增压器匹配指南[1]

第1章 增压器及其进气增压系统的结构和原理
1.1概述
1.1.1 发动机进气增压技术简介
近年来，发动机进气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向之一。

这是因为发动机进气增压技术具有许多优点：
1.能够提高发动机的升功率——提高了发动机的动力性；
2.能够降低发动机比油耗和比质量——提高了发动机经济性；
3.能够减轻发动机的排放污染——提高了发动机的排放性；
4.能够扩大发动机变型系列等。

当前，由于汽车一方面在向高速、重载方向发展，对发动机的动力性和燃料经济性提出了更高的要求；另一方面发动机尾气的排放污染，各国排放法规的日益苛刻，使人们极力寻求减小大气污染的措施。

这种种方面的原因，使汽车发动机进气增压技术获得迅速发展，其中以美国、德国、瑞典等国家发展较快。

在美国，10L以上排量的柴油机几乎全部采用增压技术，小排量柴油机和汽油机采用增压技术也占相当大的比重。

欧洲和日本近年来增压发动机也发展迅速，特别是柴油机。

发动机增压方法很多，其中涡轮增压器在技术上最为成熟，并且有很多突出的优点，因此涡轮增压成为汽车发动机增压的主要类型而获得广泛应用。

此外，在研究和发展涡轮增压系统的同时，其他增压系统也相继有所发展，例如气波增压系统。

本指南主要讲述涡轮增压系统，其他增压系统仅简单介绍。

1.1.2发动机进气增压的基本原理
（1）发动机进气增压的基本理论进气增压是提高发动机升功率的有效方法之一。

所谓增压器，就是利用专门的装置（增压器）将空气或者可燃混合气预先进行压缩，再送入发动机汽缸的过程。

虽然汽缸的工作容积不变，但因增压后，每个循环进入汽缸的新气密度增大，使实际充气量增加，这样可以向缸内喷入更多的燃料而获得充分燃烧，因此提高了发动机的升功率和总输出功率。

一般来讲，增压压力愈高，充入汽缸的新气密度愈大，发出的功率也就愈高。

增压可以提高发动机的功率，但增压器本身所消耗的功率和增压器效率直接影响发动机的有效功率和燃料经济性。

机械增压器要消耗一部分曲轴功，因此其燃料消耗一般高于非增压的发动机。

发动机在膨胀过程终了时，排出的废气能量占有相当大的比重，有效利用的热量仅占20%~40%。

如能利用涡轮使高温废气再次膨胀而加以利用，就可以使增压器所需的功率由涡轮提供，无需消耗曲轴上的有效功率，这样可提高增压发动机的有效功率，改善其经济性。

废气涡轮增压器和气波增压器等即是实现这种废气能量回收的装置。

安装这种装置大约可回收总燃料热量的5%~10%。

废气涡轮增压发动机与机械增压器不同之点在于排气过程与涡轮相连，排气能量获得利用，进气压力也高。

增压后，由于进气压力提高，致使进入汽缸的新气比重得到提高，充气量增加，能量转换增加，因此功率增加。

此外，增压发动机的机械损失功率在总功率中所占的比例下降，因活塞式发动机的机械损失主要与转速有关，在相同转速工况下，增压后总功率增大，所以增压发动机的机械效率相对提高，燃料经济性也就所有改善。

（2）发动机进气压力的衡量指标衡量进气增压的指标只要有两个：增压度和增压比。

1．增压度。

是指发动机爱增压后功率的增加量与增压前的功率之比。

增压度取决于所采用的增压系统。

由于增压，发动机的最高燃烧温度以及工作循环所有其他温度均提高；同时由于燃烧密度加大，使燃气向壁面的传热系数增大，进气温度高等都使发动机热负荷加大，以至不能使发动机正常原转。

