廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓是利用內燃機排氣能量驅動廢氣渦輪增壓器實現內燃機增壓的方法。廢氣渦輪增壓器（簡稱渦輪增壓器）由渦輪機（見透平）和壓氣機(見壓縮機)兩主要部件，以及軸和軸承、潤滑系統、冷卻系統、密封件、隔熱裝置等組成。內燃機氣缸排出的高溫高速的燃氣，經排氣管供入渦輪增壓器的渦輪機，推動渦輪旋轉，渦輪再帶動與它同軸的壓氣機葉輪旋轉。壓氣機將吸入的空氣壓縮，提高了壓力的空氣流經內燃機進氣管，供入氣缸，從而達到增壓的目的。

基本介紹

• 中文名：廢氣渦輪增壓
• 外文名：Exhaust turbocharging
• 定義：利用內燃機排氣能量驅動廢氣渦輪增壓器實現內燃機增壓的方法
• 技術障礙：爆燃、混合氣控制、熱負荷和增壓器的特殊要求等

發展歷史

發動機能發出的最大功率受汽缸內能燃燒的燃料的限制，而燃料量又受每循環汽缸內能，吸人空氣量的限制。如果空氣在進入汽缸前受到壓縮使其密度增大，則同樣汽缸工作容積就可以容納更多的新鮮充量，從而可以供給更多的燃料，得到更大的輸出功率。

按照提高進氣密度增加功率的構想，早在1905年，瑞士的艾爾弗萊德·布奇(Alfred Biichi)就提出了渦輪增壓方案，並進行了早期的柴油機定壓增壓及脈衝增壓系統實驗，1925年取得成功並獲得專利。此後瑞士的布朗·保弗利(BrownBoveri)公司在船用發動機上採用了廢氣渦輪增壓，繼之航空活塞式發動機也採用了增壓技術。

而車用發動機採用渦輪增壓技術較遲，主要原因是車用發動機對渦輪增壓器的要求較高，不僅要求效率高，流量範圍寬，能滿足車輛發動機變工況的要求。而且還要求結構簡單，體積小，質量輕，造價低廉。直到20世紀50年代後期，增壓技術才廣泛套用到車用柴油機上，並逐步推廣到汽油機中。絕大部分的大功率柴油機、半數以上的車用柴油機以及相當比例的高性能汽油機，均已採用增壓技術。一般而言，增壓後發動機功率可比原機提高40%一60%，甚至更多，發動機的平均有效壓力可達到3MPa。增壓技術特別是增壓中冷技術，被視為提高車用發動機動力性、經濟性及降低排放的有效措施。

工作原理

內燃機由於受結構尺寸的限制，燃燒氣體在氣缸內不能充分膨脹至大氣壓力。因此，排氣開始時氣缸內的燃氣壓力遠比大氣壓力高，這樣，排氣就具有一定能量。廢氣渦輪增壓系統將排氣能量有效地傳給渦輪機，使渦輪機獲得較高的效率，同時有利於內燃機氣缸的掃氣。

分類

根據排氣管中壓力狀況和排氣能量的利用方式，廢氣渦輪增壓系統一般分為定壓增壓系統和脈衝增壓系統兩類。

定壓增壓系統

內燃機所有氣缸的排氣都通入一根粗大的排氣總管，然後再流入渦輪機。排氣總管實際上起穩壓作用，以使總管內的氣體壓力基本恆定。這樣，渦輪在穩定氣流下工作，故渦輪機效率較高。但採用這種系統時內燃機加速性能和低負荷性能較差，所以定壓增壓系統只適用於高增壓、工況變化少的場合。

脈衝增壓系統

這種系統的特點是在排氣管中造成儘可能大的壓力脈動。為此，排氣支管被做得細而且短，渦輪儘可能靠近內燃機氣缸。排氣互不干擾的幾個氣缸(通常是二缸或三缸)的排氣支管連在一根排氣管上，這樣，每根排氣管中就形成兩個或三個連續的排氣脈衝波。渦輪機的噴嘴環按排氣管數目分組隔開，它們互不干擾。採用脈衝增壓系統能充分利用排氣能量，改善變工況性能;但渦輪是在脈動氣流狀態下工作，故渦輪機效率較低。為克服兩種系統的缺點，人們已研製出脈衝轉換系統和多脈衝系統。它們多用在氣缸數不是3倍數的柴油機上。

利用

廢氣渦輪增壓器的主要參數及範圍

現代渦輪增壓器是批量生產的系列化產品，由生產廠按內燃機的功率區段分檔形成若干個基本型。在基本型上適當修改壓氣機和渦輪機的結構尺寸、殼體結構等即可形成變型產品，用以滿足各類內燃機的增壓要求。

