可变喷嘴涡轮增压器

李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
图1-1径流式涡轮增压器结构及工作原理
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成 压气机主要由压气机工作轮（叶轮）、扩压器、压
气机蜗壳组成。
涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。
不同，二者难以良好的匹配。
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二

而可变喷嘴技术可以有效解决前述问题。
可变喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同
旋转，随着喷嘴环叶片角度的改变，涡轮
机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角
度和速度都将发生变化，从而改变了涡轮
机的转速和压气机出口端的增压压力。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速
度上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压 压力和进气量；发动机高速运转时，喷嘴环截面 积增大，涡轮转速下降，防止增压器超速．发动 机加速时，为了提高增压器的响应速度，可减小
喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
采用
VNT 后可以有效地满足增压器与柴油机的匹配
要求，从而显著地改善柴油机的性能，下图所示为采 用 VNT 与采用普通增压器之间的发动机性能比较
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
西欧轿车及轻型车用涡轮增压发动机生产状况
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
径流式涡轮示意图
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二

进气壳（蜗壳）的作用，是把发动机排出的具有 一定能量的废气，以尽量小的流动损失和尽量均 匀分布引导到涡轮喷嘴环的入口。
径流式向心涡轮的进气壳一般与排气壳连在一起， 进气道设置在喷嘴环径向的周围，距离进气口越远， 流通截面越小，使得流量沿圆周均匀地分布。由于 进气流动损失小，因此多采用切向进气方式。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
图1-4 压气机叶轮的结构形式 a) 开式 b) 半开式 c）闭式 d) 星形
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

压气机叶轮是压气机中唯一对空气做功的部件，它将在 同一转轴上涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动 能，压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分。中小型 涡轮增压器将两者铸造成一体，大型涡轮增压器则是将 两者装配在一起。导风轮是叶轮入口的轴向部分，叶片 入口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是 使气流以尽量小的撞击进入叶轮。根据叶轮轮盘的结构 形式不同，压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式、星 形等形式。开式叶轮没有轮盘，流动损失大，叶轮效率 低，且叶片刚性差，易振动。闭式叶轮既有轮盘又有轮 盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高，但结构复杂， 制造困难。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭 式之间。但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都 较高，在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮是在半开式 叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量， 从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受 很高的转速，多在小型涡轮增压器中应用。按叶片的长 短，压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。 全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径 叶轮，进口处气流阻塞较为严重。因此，小型涡轮增压 器中多采用长短叶片叶轮，图1-4是几种典型的压气机 结构。
2014年9月2日星期二
近年来，车用增压柴油机的性能不断改善，平均有
效压力大幅度提高，但普遍存在着低速转矩不足，
加速性差，加速冒烟，冷起动困难等缺陷。随着增
压压比的提高，低工况进气不足的问题尤显突出； 加速性和排放更加恶化，同时涡轮增压器本身的性 能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。这些问 题的出现，主要是由于柴油机与增压器的工作方式
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

在径流式涡轮中，废气的流动方向是 近似沿径向由叶轮边缘向中心流动， 在叶轮出口处转为轴向流出。径流式 涡轮有较大的单级膨胀比，因此结构 紧凑、体积小、质量轻，在小流量范 围涡轮效率较高，且叶轮强度好，能 承受很高的转速，在中小型涡轮增压 器上得到广泛应用，其结构形式如下 图所示。
压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的 空气，并将其引导到发动机的进气歧管。 由于从扩压器出风口出来的空气仍然具有 较大速度，而蜗壳可将其动能进一步转化 为压力能。因此，压气机蜗壳也具有扩压 效果。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

压气机蜗壳按流道沿圆周 变化与否，可分为变截面 蜗壳和等截面蜗壳。变截 面蜗壳的截面面积沿圆周 方向逐渐变大，符合越接 近出口收集的空气越多这 一规律。因此，流动损失 小，效率高。其最大的特 点是外形尺寸小，对缩小 涡轮增压器的尺寸有利， 其结构形式如图1-6所示。 等截面蜗壳的流道截面是 不变化的，其流动损失大， 效率低，目前已很少使用
2014年9月2日星期二
图1-3 变截面蜗壳 图1-2 离心式压气机结构示意 1—图 进气道 2—压气机叶轮 3—压气机蜗壳 4—扩压器
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面 蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周 方向逐渐变大，符合越接近出口收集的空气越多这 一规律。因此，流动损失小，效率高。其最大的特 点是外形尺寸小，对缩小涡轮增压器的尺寸有利， 其结构形式如图1-3所示。等截面蜗壳的流道截面 是不变化的，其流动损失大，效率低，目前已很少 使用。
两种增压器外特性排放 对比
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