为了减轻热负荷，可采用下列措施：
A．加强扫气；
B．采用较大的过量空气系数，使燃烧温度下降；
C．采用中间冷却，降低进气温度。

柴油机的增压度受到燃烧最高爆发压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。

除了机械负荷和热负荷限制增压度的提高外，其他一些因素也限制着柴油机增压度的提高。

其中之一是柴油机喷射泵的喷油率，即在单位时间内确保燃烧过程良好的条件下，喷油设备所能提供的油量。

目前所使用的喷射泵喷油压力很难超过20Mpa。

增压度小于1.9者为低增压；在1.9~2.5之间者为中增压；在2.5~3.5之间为高增压；大于3.5为超高增压。

现代四冲程柴油机的增压度可达3以上，但车用机除了求取高功率外，还需要在运行范围内满足动力性、经济性、排放和成本等多方面的要求，车用柴油机多为低增压，部分采用中增压；汽油车用发动机一般增压度只有0.1~0.6。

2．增压比。

为压气机出口压力与进气压力之比（简称压比）。

也可以用压比来确定发动机的增压程度。

压比小于1.6为低增压，相应的发动机平均有效压力为700~1000kpa；压比在1.6~2.5之间为中增压，相应的发动机平均有效压力为1000~1500kpa，当压比大于 2.5时为高增压，相应的发动机平均有效压力在1500kpa以上。

1.1.3增压发动机的特点
1.进气增压可以提高发动机的升功率。

2.功率相同时，发动机的空间尺寸减小，质量减轻，这有利于提高车用发动机的经济性。

3.通过增压器的合理设计，可以将扭矩特性改进为低速高扭矩，这样对车用发动机加速性非常有力。

4.在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压发动机的工况更接近最大效率设计工况点。

5.可通过增压度来祢补随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降。

6.降低噪声。

柴油机增压后，由于混合气工作温度升高，着火延迟期缩短，燃烧变得柔和，对直喷柴油机更是有利。

另外，通过进气管内的波动的削平和消声，也使噪声减小；表面辐射噪音也有所下降。

7.通过增压可以降低有害气体的排放。

对增压柴油机可以使烟度有所下降。

8.机械损失减小，经济性得到改善。

增压机由于平均有效压力提高，机械损失相对减少，因而在高负荷区机械效率得到提高，但在低负荷区，由于进排气阻力，经济性受影响。

在相同功率时，增压机比非增压机的排量要小，机械损失也相对要小。

这样的比油耗比非增压机小，等油耗的经济运行区扩大；排量不变时降低转速，机械损失也就减少，热效率得到提高。

9.增压机主要零部件的机械负荷和负荷均增加。

1.1.4进气增压系统的分类
发动机增压系统是指实现发动机增压所需附件的组合体，其中以增压器为最
基本的附件。

增压器一般都使由驱动部分和压气机部分组成的，其分类方法有多种：
（1） 按增压的工作原理分
A．机械驱动式增压系统。

机械增压是压气机由发动机曲轴通过带、齿轮、链等传动装置直接驱动的增压方式。

机械增压系统又可因压气机结构不同分为活塞式增压器、叶片式增压器、螺旋转子式增压器、罗茨增压器、机械离心式增压器和机械轴流式增压器。

B．废气涡轮增压系统。

废气涡轮增压器按涡轮进气方式不同可分为轴流式涡轮增压器、径流式涡轮增压器和混流式涡轮增压器。

C．复合式增压系统。

所谓复合式增压系统，除了采用涡轮增压系统外，还辅以机械增压系统。

复合式增压系统主要采用四种类型：串联式、并联式、混合式和复合式增压系统。

前两种为基本型。

D．进气谐波增压系统。

进气谐波增压系统（惯性增压系统）不用增压器，而是利用空气在进气管中的波动效应和惯性效应来达到增压目的。

E．其他增压系统。

包括气波增压系统。

冲压式（进气引射原理）增压系统，还有利用排气管的引射作用来增加进气量的方法也在此列。

气波增压是利用排气的压缩波和膨胀波来传递能量的。

(2)按压比来分可分为低增压、中增压、高增压和超高增压。

1.2机械式增压器及其增压系统
在机械使增压系统中，增压器的压气机转子由发动机曲轴通过带、齿轮、链等传动装置直接驱动旋转，从而将空气压缩并送入发动机汽缸，达到增压的目的。

机械式增压系统的主要优点是结构简单、价格便宜，但当增压比较高时，消耗的驱动功率很大，可超过指示功率的10%，而使整机的机械效率下降，比油耗增加，因此只用于小型机，通常其压气机出口压力不超过160~170kpa。

