涡轮增压工作原理(经典)

传统涡轮增压技术简介

1.涡轮增压技术的基本原理

涡轮增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，这样就可以在有限的气缸容积内喷入更多的燃油进行燃烧，从而达到提高发动机功率的目的。

图1涡轮增压的工作原理

涡轮增压由废气推动的涡轮机、压缩进入汽缸空气的压缩机以及中间部分组成。

涡轮增压器利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的压缩机的叶轮，压缩机叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。

当发动机转速增快(当加速的时候)，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，压缩机的叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，这样就可以增加发动机的输出功率了。

在现有的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在“工作效率不变”的情况下增加“输出功率”的机械装置。一般能使发动机增加输出功率在10%到40%左右。

2.涡轮增压新技术

a.可变增压涡轮叶片几何技术

当发动机转速较低时，由于排气的流量较小，不容易推动涡轮叶片。这时可变涡轮几何系统中装在和涡轮叶片平行位置并且围绕它的那几片可变导流板的角度就会变小。这样可以使气流通过的空间缩小，加大流速，更容易推动叶片。

图2可变增压涡轮叶片几何技术

在转速高的时候气体流量充足，这个时候可变导流板的角度会变大让涡轮获得最大增压值。

有了可变涡轮叶片几何技术，便能在较低发动机转速下达到更高的涡轮速度。汽缸增压有明显的改善，功率及扭力方面相应也有明显的提升，在较低转速时可达到最大扭力，并可维持在一个较广的旋转范围内。

b.涡轮增压中冷技术

涡轮增压可以提高空气的密度，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%-5%，还能降低排放中的氮氧化合物(NOx)，改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。

柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。

空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。

中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。

c.双涡轮增压技术

在讨论双涡轮增压技术前，我们先了解一个涡轮增压遇到的不利现象“迟滞现象”。

当驾驶员踩油门踏板，发动机转速发生改变。由于涡轮机和压缩机有惯性，不能及时跟上这个速度的变化，这个现象称为“迟滞现象”。“迟滞现象”使发动机延迟增加或减少输出功率。这样如果你越急加速，就会感觉发动机越使不上劲。

使用双涡轮增压，就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。当发动机在2个涡轮增压器的共同作用时，进气效率大幅提升，增压效果更加显著，动力性得到很大提升。

另一方面，在发动机转速较低时，只有一个低速涡轮工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，当发动机转速提升以后，高速涡轮工作继续进入高增压值的状态，提供一个连贯的强劲动力。

这样双涡轮增压技术在提高发动机动力性的同时，可以改善涡轮增压的“迟滞现象”。

但是，双涡轮增压发动机并不能完全消除“涡轮迟滞”现象，毕竟，涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。在实际使用中，双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上。

d.涡轮增压机械增压技术

由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势，因此，由涡轮增压器和机械增压器共同组成的双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势，并且使整合在一起的这两种不同型式的增压系统实现了优势互补。

发动机在较低转速下运行时，由机械增压器提供绝大部分的增压压力，发动机输出功率的增加主要来自于机械增压系统，此时涡轮增压器由于“涡轮迟滞”增压效果并不明显。待发动机转速上升到1500 r/min左右时，涡轮增压器的增压效果开始增强，并与机械增压器共同为发动机功率的增加提供所需的增压压力。随着转速的不断提高，涡轮增压器的增压效果也在不断增强，与此同时，机械增压器的增压

效果开始逐渐减弱。当发动机转速超过3000-4000r/min时，由涡轮增压器提供全部的增压压力，发动机输出功率的增加全部来自于涡轮增压系统，此时机械增压器已经停止工作，以防止消耗发动机功率。

应该说，双增压系统发动机很好地解决了机械增压系统燃油经济性较差和涡轮增压系统在低转速时容易产生“涡轮迟滞”现象的问题，但是，由于双增压系统结构复杂，不易与发动机匹配，对于发动机零部件的制造要求也较高，因此，目前只在个别车型上实现了应用。