)雜且易造成較大損失，調(diào)節(jié)效果不如前兩者，故一般不予考慮?；诖丝勺儨u輪增壓器有兩種結(jié)構(gòu)，即可動舌片增壓結(jié)構(gòu)和可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。對于無葉徑流式渦輪機，采用可動舌片增壓結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在渦輪進氣截面后加擺動舌片，通過舌片的擺動，改變蝸殼的面徑比A/R值，對進氣量進行調(diào)節(jié)。在發(fā)動機低速時，減小A/R值，提高渦輪轉(zhuǎn)速，增加進氣壓力；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，增加A/R值，提高進氣量，保證發(fā)動機的動力輸出?？蓜由嗥鰤航Y(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，易實現(xiàn)自動控制，但由于流動損失較大且調(diào)節(jié)范圍有一定限制，增壓器總效率低。

對于有葉徑流式渦輪機，采用可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要適用于在大排量重型車用渦輪增壓發(fā)動機。如圖4所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發(fā)動機低速或怠速時，噴嘴葉片關(guān)閉或開度很小，增加進氣壓力，從而提高發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩和響應(yīng)性；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，噴嘴葉片全開或開度加大，提高進氣量，保證發(fā)動機的動力輸出。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問題，在設(shè)計和制造上難度較大，生產(chǎn)成本高。

渦輪增壓（3）二級渦輪增壓技術(shù)

二級渦輪增壓技術(shù)，就是在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中采用兩個相互獨立的渦輪增壓器，實現(xiàn)增壓器與發(fā)動機在更大工況范圍的良好匹配的一種技術(shù)。如圖5所式該渦輪增壓系統(tǒng)由一大一小兩個渦輪增壓器串聯(lián)搭配而成。在發(fā)動機低速時，只有一個質(zhì)量小的渦輪增壓器工作，這時較少的排氣即可驅(qū)動這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進氣壓力，改善發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，質(zhì)量大的渦輪增壓器開始介人工作，提高進氣量，保證發(fā)動機的動力輸出。

二級渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動機動力性和加速性的同時，可以改善渦輪遲滯現(xiàn)象，但與單級系統(tǒng)相比，在部分負(fù)荷時采用二級增壓系統(tǒng)增壓比下降快，使得發(fā)動機低負(fù)荷性能惡化。此外，二級渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。

渦輪增壓（4）電輔助渦輪增壓技術(shù)

如圖6所示，電輔助渦輪增壓系統(tǒng)主要增加了電動機/發(fā)電機、電路控制單元、電池、高功率逆變電源和一些傳感器。其中，電控單元和電池可與發(fā)動機共用。在發(fā)動機低速時，電控單元發(fā)出控制信號，電機啟動驅(qū)動壓氣機工作，電池中儲存的電能轉(zhuǎn)化為壓氣機的動能，增壓進氣壓力，改善發(fā)動機的加速性和低速轉(zhuǎn)矩問題。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升到一定程度，壓氣機能夠提供足夠的空氣時，電機就可以關(guān)閉或脫開。當(dāng)發(fā)動機在高速大負(fù)荷工況時，電控單元發(fā)出控制信號起動發(fā)電機，回收渦輪能量中的一部分，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中心。電輔助技術(shù)改善了發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題，降低了燃油消耗率，擴大了發(fā)動機的高效、經(jīng)濟區(qū)域。但由于輔助電機加人使得轉(zhuǎn)動慣量增加，對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和增壓器軸提出了很高的要求。

渦輪增壓（1）增壓效果差

主要表現(xiàn)在動力下降，冒黑煙、藍煙，燃油經(jīng)濟性差，機油消耗量明顯過多。其原因有三方面：

①空氣濾清器太臟，不能向發(fā)動機提供高密度的潔凈空氣；

②葉輪破損，引起進氣量不足；

③進氣的灰塵太多，葉輪和增壓器殼接縫處有油泥，影響了增壓器葉輪轉(zhuǎn)速，造成進氣量不足。

渦輪增壓（2）增壓壓力偏低

增壓壓力偏低是指與正常情況相比（增壓壓力低于正常值的 90%)）。增壓壓力偏低，使氣缸內(nèi)充量減少，不但柴油機功率下降，而且會使氣缸內(nèi)燃燒過程惡化，油耗和排氣溫度升高。

渦輪增壓（3）增壓器一端或兩端漏油

這是比較常見的故障，也是影響增壓器使用壽命的主要原因。增壓器轉(zhuǎn)速很高，其浮動軸承的潤滑全靠來自油底殼的潤滑油潤滑。以正常壓力進入軸承間隙的機油在通過軸承工作面后，機油壓力變?yōu)榱?，靠自身重力流回油底殼，不會從增壓器兩端流出。在正常工作時，增壓器兩葉輪之間有一定的壓力，機油是不會從低壓的軸承區(qū)流向兩端高壓區(qū)的，而且兩葉輪和浮動軸承之間還有密封環(huán)，一般情況下不會發(fā)生漏油現(xiàn)象，但在下列情況下機油有可能從增壓器兩端漏出。