但它可以在低速时祢补涡轮增压相应慢，进气不足的缺点，提高整车的加速性能，在高级轿车发动机上常采用罗茨增压器和废气涡轮增压器复合增压的方式增压。

现在采用机械增压的机型很少，目前只有正在开发1.8LFSI的汽油机采用了罗茨增压器，因为很少采用本指南暂不详细涉及。

1.3废气涡轮增压器及其增压系统
1.3.1废气涡轮增压器的工作原理和总体结构
废气涡轮增压是增压内燃机中应用最普通、最有效的增压方式，20世纪20年代在国外就开始用于柴油机。

废气涡轮增压器由涡轮、中间壳和压气机组成。

废气涡轮增压系统是利用发动机排出的废气能量来驱动增压器等。

发动机排出的具有800K~100K高温和一定压力的废气经排气管进入涡轮壳里的喷嘴环。

由于喷嘴环通过的面积逐渐收缩的，因而废气的压力和温度下降，速度提高，使它的动能增加。

高速的废气流按一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速运转。

废气的压力、温度和速度越高，涡轮转的就越快，通过涡轮的废气最后排入大气。

因为涡轮和离心式压气机叶轮固装在同一个转子轴上，所以两者同速旋转。

这样，就将经过空气滤清器的空气吸入压气机壳，高速旋转的压气机叶轮把空气摔向叶轮的外缘，时期速度和压力增加，
并进入扩压器。

扩压器的形状做成进口小出口大，因此气流的流速下降、压力升高，在通过断面由小到大的环形压气机壳使空气流的压力继续升高，这些压缩的空气经柴油机进气管进入汽缸。

在涡轮增压系统中，涡轮增压器和发动机无任何机械传动连接，废气涡轮增压器是通过空气和废气的流动与内燃机耦合，自行调整，其转速与内燃机的转速没有直接联系，并利用了排气能力，优点较多，因而获得广泛应用。

废气涡轮增压器用的压气机多采用上述离心式，它的出口压力可达到140~300kpa，甚至可达到500kpa。

废气涡轮增压系统按排气系统形式区分，可分为下面三种：脉冲式、恒压式和脉冲转换式。

对于汽车用发动机，主要采用脉冲式涡轮增压系统或脉冲转换式增压系统，根据涡轮增压器采用的涡轮形式不同，可分为三种：径流式、轴流式和混流式。

车用和中小功率发动机所用的涡轮增压器以径流式为主，轴流式很少采用，混流式几乎不用。

目前对增压器的要求是小型化、质量轻、构造简单以及高效率。

汽车用废气涡轮增压器的基本构造是把涡轮与压气机装在同一轴上，并由轴承、壳体等组成。

压气机叶轮是用铝合金制作的精密铸件，叶片形状通过应用流线解析、FEM技术等设计而成，近年来叶片叶轮都采用后弯式，扩压器用无叶型，可以适应汽车广流量范围的使用。

涡轮叶轮用耐热性高的镍或钴合金材料，应用精密铸造法整体铸造。

在由涡轮壳向涡轮叶轮流入的部分大多装有喷嘴，目前，一般采用具有喷嘴性能的涡壳，即所谓的无喷嘴的涡轮壳。

设有轴承、油道的中间壳和涡轮壳间的油封机构都很重要，这些部分的结构是由各个公司分别独自设计的。

汽车用废气涡轮增压器的涡轮多采用径流式，进入涡壳的废气流则多利用脉冲式以使废气的能量得到充分利用。

排气歧管的设计要尽可能的避免气道间相互串气，最好使进入涡轮机一条进气通道的缸数不超过3个。

这样，没根排气管里的排气间隔为240°，大于一个冲程，使排气互不干扰，可以充分利用废气的脉冲能量驱动涡轮。

并且压力高峰后的瞬时真空有助于汽缸扫气。

提高充气密度，可以通过增大压气机的压比来实现，但当压比大于1.8时，空气密度将随压比升高而减小，且空气温度随压比升高而升高，加大了柴油机零件的热负荷，加大了排气污染。

