淺析渦輪增壓系統工作原理和應用

韋春健 許慧洋

摘要：介紹渦輪增壓對提高發動機功率的顯著作用，分析其利用廢氣做功，增加發動機進氣密度，使得氣缸內燃燒更完全，達到提高輸出功率的基本工作原理。其次，分析渦輪增壓系統在排氣管結構選擇、增壓器類型選擇等方面針對不同工況的應用情況，指出渦輪增壓系統的發展應用應該向更高效、更可靠、尺寸更小等方面發展。

關鍵詞：渦輪增壓；工作原理；應用

中圖分類號：U664.121文獻標識碼：A

Simple analysis on the principle and application of turbocharging system

WEI Chunjian1, XU Huiyang2

( 1.Navy Equipment Department Guangzhou Bureau,Guangzhou510320;2.Guangzhou Shipyard Internationat Co.,Ltd.Guangzhou 510382 )

Abstract: Its introduced the significant effects of turbocharging on improving the engine power, and then analyzed the basic working principle to improve the output power, using the flue gas to do work, increasing the gas density, to make the combustion in cylinder more complete. Next, the application of the turbocharging system is analyzed on different situations. Its about the choice of exhaust pipe structure and supercharger types. Finally, its pointed out that the turbocharging system should bemore efficient, more reliable, smaller in the future.

Key words: turbocharging;working principle;application

1概述

在內燃機的發展歷程中，增壓技術的應用與發展有效地提高了內燃機的平均有效壓力，從而大幅地提高了發動機的比功率和燃油經濟性，被譽為內燃機發展史上的第二個里程碑[1]。

渦輪增壓器的特點在于通過加強易燃性，提高空氣和燃料的混合比，從而大幅度提高發動機的輸出功率，改善經濟性，節約能源；適應不同海拔，補償高原功率損失，減輕發動機排氣污染，減少廢氣中的有害氣體成分，降低發動機噪聲。增壓與非增壓發動機相比，在發動機基本結構不變的情況下，可以大幅提高功率，降低油耗5%～10%，排放值減少10% 以上。渦輪增壓器普遍應用在轎車、賽車、卡車、公共汽車、農業機械、船舶、礦業機械、工程機械、軍用動力、航空和電站中。

隨著汽車運輸行業的發展，采用大功率、低污染的柴油機作為汽車動力源已成為一種趨勢。目前，國內外普遍采用的方法都是增加發動機的充氣量和供油量，即由柴油機的排氣來驅動渦輪機，從而由渦輪機拖動壓氣機來提高進氣壓力，獲得較大的充氣量，這一方法稱為廢氣渦輪增壓，圖1為廢氣渦輪增壓器結構示意圖。

圖1廢氣渦輪增壓器結構示意圖

渦輪增壓器雖然有協助發動機增力的作用，但也有它的缺點，其中最明顯的是“滯后響應”，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，即使經過改良遲緩現象依然存在，使發動機延遲增加或減少輸出功率。鑒于渦輪增壓器無本生利的優勢和存在的缺點，自其出現以來，人們就不斷對它進行技術改進，例如提高加工精度，盡量減少渦輪與渦輪室內壁的間隙，以便提高廢氣能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐高溫、剛度強、重量輕的優點，可以將渦輪增壓器做得更加緊湊，體積更少，而且能減少渦輪的“滯后響應”時間。

2工作原理

增加噴油量和進氣量使燃燒更加劇烈是提高發動機功率的關鍵，增加發動機的噴油量很容易做到，但要提高進氣量，以提供足夠量的空氣支持燃料的完全燃燒，靠傳統的發動機進氣系統是很難完成的。增壓器的基本工作原理是通過壓縮進入發動機氣缸前的空氣來提高空氣的密度，從而使更多的空氣填充到氣缸內，配合更多的噴油量使燃燒更加劇烈，增大發動機功率[2]。

渦輪增壓器是使發動機在工作效率不變的情況下，增加輸出功率的機械裝置。它是由渦輪室和增壓器兩部分構成的：渦輪室進氣口與排氣管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸剛性聯接。渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量，利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送有空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快時，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率了。圖2為渦輪增壓器工作原理示意圖。