①浮動軸承磨損

長期不換機油或空氣濾清器失效造成太多沙塵進入增壓器，嚴(yán)重磨損浮動軸承，造成軸承間隙過大，油膜不穩(wěn)定，在高轉(zhuǎn)速下，增壓器很快就出現(xiàn)不平衡，轉(zhuǎn)子軸系振動加劇，破壞了兩端的密封，造成潤滑油泄漏。

②空氣濾清器太臟或堵塞

當(dāng)空氣濾清器因灰塵過多或其他原因造成供氣不良時，會導(dǎo)致壓氣機進氣負(fù)壓太高，使壓氣機一端內(nèi)壓高于外壓，機油在壓力差的作用下從進氣管一端流出。

③回油不暢

當(dāng)機油從增壓器浮動軸承流出后，靠自身重力流回油底殼。但當(dāng)回油管路發(fā)生 變形或堵塞，或當(dāng)曲軸箱內(nèi)因廢氣壓力過高造成回油管內(nèi)有壓力時，從浮動軸承流出的機油就不會很暢快地流回油底殼，而沿轉(zhuǎn)子軸從兩端密封環(huán)流出，造成漏油。

④發(fā)動機長時間怠速運轉(zhuǎn)也會造成增壓器漏油

當(dāng)發(fā)動機長時間怠速運轉(zhuǎn)時，會在增壓器渦 輪及壓氣機葉輪后產(chǎn)生負(fù)壓，從而造成從浮動軸承流出的機油在壓力差作用下向外泄漏。

渦輪增壓（4）增壓器喘振

除因增壓器與柴油機匹配不當(dāng)而引起壓氣機喘振外,，匹配良好的增壓器在運行條件變化時，仍可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，其根本原因是壓氣機空氣流量減少。

渦輪增壓（5）排氣溫度過高

排氣溫度過高，將影響渦輪壽命，原因是氣缸后燃嚴(yán)重，可能是增壓壓力偏低，氣缸內(nèi)空氣不足；或因噴油提前角偏小，噴油器霧化不良，供油量偏大等。

渦輪增壓（6）增壓器轉(zhuǎn)速過高

增壓器轉(zhuǎn)速過高的原因是渦輪進氣口處能量相對過高或壓氣機的負(fù)荷相對過小。

渦輪增壓（7）增壓器異常振動及噪聲

增壓器產(chǎn)生異常振動和噪聲，直接影響增壓器的使用壽命。其主要原因有：

①增壓器轉(zhuǎn)子軸彎曲變形或葉片變形。

②軸承損壞使葉輪外弧與殼體間隙消失，發(fā)生摩擦。

③轉(zhuǎn)子積炭造成動平衡精度下降。

④與增壓器連接的管路局部漏氣。

渦輪增壓器經(jīng)常處于高速、高溫下工作，增壓器廢氣渦輪端的溫度在600℃以上，增壓器的轉(zhuǎn)速也非常高，達 12000rpm以上。因此為了保證渦輪增壓器的正常工作，對它的正確使用和維護十分重要。渦輪增壓汽油機在使用中的注意事項主要有以下幾點：

（1）發(fā)動機起動后，不能立即起步或猛轟油門。一般要怠速運轉(zhuǎn)3分鐘，特別是在冬季，至少需要熱車5min 以上，以使機油溫度升高，流動性能變好，在增壓器轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)之前讓潤滑油充分潤滑轉(zhuǎn)子軸承。同時，發(fā)動機剛起動后，由于機油溫度低、粘度大，如猛轟油門，會使機油壓力過高而損壞增壓器油封。

（2）發(fā)動機熱機狀態(tài)下不能立即熄火（未單獨安裝增壓 器冷卻系統(tǒng)的發(fā)動機）。渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子軸承是靠一定壓力的機油來潤滑和冷卻的。熱機狀態(tài)下的發(fā)動機如突然熄火，機油壓力會迅速降低，則增壓器渦輪部分的溫度會迅速上升。同時增壓器轉(zhuǎn)子仍在慣性作用下高速旋轉(zhuǎn)，這樣就會造成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸與軸承“咬死”而損壞軸承和軸。