所以采用降低进气温度以提高其密度的方法是必要的。

为此，有些增压柴油机安装有中间冷却器。

试验证明，进入汽缸的空气温度每下降10K，功率可提高2.53%，增压压力越高，中间冷却器的效果越显著。

13.2离心式压气机
（1）离心式压气机的构造
离心式压气机由于单级压比比较高，结构简单，制造成本低，工作范围宽广，所以广泛应用于涡轮增压器中，而轴流式压气机和混流式压气机在车用涡轮增压器上几乎不采用，因此本指南只介绍离心式压气机的结构原理。

单级离心式压气机通常由进气道、压气机叶轮、扩压器和压气机壳所组成。

A进气道进气道的作用是将气流有秩序的导入压气机的工作叶轮进行压缩，按其结构和空气流动的特性，主要有轴向进气、径向进气和涡形进气三种形式。

轴向进气道的进气气流沿轴向进入工作叶轮，空气进入工作叶轮时损失较小，这种结构常用于小型增压器。

径向进气道的气流由径向流入，再转弯，损失较大，且工作叶轮进口的气流不均匀，常用于大型增压器。

涡形进气道很少采用。

进气道一般用铝合金铸造，为了提高表面光洁度，减小进气阻力，进气道内表面常经
机械加工。

小型增压器的进气道常与压气机壳铸成一体。

近年来，国外有些公司采用了注塑成型的压气机气道，能更好的提高气道表面的光洁度，减小进气阻力，不过推广还需一定的时间。

B压气机的工作叶轮压气机的工作叶轮作用是旋转时使空气在离心力的作用下受到压缩并摔向工作叶轮外缘，使空气得到能量，从而使空气的温度、压力和流速都增加。

涡轮增压器对离心式压气机的要求是既有较高的效率，又有宽广的流量范围。

现在许多供应商采用半开式后弯叶片叶轮来满足这个要求。

压气机叶轮的材料通常用铝合金，有铸材和锻材之分。

小型叶轮导风轮与工作轮成一体时，用铸材精铸而成。

在工作轮与导风轮分开的情况下，工作轮可由机械加工而成，导风轮可以精铸或机械加工。

当压气机增压比超过4后，叶轮必须用其他材料。

C扩压器和压气机壳扩压器的作用是使流经叶轮后的气流速度降低，从而进一步增加气体的静压力，按结构可分为无叶扩压器（即缝隙式扩压器）和叶片式扩压器。

无叶扩压器是由环状平板构成，结构简单，制造容易。

特别是无叶扩压器压气机的特性比较平缓，流量范围较宽，对车用发动机适应性好。

因此小型涡轮增压器中常用无叶扩压器。

有叶扩压器（叶片扩压器）分平板形叶片和机翼形叶片。

有时还将叶片做成可旋转活动的，目的是为了调整压气机特性，更好地与发动机配合。

扩压器一般用铝合金铸造。

叶片扩压器的叶片部分用铣削或精铸成形。

光洁度要求较高，以减小气流损失。

压气机壳的作用是收集从扩压器中流出的空气，并输向发动机进气管，同时继续压缩空气，使从扩压器出来的气体再一次降低流速以提高气体的静压力。

压气机壳在结构上分变截面（蜗牛形）和等截面两种。

变截面压气机壳的径向截面是沿圆周逐渐变大的，其变化规律按气流运动规律而定，因此气流损失较小，最高效率比等截面的要高些，但整个特性陡一些。

等截面压气机壳的径向截面沿圆周不变，其截面按设计流量而定。

等截面压气机壳的损失较大，压气机最高效率较低，但其特性比较平缓。

现在各厂家采用变截面的趋势比较明显。

有的压气机壳出口还有一段锥形扩压段，以减小无叶扩压器的尺寸。

压气机壳通常采用铝合金铸造成形，内表面要求光洁。

（2） 离心式压气机的工作原理
增压器工作时，空气沿进气道轴向进入压气机叶轮，气流流经进气道时，速度略有增加，此时充气量与外界没有热功交换，其压力和温度略有下降。

当空气进入叶轮叶片组成的流道后，由于工作轮的转动，使气流在离心力作用下受到压缩并被甩到工作轮外缘，空气从回转的压气机叶轮上获得能量，使压力、温度和气流速度增加，特别是气流速度有较大增长。