發動機采用廢氣渦輪增壓，有以下好處：

（1）提高發動機功率，降低油耗。實踐表明,在一般柴油機上通過改動進、排氣管,增大供油量,加裝廢氣渦輪增壓器,可明顯增加柴油機功率。例如：6135柴油機采用渦輪增壓器后,功率由原來的118 kW提高到153 kW,功率增加近30%,而油耗則降低5. 7%；

圖2渦輪增壓器工作原理示意圖

（2）減小單位功率質量,縮小外形尺寸。例如：某防爆膠輪車引進Perkins1104-44TA增壓機后，可用四缸機取代原來1006-6的六缸機，使外形尺寸大大縮小,為整車的布置帶來諸多便利；

（3）采用增壓技術可以有效降低排放污染。由于渦輪增壓發動機增大了進氣量，使得燃燒比較完全,從而使廢氣中CO和HC含量明顯減少，NOx含量也較少；

（4）采用增壓技術后，發動機燃燒壓力升高率降低,工作較柔和，噪聲比較小；

（5）采用增壓技術后，對于高原地區使用的發動機更顯必要。由于高原地區氣壓低，單位質量的空氣中含氧量較平原地區少，易導致發動機功率下降。一般認為，海拔每升高1 000 m，發動機功率下降8%~10%，燃油消耗率增加3. 8% ~5. 5%，加裝渦輪增壓器后，可以恢復功率，同時減少油耗[3]。

3應用情況

經過長期的發展、改進，渦輪增壓系統結構形式基本趨于一致，由于社會發展對發動機提出越來越高的要求，則必然對渦輪增壓系統提出相應的要求，新技術、新材料和新工藝的應用一直都在探索和研究中。現代制造水平的大幅度提升，生產出效率更高、結構更復雜的渦輪增壓系統的成本大大降低，而且壽命更長、穩定性更強。排氣管、渦輪增壓器等方面越來越多的發明創造簡化渦輪增壓系統的同時，也大大提高了其效能。

3.1 排氣管的應用類型

排氣管的類型主要分為定壓增壓型、脈沖增壓型、脈沖轉換器增壓型和MPC系統型四種，圖3為各型排氣管示意圖（以9缸機為例）。

圖3排氣管設計類型示意圖

（1）定壓增壓型

定壓增壓型為各氣缸共用一根容積較大的排氣管，保證排氣總壓力保持恒定，大小與負荷有關，如MAN-B&W公司中速機采用定壓增壓。其優點為：掃氣干擾小，泵氣功損失小，渦輪進氣壓力穩定；其缺點也比較明顯：排氣脈沖能量利用率低、掃氣量少以及低工況性能差[4]。

（2）脈沖增壓型

脈沖增壓型一般是將掃氣不發生干擾的兩個或三個氣缸連接，共用一根排氣支管，渦輪進氣口依據支管數量設置。這種方式既可以避免掃氣干擾，又能較好地利用排氣脈沖能量，增大掃氣量，改善低工況性能。比如，氣缸數為3的倍數的發動機，3缸共用一根支管，排氣能量連續，增壓效率高；然而，氣缸數不是3的倍數時，必然有一個氣缸或兩個氣缸用一根支管，那么該支管連接渦輪進口后在某些時間是沒有排氣能量的，造成做功不連續，影響增壓效率。同時，支管多、渦輪進口多，排氣管路結構復雜，布置難度大。

（3）脈沖轉換器增壓型

脈沖轉換器增壓型是在脈沖增壓型的基礎上改進，將兩根或多根支管通過脈沖轉換器（見圖4）連接，減少渦輪進口數量，這樣改進提高了增壓效率；因為脈沖轉換器有縮口，泵氣功損失增加，但總的來說還是有好處的。