（3）發(fā)動機突然熄火后，排氣歧管上的熱量會被吸收到渦輪增壓器殼體上，將停留在增壓器內(nèi)部的機油熬成積炭，阻塞進油口，導(dǎo)致軸承缺油，加速渦輪轉(zhuǎn)軸與軸承之間的磨損。因此發(fā)動機熄火前應(yīng)怠速運轉(zhuǎn)3～5min，使渦輪增壓器的溫度和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速下降。特別要防止猛踩幾腳油門后突然熄火。此外值得注意的是渦輪增壓發(fā)動機不適宜長時間怠速運轉(zhuǎn)，一般應(yīng)限制在10min之內(nèi)，否則會因為機油壓力過低造成轉(zhuǎn)子軸承潤滑不良而損壞。

（4）嚴(yán)禁采用“加速-熄火-空擋滑行”的操作方法，因發(fā)動機在全負(fù)荷高溫下突然熄火，機油泵停止工作，潤滑油不能帶走增壓器內(nèi)零件的熱量，會導(dǎo)致增壓器的損壞。

（5）使用廠家規(guī)定牌號機油，并定期更換機油及機濾；增壓器的潤滑油管線在高溫作用下內(nèi)部機油容易結(jié)焦，應(yīng)定期進行清洗。

（6）定期清潔或更換空氣濾清器，防止灰塵等雜質(zhì)進入高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機葉輪，造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或軸套和密封件加速磨損。

（7）檢查渦輪增壓器的運轉(zhuǎn)情況。在出車前、收車后，應(yīng)檢查發(fā)動機進氣管路的連接部分，防止出現(xiàn)松動、脫落情況造成渦輪增壓器失效或空氣短路直接進入氣缸。檢查渦輪增壓 器是否有漏油、漏氣現(xiàn)象；增壓器殼體是否有過熱、變色、裂紋等現(xiàn)象，如有立即查明原因加以排除或更換。當(dāng)渦輪增壓器出現(xiàn)異響時，決不能繼續(xù)使用，應(yīng)找出原因，加以排除。

為解決發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯等問題，降低燃油消耗率，減少有害物的排放。渦輪增壓技術(shù)主要向以下三個方向發(fā)展：

渦輪增壓（1）可變混流式渦輪增壓技術(shù)

可變混流式渦輪增壓技術(shù)綜合了可變截面渦輪增壓技術(shù)和混流式渦輪增壓技術(shù)。事實證明：使用可變噴嘴渦輪增壓器后能夠有效的改善發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題，降低有害物的排放。而混流式渦輪則在高轉(zhuǎn)速、小型化、大容量的發(fā)展方向下較徑流式渦輪有著較為顯著的優(yōu)點。因此，將可變噴嘴與混流式渦輪結(jié)合，設(shè)計出可變混流式渦輪增壓（VN-MT）成為目前增壓器的研究方向之一。

渦輪增壓（2）可變二級渦輪增壓技術(shù)

可變二級增壓技術(shù)融合了可變截面渦輪增壓技術(shù)和二級渦輪增壓技術(shù)，極大拓寬了增壓器高效流量范圍，在重型柴油機和高性能轎車柴油機上都有良好的應(yīng)用前景。如圖7所示，在發(fā)動機低速時，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，所有廢氣先經(jīng)高壓級渦輪膨脹，再經(jīng)低壓級渦輪膨脹；當(dāng)發(fā)動機在高速大負(fù)荷工況時，調(diào)節(jié)閥打開，部分廢氣不經(jīng)高壓級渦輪而直接經(jīng)低壓級渦輪膨脹后排出，以降低高壓級渦輪功，從而降低高壓級壓氣機壓比，使總進氣壓比不超過設(shè)定值。

此外，對于高原柴油機，由于空氣密度較低，進氣量減少，只采用單級渦輪增壓技術(shù)不能夠滿足柴油機動力性要求?？勺兌墱u輪增壓技術(shù)可以使發(fā)動機在全海拔具有最佳的動力性和燃油經(jīng)濟性?？梢哉J(rèn)為可變二級增壓技術(shù)是提高發(fā)動機的升功率、低速轉(zhuǎn)矩，滿足未來嚴(yán)格排放法規(guī)和滿足未來高功率密度發(fā)動機需求的重要技術(shù)。

渦輪增壓（3）復(fù)合增壓技術(shù)

復(fù)合增壓技術(shù)同時采用機械增壓技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)，理論上可以徹底消除渦輪遲滯問題。但由于復(fù)合增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此長期以來在應(yīng)用上受到一定的限制，一般只用在二沖程柴油機和一些特殊場合。如圖8所示，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，用機械增壓器提供進氣，從而消除渦輪介人前由于壓縮比不夠高造成的功率下降問題；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到一定程度，渦輪完全啟動后，機械增壓器自動斷開，由渦輪增壓器提供進氣。復(fù)合增壓型發(fā)動機很好地發(fā)揮了機械增壓技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)的優(yōu)點，在發(fā)動機全工況范圍，提高發(fā)動機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，徹底消除渦輪遲滯問題，它代表著未來渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展方向。