从上述3图可以看出VNT增压器增加了低速区域 的扭矩；改善了低速区域的烟度，在中高速区域 与原机相差不大；所有转速范围内油耗率全面优 于旁通增压器，油耗降低3%左右；但NOx的排放 量在低速时要高于原机10* 10-6，这主要是由于 加大了进气量，形成富氧环境。由于旁通阀的高 速放气，不致于使进气量过多而引起增压器过载， 所以，在进行VNT 增压器外特性标定时，力求增 加低速时的进气量，高速时比旁通增压器低一些。
图1—6 变截面蜗壳
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二


涡轮 按燃气流过涡轮叶轮的流动方向，可将涡轮分为轴 流式、径流式和混流式三类。 在轴流式涡轮中，废气沿近似与叶轮轴平行的方向 流过涡轮。轴流式涡轮体积大，流量范围宽，在大 流量范围中有较高的效率。因此，在大型涡轮增器 上被广泛采用。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为 前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等。 前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲，这种 叶轮对空气的做功能力最大，但其做功主要是增加 了空气的动能，对压力能却提高较少，这就要求空 气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。 因为扩压器和蜗壳的效率比叶轮低，因此导致压气 机整体效率降低，故涡轮增压器中不采用这种叶轮。 径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩 压器中的轨迹近似是一对数螺旋线。即气流流 动的痕迹在任意直径处与切线的夹角基本不变。 正因为如此，空气的流动路线长，从而损耗大， 效率低，扩压器出口容量小，在出口具有相同 容量的条件下，效率要比叶片扩压器低。但无 叶扩压器的流量范围宽，结构简单，易于制造， 在经常变工况运行的小型涡轮增压器上使用广 泛

李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
喷嘴环 喷嘴环又称导向器，流通截面呈渐缩形，其作用
是使具有一定压力和温度的废气膨胀加速并按规
定的方向进入工作叶轮，喷嘴环可分为叶片角度 可变与固定两种形式。
有 叶 喷 嘴 环 结 构 示 意 图
李江 动力工程 2013222007
压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片
组成，喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通 截面积的大小。喷嘴环叶片均匀地排成环状并 与齿轮相连，齿轮受到喷嘴控制环的控制，当 执行机构的拉杆来回移动时，喷嘴控制环往复 摆动，通过啮合的齿轮，使得各喷嘴环叶片改 变角度，从而实现改变喷嘴环出口截面积的目 的。
李江 动力工程 201wk.baidu.com222007
2014年9月2日星期二

径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。这种叶轮 的压气机效率比前弯叶片高，比后弯叶片的低，由 于其强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度，从 而在增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。后 弯叶片叶轮的叶片沿逆旋转方向弯曲，虽然它的作 功能力小，但空气压力的提高大部分是在叶轮内完 成的。这种叶轮由于压气效率高，应用也较多。前 倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮)，如下图所示，其 叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾，这种叶 轮不仅压气机效率高，而且高效率范围宽广，近年 来在车用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。
此外还有转轴、轴承、密封与隔热装置等
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
全 浮 动 轴 承 截 面 示 意 图
李江 动力工程 2013222007
的组合形式。气流先经过无叶扩压器，再进入叶片扩压器，
气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
叶 片 扩 压 器
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
压气机蜗壳
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
第1节涡轮增压器组成结构
第2节可变喷嘴涡轮增压器(VNT)
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

废气涡轮增压器主要是利用发动机排出的 废气驱动涡轮，同时带动同轴的压气机高 速旋转，压缩空气并将其送入进气歧管， 从而增大进气密度。近年来，涡轮增压器 在车用柴油机上应用已越来越普遍，其最 大的特点是可大大改善发动机的燃油经济 性，提高动力性，在一定程度上改善排放 性。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
叶片扩压器是在环形通道上加上若干导向叶片，使气流沿
叶片通道流动。叶片扩压器根据叶片形状不同又可分为平 板形叶片扩压器和机翼形叶片扩压器。由于气流的流动路 线短，流动损失小，故效率高。由于叶片构造角沿径向增 大，使气流的流通面积迅速增大，因此扩压能力大。但当 流量偏离设计工况，叶片入口气流角不等于叶片构造角时， 将产生撞击损失，使效率急剧下降。在工况范围变化不大 的大中型涡轮增压器上，常采用无叶扩压器和叶片扩压器
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

大连理工郭鹏江等 人以右图的柴油机 为实验设备实验得 到匹配VNT增压器 和带旁通阀增压器 的柴油机外特性性 能对比。
发动机技术参数
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
两种增压器外特性对比 压两 力种 对增 比压 器 外 特 性 压 后
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
前倾后弯式叶轮
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二

扩压器的作用是将从压气机叶轮出口流出 的高速空气进一步减速增压，以实现动能 向压力能的转变。扩压器的效率是动能实 际转化为压力能的转化量和没有任何流动 损失的定墒过程动能转化为压力能的转化 量之比。扩压器效率的高低对压气机的整 体效率有重要的影响，按结构形式的不同， 可将扩压器分为无叶扩压器和叶片扩压器 两种。