圖4脈沖轉換器示意圖

（4）MPC系統型

為了盡可能簡化排氣管系結構，便出現了MPC系統（又稱單管脈沖增壓系統），即每個氣缸排氣口都連接脈沖轉換器，那么該系統的結構大大簡化，便于生產加工，更好地利用脈沖排氣能量，增壓效率更高；其缺點是各氣缸發生掃氣干擾，受干擾的氣缸排溫高，容易超標。比如，對8缸機的可能發火順序進行研究表明，沒有一種發火順序可以完全避免這種掃氣干擾。

綜合考慮各種脈沖轉換器增壓的優點和缺點，取長補短，設計出混合脈沖轉換器增壓型。比如，充分利用一般的脈沖轉換器增壓和MPC系統增壓相結合，達到更好的增壓效果[4,5]。

3.2渦輪增壓器的的應用類型

（1）渦輪增壓器經歷了基本型、可變截面、增壓空氣控制旁通放氣渦輪增壓器等階段，結構越來越復雜，但適用范圍則越來越寬、效率越來越高。瑞士ABB公司的軸流式渦輪增壓器VTR.4E；總效率達到75%；日本的渦輪增壓器在小型化方面處于世界領先地位，如三菱公司、石川島播磨公司均有壓氣機葉輪直徑為34mm的小型增壓器用于摩托車或汽油機，但Borg Warner公司于2000年推出渦輪直徑為31mm的kp31渦輪增壓器，這是當今世界最小的系列化增壓器產品[6]。

相繼增壓 STC 的基本原理是采用多個小流量的增壓器，隨著柴油機工況的提升，依次投入運行。它改變了增壓系統在低工況時廢氣能量不足而引起的渦輪轉速下降，增壓壓力不足，從而引起的增壓器喘振、柴油機功率下降等問題。在柴油機額定工況下，每臺增壓器都在高效區運行；而在柴油機部分負荷時，減少投入使用的增壓器數量，使得投入運行的增壓器運行線仍處在高效區附近，從而改善柴油機的經濟性及排放性能[7]。

（2）可變截面渦輪增壓，是柴油機廢氣通過噴嘴環時,根據渦輪增壓柴油機外界負荷的變化從低速到高速通過分段，或連續改變渦輪截面來改變噴嘴環葉片的角度，使流入渦輪葉片的氣流參數改變，通過渦輪焓降的變化實現渦輪做功的變化,進而讓壓氣機出口的增壓壓力發生變化,從而使得柴油機與增壓器在各工況下均有良好的匹配，還可以提高柴油機的瞬態特性和降低瞬態排放。可變截面渦輪增壓的缺點是渦輪增壓器的成本與普通增壓器相比，要增加20%以上，同時對可靠性也有一定的影響。

（3）廢氣旁通增壓，以柴油機低負荷為增壓器匹配點，對于無法兼顧的高負荷區，通過打開廢氣旁通閥，釋放多余廢氣（一般放廢氣量占總廢氣量的10%左右），可防止迅速提高的渦輪增壓器轉速和增壓壓力超過限值而引起的爆壓過高、機械負荷和熱負荷過高等問題。這種系統因為采用較小的廢氣流通截面，能改善柴油機在低工況時的經濟性、排放性能以及瞬態響應。廢氣旁通增壓實質上是用來克服柴油機與增壓器匹配時所存在固有矛盾的一種措施。對于經常運行在標定轉速的柴油機來說，由于放氣造成了能量的損失，使高工況的燃油消耗迅速上升，對經濟性有較大的影響。

4結語

渦輪增壓在提高發動機功率方面有極大的優勢，經過研究人員不斷的創新改進，作為未來的發展趨勢，更注重結構的整體性，即把眼光放在渦輪增壓整個系統上考慮，而不只是放在單個設備（環節）上，使渦輪增壓系統向更高效、更可靠、性能更強、尺寸更小等方面發展。

參考文獻

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[7] 奉崢嶸, 彭勇, 張志鑫. 柴油機渦輪增壓技術發展歷程與展望[J]. 內燃

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作者簡介：韋春健（1985-），男，助理工程師。研究方向：船舶機電。

許慧洋（1979-），男，工程師。研究方向：船舶總體。

收稿日期：2014-03-04