浅谈涡轮增压器和存在的技术问题

浅谈涡轮增压器和存在的技术问题

摘要：随着生活水品的逐渐提高，越来越多的普通家庭已经拥有了属于自己的汽车。汽车作为一大产业，对环境的影响是不可忽视的。为了满足越来越严格的排放标准，汽车企业需要不断地进行技术改进。涡轮增压器是为柴油、汽油动力装置配套的环保、节能型高科技产品，它能够很好地改善发动机的工作状况，从而满足高标准的排放要求。

虽然涡轮增压器已经广泛使用于当现生活，但是还有大部分的人对涡轮增压器不太了解。本课题主要详细叙述涡轮增压发动机的结构组成、工作原理、使用要点，以及涡轮增压器在实际生活使用中出现的一些技术问题和问题的改进方法。旨更多的人能简单了解这种生活中常能见到的先进机械的基本情况。

关键词：涡轮增压器，叶轮，爆燃传感器，全浮式轴承，使用要点

正文：

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，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，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，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，就可以增加发动机的输出功率了。

一、结构原理

先简述一下涡轮增压器的大概结构原理，废气涡轮增压器主要由泵轮和涡轮组成，当然还有其他一些控制元件。泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。以前，涡轮增压器大都用在柴油发动机上，现在一些汽油发动机也采用涡轮增压器。因为汽油和柴油的燃烧方式不一样，因此发动机采用涡轮增压器的形式也有所区别。汽油发动机不同于柴油发动机，它进入气缸的不是空气，而是汽油与空气的混合气，压力过大容易爆燃。因此，安装涡轮增压器必须要避免爆燃，这里涉及两个相关问题，一个是高温控制，另一个是点火时间控制。

强制性增压后，汽油机压缩和燃烧时的温度和压力都会增加，爆燃倾向增加。另外，汽油机排气温度比柴油机高，而且不宜采用增大气门重叠角（进、气排门同时开启的时间）方式来加强排气的降温，降低压缩比又会造成燃烧不充分。还有，汽油机的转速比柴油机高，空气流量变化大，很容易造成涡轮增压器反应滞后。针对汽油机使用涡轮增压器出现的一系列问题，工程师有针对性地一一做了改进，使汽油机也能用上废气涡轮增压器。

二、主要结构

涡轮增压器的主要结构可分成中冷器，叶轮，爆燃传感器和其他部分。

（1）中冷器：温度增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃，同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。

（2）叶轮：由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5毫米以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。

（3）爆燃传感器：除了降低温度来减少爆燃的可能外，还要采用爆燃传感器，它的作用就是在产生爆燃之时，传感器感到不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ECU（电子控制单元）控制系统，将点火定时稍推迟一点，不产生爆燃的时候再恢复正常点火定时。

（4）其他部分：涡轮增压器的关键零件是轴承。这种根据润滑形式命名的轴承被称为“全浮式轴承”，工作转速极高，工作环境恶劣。因此，保证润滑是非常重要的事情。如果因油压低导致机油供给缓慢，就会损坏轴承从而导致涡轮增压器失效。在正常的发动机启动是不会发生此类故障的，但如果发动机更换机油和机油过滤器后第一次启动，就会产生机油供给缓慢现象，使轴承缺乏机油润滑。在这种情况下，启动后要怠速运转3分钟左右，不可直接将转速提升到涡轮增压器启动转速。同样，在高速及上坡后也不要使发动机立即停止，要使发动机继续怠速运行1分钟左右，使仍继续空转的涡轮增压器轴承不会缺油。因此，使用涡轮增压器汽车的司机，一定要遵循厂家的指示操作，还要十分注意机油的质量，不宜将涡轮增压器汽车视同一般汽车进行操作。

轿车的废气涡轮增压器一般安装在排气管附近，涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接，同步旋转。

三、涡轮增压器的优缺点

优点

（1）发动机重量和体积增加很少的情况下，发动机不需要作重大改变很容易提高功率20%~50%.由于不像机械增压时增压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时功率提高甚至可大于100%。

（2）由于废气能量的收回发动机经济性会明显的提高，一般由于废气能量的回收能提高经济性3%~4%，再加上相对地减少了机械损失及散热损失，提高了发动机机

械效率和热效率，使发动机涡轮增压后油耗率降低5%~10%。

（3）涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较高的适应力，在高原地区工作时比非增压发动机功率下降要减少的多，故涡轮增压除了用来提高发动机功率外，还可用作高原发动机恢复功率。

（4）涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少，故对减少污染是有利的。

缺点

（1）至今为止涡轮增压发动机的加速性已接近非增压或机械增压发动机，但仍有差异。

（2）与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。

（3）对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发动机不宜采用涡轮增压。

四、使用中的一些问题及改进方法

（1）涡轮增压器发动机的工作效率

车用增压发动机与柴油机一样，必须有低转速大扭矩特性，要有一个较大的速度系数或一个较大的扭矩储备系数。扭矩特性交叉的原因是随着转速的增加，负荷的提高，排气温度也相应升高，增压器转速提高，增压压力上升，相应扭矩增大。这种匹配情况，不仅容易发生高速爆震，而且扭矩特性也不符合车用发动机的要求。

目前改善增压汽油机特性的措施一般有下列方法:

（a）采用放气。在增压器上装放气阀。

（b）压气机进口节流，在压气机进气处放置一个节流阀，使进口压力适当减少，相应压气机出口压力也降低。当小负荷低转速时，希望有较大的扭矩，此时，正值流量小，所以节流效果弱，增压压力没受多大的影响。当高转速大负荷时，扭矩不希望很大，而这时流量较大，节流效节流效果较强，因而增压压力得到控制。

（c）采用可变喷嘴环截面积。

（d）采用具有共振系统的复合增压。

（2）涡轮增压发动机的加速问题

涡轮增压系统在汽油机工况突变时，不能随工况变化供应的增压空气流量和增压压力，而要滞后一段时间才能适应，滞后时间越长，汽油机的加速性也越差。汽油机的增压滞后问题更显得突出，因为汽油机本身的惯性小，灵活性强，转速范围宽广，所以对增压器的反应要求更高。解决这个问题的方法有:

（a）减小进排气道的容积。过大的进排气系统的容积，特别是进气系统的容积是造成增压器反应迟缓的重要原因，因此任何有利于减少进排气系统容积的设计都有利于缩短滞后期。

（b）缩小涡轮增压器的尺寸。小尺寸的涡轮增压器具有小的转动惯量，对于提