然后进入扩压器，在扩压器中，空气动能再转变成压力能，空气速度降低，压力和温度升高。

涡壳收集从扩压器流出的空气，并继续将空气的动能变成压力能。

这样，压力和密度得到提高的空气经发动机进气管流入发动机汽缸，从而达到增压的目的。

（3） 离心式压气机的工作特性
离心式压气机的主要工作参数是增压比、流量、转速和绝热效率。

A增压比增压比是压气机最主要的工作指标，它是压气机出口压力和进口压力之比。

B空气流量单位时间内流过压气机的气体质量或体积，叫作压气机的流量。

增压器的空气流量取决于发动机的空气消耗量，即由其排量、转速及充气量系数等因素来确定。

C压气机的转速压气机工作轮每分钟的转速即压气机转速。

由于压气机与涡轮机同轴，所以压气机的转速即涡轮机的转速，也就是增压器的转速。

增压器转速较高，可达每分钟几万到几十万转。

D压气机的绝热效率绝热效率是用来评定压气机工作的完善程度的，通常以实际压气机与理想压气机，即与外界无热交换的压气机相比较来评定的。

绝热压气机压缩空气所做的功与实际压气机消耗功之比叫作压气机的绝热效率。

绝热效率是衡量压气机性能的基本标志，它表明了压气机流通部分的完善程度。

目前涡轮增压器上使用的离心式压气机的绝热效率为0.65~0.83。

在不同转速下，压气机的增压比和效率随空气流量的变化的关系称为压气机的压比流量特性。

在某一转速下，当压气机的流量减少时，增压比和效率增加。

当流量减少到某一最小值时，增压比和效率达到最大值。

流量再继续减少，增压比和效率就随之降低。

当流量减少到某一最小值时，压气机工作变得不稳定，此时流过压气机的气流开始振荡，严重时整台压气机发生振动，并伴随着特殊的尖叫声，压气机的这种现象称为喘振。

压气机在每一转速下都有类似的变化规律，也都有一个这样的喘振状态点，把不同转速下的喘振点连起来，就构成了一条喘振边界线。

由增压比、流量、转速、效率组成的这组曲线称为压气机的压比流量特性曲线，它集中反映了压气机的特性。

离心式压气机和轴流式压气机的特性曲线类似。

为了减轻增压器转子的转动惯量，车用增压器均采用离心式压气机。

压气机和发动机联合运行时，只能在喘振线右边匹配，不能在左边工作。

关于压气机的详细匹配请见第2章。

1.3.3废气涡轮机
涡轮增压器的废气涡轮是利用发动机排出的废气能量的膨胀作用转换为机械功的一种动力装置。

废气涡轮增压的压气机就是由废气涡轮来驱动的。

它是涡轮增压器中一个很重要的部件。

由于涡轮机与发动机之间没有机械联系，将普通非增压机经过改装，加上增压器，即可提高发动机功率30%~50%。

根据废气在涡轮机中的流动方式，可按涡轮分为轴流式、径流式和混流式涡轮三种。

轴流式涡轮，废气沿涡轮旋转轴向方向流动，效率较高，适用于大流量的工作范围。

径流式涡轮，废气沿径向流动，效率较低，但制造容易，质量轻，适用于小流量的工作范围，在小型涡轮增压器中毫无例外陡是采用径流式涡轮。

径流式涡轮又分为离心式和向心式两种。

离心式径流涡轮极少采用。

除按废气在涡轮中的流动方式外，涡轮还有其他几种分类方法：按涡前废气参数状态分为脉冲式涡轮和恒压式涡轮；按废气能量爱涡轮中转换原理分类可分为冲击式和反作用式涡轮。

反作用式涡轮的工作特点是废气不仅在喷嘴环中膨胀和提高速度，而且还在涡轮中膨胀和提高速度。

在涡轮增压器中基本上都采用反作用式涡轮。

冲击式涡轮的工作特点是废气仅仅在喷嘴环中膨胀和提高转速。

（1） 废气涡轮的构造本指南只介绍径流式涡轮机，径流式涡轮机主要有进气涡壳、喷嘴环、工作轮和出气道组成。

第2章 增压器的匹配要求和流程
1.增压器匹配要求
发动机性能要求、高原余量要求、涡轮增压器使用要求2.增压器的匹配流程
A前期工作-输入数据
热力学开发报告数据或者前试验数据
C选型试验
D开发试验
E验证试验。