廢氣渦輪增壓內燃機實質上是往復活塞式內燃機與旋轉式葉輪機相結合的一種複合式發動機。兩者工作特點不同，必須互相匹配，即壓氣機流量特性與各種工況下內燃機所需流量率相一致；驅動渦輪機所需要的能量與內燃機排氣可提供的能量相平衡。

渦輪增壓技術

車用汽油機廢氣渦輪增壓的普及性遠不如柴油機，其主要技術障礙在於爆燃、混合氣控制、熱負荷和增壓器的特殊要求等方面。

1．爆燃

由於增壓後，進氣溫度和壓力升高，及燃燒室受熱零件熱負荷增高等原因，將促使爆燃發生。為此，必須降低壓縮比、推遲點火時刻、採用進氣中冷等措施。汽油機的增壓比一般比柴油機低得多，一般不超過2。

2．混合氣調節

汽油機採用定質變數調節，化油器式發動機進行增壓時，氣流流經化油器喉口的壓力是變化的，不僅難於精確供給一定濃度的混合氣，還增加了一些如增壓方案的選擇、化油器的密封、加速回響性能等新問題。電控汽油噴射技術的套用，為增壓技術在汽油機中的套用掃除了一大障礙。

3．熱負荷

汽油機的過量空氣係數小，燃燒溫度高，膨脹比小，排氣溫度比柴油機高200～300℃。增壓後，汽油機整體溫度提高，同時，為避免可燃混合氣損失，·氣門疊開角不大，燃燒室的掃氣作用不明顯，因此，增壓汽油機的活塞、排氣門以及廢氣渦輪的熱負荷均比增壓柴油機嚴重。

4．對增壓器的特殊要求

汽油機增壓比低、流量範圍廣、熱負荷高、最高轉速高且轉速範圍大。這就要求增壓器體積小、耐高溫性能好、轉動慣量小、效率高。總體而言，汽油機的增壓技術在過去的20年中獲得了重大突破。隨著電子控制技術的大規模套用，以及高性能增壓器的不斷出現，如陶瓷渦輪轉子、可變截面渦輪增壓器等，汽油機增壓技術將獲得較快的發展。

結構特點

為了適應廢氣渦輪增壓的需要，發動機的結構與工作參數要進行適當的改動。

1．壓縮比

為了降低爆發壓力，增壓發動機應適當地降低壓縮比。尤其是汽油機，增壓更容易產生爆燃，因此，降低壓縮比是比較普遍的選擇。

2．過重至氣係數

為了降低發動機的熱負荷和排氣溫度，改善經濟性，一般增壓柴油機的過量空氣係數比增壓之前增大10%一30%。

3．供油系統

由於燃料供給量加大，柴油機需加大每循環供油量。為保證供油持續期基本不變，常用方法是增大柱塞直徑並加大噴孔直徑，以增加供油速率。又由於壓縮終點壓力和溫度提高，相應地提高噴油壓力，減小噴油提前角。汽油機增壓後，燃油供給裝置及點火系統也要相應調整。

4．進、排氣系統

(1)配氣相位

因增壓發動機熱負荷加大，應合理加大氣門重疊角，利用增壓空氣增強汽缸掃氣，降低氣門、活塞等部件熱負荷。由於掃氣增強，排氣溫度降低，渦輪的工作條件得到改善；同時由於廢氣掃除徹底及進氣溫度降低，使充量係數提高。但當增壓壓力較高及採用進氣中冷技術時，氣門重疊角則與非增壓差不多。

(2)進、排氣偕

進、排氣管的設計與增壓器的使用要求一致。增壓發動機的進氣管容積希望大一些，以減少進氣壓力脈動，提高壓氣機效率和改善發動機性能。

5．曲柄連桿機構

由於增壓柴油機的機械負荷與熱負荷增大，承受機械負荷的曲柄、連桿等零件在強度上相應加強，對熱負荷增大的零件，如活塞等，應加強冷卻。

優缺點

優點

（1）較大地提高了發動機的體積功率和升功率。

（2）改善了發動機的工作轉速範圍內的扭矩特性。

（3）與同功率的自然吸氣發動機相比，顯著降低了燃油消耗量。

（4）降低了有害氣體排放。

缺點

（1）增壓器安裝在發動機熱側（排氣管路上），為此要使用高耐熱材料。

（2）為安裝增壓器、中冷器，需要增加結構費用和安裝空間。

（3）發動機在低速範圍扭矩增加不及高速範圍的扭矩增加。

（4）對發動機負荷變化的反應與增壓器的匹配性有關。