涡轮增压器种类大全

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：废气门设计为常开，这是为了防止在涡轮增压器的控制系统发生故障时，在高速状态因涡轮增压器超负荷运转导致增压压力过大，因而损坏机和涡轮增压器。顺序起动涡轮增压器因费用问题仅在大型船舶或发电机用发动机上采用。第一个是低压涡轮增压器，第二个是高压涡轮增压器。图7-43 双级涡轮增压器在低速状态下，旁通阀关闭，高压涡轮增压器运行，迅速提高增压压力。双级涡轮增压器以此方式进行调节，适当响应发动机的运行要求。

发动机通常在低速状态下也需要高转矩。因此，为了改善发动机在低速状态下转矩不足的问题，在涡轮增压器的设计上为了以少量的排气能实现高速旋转，做成小型设计。但是，与此相反，在高速领域因排放气体过多，会使涡轮超速旋转，并且增压压力会达到必要以上的压力，随之大量的高压气体进入气缸，会发生强烈的爆燃，导致发动机的损坏。另外，还有增压响应延迟（涡轮迟滞）的缺陷。

涡轮增压器为了解决这样类似问题，需要对压力进行调节，因此出现了很多类型，如废气门涡轮增压器、可变涡轮增压器、多级位涡轮增压器等。

1.废气门涡轮增压器

废气门涡轮增压器（WGT）是在高速、高负荷状态下为了降低增压器的压力（或涡轮的转速），把部分排放废气通过旁路流动，以调节降低涡轮转速，进而降低增压压力；在低速状态下关闭旁路，以此提高涡轮转速，进而提高增压压力。如图7-41a所示为废气门涡轮增压器的构造，旁路阀即为废气门（WG）。通常汽油机的增压压力为0.15～0.18MPa，柴油机的增压压力可以达到0.5MPa，但通常约为0.2MPa。废气门形状在初期为锥形阀型，目前主要使用阀片类型。

图7-41 涡轮增压器

废气门通过电控空气式增压压力执行器进行控制。执行器与真空泵通过3通或2通阀进行连接，进行电气控制。压力执行器的中央作用有大气压，通过弹簧力打开废气门。当发动机控制模块（ECU）输出信号时，增压压力执行器上流过电流，压力执行器与真空泵之间的通道被打开，压力执行器内的膜片被吸拉，废气门关闭，因而所有排放废气流过涡轮，使涡轮增压器的速度增大。废气门设计为常开，这是为了防止在涡轮增压器的控制系统发生故障时，在高速状态因涡轮增压器超负荷运转导致增压压力过大，因而损坏机和涡轮增压器。汽油机和柴油机均采用电控式废气门执行器。

使用废气门，虽然因把部分排放废气通过旁路流出，会降低效率，但因能保持适当的增压压力，能有效解决因供气压力过大导致的发动机机械负荷的增大，以及因排气压力过大导致的泵气损失增加等问题。因此，配置废气门可有效改善低速领域的转矩特性，其结构也比较简单，目前广泛使用在转速范围较大的小型汽油机上。

2.可变涡轮增压器

可变涡轮增压器（VGT）是通过调节废气侧叶片（通道）的角度改变入口通道面积，以调节最佳增压压力的系统。可变涡轮增压器的结构如图7-41所示。即，在低速领域为提高增压响应性，关闭叶片，并在高速领域打开叶片，以控制增压压力的方式，在比废气门类型更加宽的运行范围内可以进行精密控制。可变涡轮增压器的工作原理如图7-42所示。

如图7-42a所示，利用导流叶片改变进入涡轮的排放废气通路的端面积（或间隙）大小，以调节涡轮增压压力。在低速、低负荷状态，排放废气的流通通道面积小，排放废气的压力增加。此时排放废气的流速加大，涡轮以高速旋转。尤其是，排放废气的方向流向涡轮叶片的上部末端，利用大的杠杆效果获得大转矩。在高速、高负荷状态，如图7-42b所示，导流叶片开大排放废气的流通通道面积，排放废气的流速降低，涡轮增压器的旋转速度也降低，排气压力也降低。

图7-42 可变涡轮增压器

导流叶片的角度可以通过调节环进行调节。这是利用安装在导流叶片上的控制杆直接或间接进行控制。调节环是通过由真空或正压空气压力进行操作的气压执行器进行控制，或通过由发动机控制模块（ECU）的指令进行操作的电动机进行控制。可变涡轮增压器（VGT）可以在所有的运行范围内控制最佳的增压压力。可变涡轮增压器（VGT）的导流叶片为常开式，在调节系统发生故障时，因导流叶片处于开启状态，可以防止增压压力的上升，可以保证安全。但是在低速时会造成输出功率的损失。

通过可变涡轮增压器（VGT）系统可以提高低速时的输出转矩，降低低速时的炭烟排放量，改善加速性等，发动机的输出功率与普通涡轮增压器相比可以增加约10%，最大转矩可以增加约14%，燃料消耗率在通常行驶区间约节约8%。另外，可变通道涡轮增压器可以控制排气压力，因此能最佳控制废气再循环（EGR），这不但能提高过渡响应性，还能有效降低有害气体的排放。汽油机因排气温度较高，热应力高一般不使用可变涡轮增压器（VGT），VGT主要使用在柴油机上。

3.多级涡轮增压器

与单涡轮增压器相比，多级涡轮增压系统可以提高输出功率，降低燃料消耗率。

（1）顺序起动涡轮增压器增压器的使用目的是提高低转速领域的驱动力（转矩），排气通道直径越小，反应会越迅速。但在高速领域小直径通道会限制排气流量，其效果会降低。顺序起动涡轮增压器是把小型和大型涡轮增压器并列排列设置，并在低速领域时小型、在高速领域时大型互相转换使用的涡轮增压器。顺序起动涡轮增压器因费用问题仅在大型船舶或发电机用发动机上采用。

（2）双级涡轮增压器双级涡轮增压器把两个涡轮增压器串联设置，以增压压力的多级效果提高效率。此类型如图7-43所示，理想的是两个中冷器（中间冷却器）和大小不同的两个涡轮增压器串联连接构成。第一个是低压涡轮增压器，第二个是高压涡轮增压器。进入空气首先由低压涡轮增压器进行预压缩，第二个涡轮增压器把低压空气压缩为高压。通过多级压缩，提高压缩器的效率。

图7-43 双级涡轮增压器

在低速状态下，旁通阀关闭，高压涡轮增压器运行，迅速提高增压压力。随着发动机速度的提高，旁通阀逐步开启直到低压涡轮增压器运行。双级涡轮增压器以此方式进行调节，适当响应发动机的运行要求。因双级涡轮增压器的调节简单，因此开始应用在汽车发动机上。

（3）混合增压器赛车与普通汽车的要求相反，以高速领域大转矩（驱动力）为需要。这样的汽车在低速领域驱动力小，需要配备低速用增压器。混合式增压器是设置低速用机械增压器和中、高速用涡轮增压器的方式。此类型因配备两种不同类型的增压器（涡轮增压器+机械增压器），设计和装置较复杂，价格也昂贵，因此仅在赛车等以实验性为目的配备使用。

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