涡轮增压系统的工作原理和优势

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：对此的详细内容将在7.3一节中进行说明，在此部分简要对涡轮增压系统的结构和特征进行说明。涡轮增压器通过润滑油或冷却液等进行冷却。中型、大型发动机主要使用涡轮为轴流式、压缩器为半径流动式的涡轮增压器。柴油机利用可变涡轮增压器大幅度降低涡轮迟滞现象。在降低涡轮迟滞方面，还有电动辅助涡轮增压器方法。这是在涡轮增压器上配备电动机，在排放废气流不足的涡轮迟滞范围利用电动机辅助驱动涡轮，以此方法减小涡轮迟滞。

增压器利用压缩器供给提高密度的空气，以提高充气效率，因而在不增加排气量、发动机转速等状态下能提高输出功率和输出转矩。增压类型上有利用进气、排气发动机内压力波的动态增压器、机械式增压器和涡轮增压器。对此的详细内容将在7.3一节中进行说明，在此部分简要对涡轮增压系统的结构和特征进行说明。

涡轮增压器是涡轮和增压器（压缩器）的合成名称。这是利用650℃的排气能量带动涡轮以几万至30×10⁴r/min的速度高速旋转，并通过其旋转力带动同轴压缩器旋转压缩进气，把空气压力增加到1.5～2.0个大气压，以此增大气缸内进气量的装置。涡轮增压器在中型、大型柴油机上配备使用了很长时间，目前在输出功率20kW以上的小型柴油机和汽油机中也采用涡流增压器。

1.涡轮增压器的结构

涡轮增压器代表性的类型离心式涡轮增压器的结构如图6-13所示。涡轮增压器的压缩器壳体、涡轮壳体和轴承壳为一体型，其内部配备有压缩进气的压缩器、利用排放废气能量驱动转动的涡轮、连接涡轮和压缩器的连接轴、支承旋转轴的轴承等。涡轮增压器通过润滑油或冷却液等进行冷却。

图6-13 涡轮增压器的结构

（1）涡轮和压缩器小型涡轮和压缩器均采用半径流动式。半径流动式涡轮把高温的排放废气以半径方向引入并从轴向排出。涡轮叶轮以能耐约900℃高温的镍为基础并合成超耐热合金或陶瓷制成。叶轮与驱动轴通常以摩擦压入或电子束焊接的方法进行连接。涡轮壳体是较易小型化的无叶蜗壳类型。压缩器因不受热量的影响，通常用铝合金或塑料制成。

压缩器也使用与涡轮相同的半径流动类型，仅空气的流动方向相反。即空气从压缩器中心轴向进入，通过高速旋转的压缩器产生离心力，以此提高空气压力并从半径方向排出。压缩器（压缩器转子）的半径小型为50～60mm，大型为100mm。

中型、大型发动机主要使用涡轮为轴流式、压缩器为半径流动式的涡轮增压器。轴流式为气体轴向进入并轴向排出，比半径流动方式效率高。另外，压缩器的压力比：小型为3～4、大型（尤其二冲程发动机用）为2.5～3。

（2）中间冷却器 20℃的空气进入并通过压缩器进行压缩后，温度会上升到约180℃，因而相应地空气密度会降低。如果高温空气直接进入气缸，即使压力增加2倍，实际进气量仅增加1.6倍，不仅充气效率降低，还会使燃烧温度上升，导致NO_x排放量的增加。因此，涡轮增压器和气缸之间设置中间冷却器，对进气进行冷却，以提高发动机的输出功率和输出转矩。图6-14所示为随发动机转速变化的增压温度和涡轮增压压力。

图6-14 随发动机转速的增压温度、涡轮增压压力

中间冷却器有水冷式和空冷式。空冷式热交换器虽然尺寸较大，但因能有效利用汽车行驶中的空气流，可以把增压进气温度降低到约60℃。水冷式热交换器虽然尺寸较小，但因不能把增压进气温度降低到冷却液温度（约100℃）以下，因此不能作为汽车用中冷器。

配备中间冷却器具有下述优点：

①提高热效率、降低燃油消耗率、降低炭烟和氮氧化物（NO_x）的排放量。

②降低气缸体和气缸盖的热负荷、热应力。

③通过增加增压进气的密度，可以降低增压压力和增压功。

④排气压力、泵损失减小，因此容易实现高增压化。

2.涡轮增压器的特征

涡轮增压是有效利用发动机排放废气能量（废热）的方式，具有提高燃油效率和热效率的优点。但因压缩器转子存在惯性力问题，存在不能快速响应的涡轮迟滞的缺陷。涡轮增压的根本目的，通过小型化和高动力输出（提高比功率）的缩小尺寸和获得高输出转矩性能为特征。

（1）小型化与传统的相同输出功率自然吸气发动机（NA）相比，涡轮增压发动机（TC）的优点是，小型和轻量化。涡轮增压发动机的输出功率和输出转矩如图6-15所示。图中曲线a为传统自然吸气发动机，曲线b为正常状态涡轮增压发动机，曲线c为动态运行条件下的涡轮增压发动机。涡轮增压发动机在主要使用的发动机转速（发动机转速比n/n_rated=1/2）范围内可以获得高输出转矩，并在其他发动机转速范围内的输出功率也在相同的燃油消耗率下具有A→B的差异。

涡轮增压器的高转矩特性，使获得相同输出功率（C→B）所需的转速与传统发动机相比低得多。因此，涡轮增压发动机在相同输出功率下的摩擦损失小，结果燃油消耗率也向着更低（E→D）的方向移动，可以获得更好的燃油经济性。

（2）转矩在很低的转速条件下，涡轮增压发动机的输出转矩与自然吸气发动机的输出转矩相似。因此，在低速状态下利用排放废气能量驱动涡轮有些困难，不能进行涡轮增压。在动态运行条件下，涡轮增压发动机的输出转矩甚至在中间转速范围内，如图6-15中的曲线c所示，类似于自然吸气发动机。这是因为形成排放废气的流动存在一定的延迟所致。涡轮增压发动机获得增压压力所需的延迟时间成为“涡轮迟滞”，从低速状态加速时会发生涡轮迟滞现象。

汽油机可以利用动态增压效果最小化涡轮迟滞现象。柴油机利用可变涡轮增压器大幅度降低涡轮迟滞现象。在降低涡轮迟滞方面，还有电动辅助涡轮增压器方法。这是在涡轮增压器上配备电动机，在排放废气流不足的涡轮迟滞范围利用电动机辅助驱动涡轮，以此方法减小涡轮迟滞。

图6-15 涡轮增压器的输出功率和输出转矩

（3）燃油消耗率涡轮增压的优点是不仅增大输出功率和输出转矩，在下述理由下可以改善车辆的燃油经济性。

①车辆加大传动比，可以在燃油消耗率良好的条件下行驶。

②因增压小排气量发动机与无增压大排气量发动机具有同等的动力性能，小型化使摩擦损失减小，以及在进气过程中进行加压使泵气损失大幅度减小，因此能提高燃油效率。

曼（MAN）公司实用涡轮增压发动机的燃油消耗率甚至达到了193g/（kW·h）、142g/（PS·h）。此外，涡轮增压对废气排放的影响不大，但柴油机会促进混合气的形成，因此有利于降低颗粒物质的排放量。

涡轮增压系统的工作原理和优势

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