渦輪增壓

離心式壓氣機與渦輪組合成一個整體，稱為渦輪增壓器。它與燃氣輪機的主要差別在於：該機組不設燃燒室及相應的系統，渦輪是利用往復式內燃機的排氣能量工作，而且它的離心式壓氣機提供的壓縮空氣作為往復式內燃機的充量。渦輪增壓器中壓氣機葉輪與渦輪裝配在同一根轉軸上稱為轉子，置於同一轉子軸上且一同轉動的尚有密封件及承推片等。

轉子是渦輪增壓器的關鍵部件。除此之外，渦輪增壓器還包括正常運轉所必須的軸承裝置、潤滑與冷卻系統、密封與隔熱裝置以及壓氣機殼、中間殼與渦輪殼等固定件。

渦輪增壓器因渦輪類型不同而分為徑流式渦輪增壓器與軸流式渦輪增壓器。

基本介紹

• 中文名：渦輪增壓
• 外文名：Turbocharger
• 分類：徑流式渦輪增壓器、軸流式渦輪增壓器等 
• 功能：提升內燃機的馬力輸出 
• 部件：轉子、軸承裝置、潤滑與冷卻系統、密封與隔熱裝置、壓氣機殼等 
• 發展趨勢：可變混流式渦輪增壓、可變二級增壓技術等 

發展歷史

19世紀末期，隨著葉輪式機械的誕生，人們便認識到它與活塞式內燃機的不同。1905年11月瑞士工程師布希（ Alfred Buchi）提出了活塞式內燃機與葉輪式機械相結合的方案即廢氣渦輪增壓器。1925年布希獲得“脈衝增壓”專利，21世紀仍作為提高內燃機性能的重要手段繼續被研究。

20世紀20年代，瑞士某公司首先設計並試製成第一台廢氣渦輪增壓器，和四衝程柴油機匹配。這台增壓器增壓比為1.3，採用兩級離心式壓氣機，是柴油機發展史上另一個里程碑。1926年，世界上第一家增壓器公司在瑞士成立，同年德國生產出第一批渦輪增壓柴油機，使柴油機的功率由423 kW提高到551 kW，提高了30%。但其增壓比不超過15，使用壽命也比較短。

20世紀40年代，渦輪增壓器的技術逐步成熟起來，如美國某公司早期生產低壓比的BF、E系列，1949 年開始生產的L、H系列，60 年代生產的C系列，瑞士某公司公司制定的VTR系列，英國某公司制定的MS和HP系列等。這一時期代表性的增壓器是法國某公司於1962年在漢諾瓦展覽會上首次展出的HS-400渦輪增壓器，增壓比達25，渦輪進（最高溫度600，最高轉速為20000r/min，增壓器重145 kg，用於功率294.2~441.3kW馬力的柴油機。

從20世紀50年代初到60年代初，船用柴油機增壓度從30%提高到了60%，這兩者使柴油機功率達到了22065kW。20世紀70年代，渦輪增壓器朝著高壓比、超高壓比的方向發展。如瑞士某公司1978年底完成的VTR4系列將壓比提高到了4.0-4.5，總效率達到了64%-65%，而其開發的TPS系列船用增壓器，致力於高流通能力和高壓比，全負荷時壓比達到4.7。在壓比升高的同時，增壓器的流量範圍也進一步擴大。渦輪增壓器的壓氣機在相同的殼體下，在高效率區域內最大流量和最小流量之比可達3.5以上。在研製高壓比、流量的增壓器同時，渦輪增壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其製造工藝也相應的簡化。如一種新的潤滑油泵，它能利用離心力的作用分離出潤滑油中的雜質，從而提高軸承的壽命。再如某公司的SUPER MET渦輪增壓器採用新的進氣消音器後使壓氣機效率提高1.5%~3.5%。

百科x混知：圖解渦輪增壓

中重型車輛已經普遍選用柴油機作為動力。在西歐，轎車選用柴油機的比例逐年上升，其中柴油機轎車市場占有率已達30%~50%。現代柴油機已是高新技術產品的代表之一，現代柴油機具有節能、低污染的先天優勢，能滿足日益嚴格的排放法規要求，這得益於普遍採用了渦輪增壓技術。通過採用渦輪增及渦輪增壓中冷技術可提高氣缸充量容積效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不變，可降低廢氣煙度、廢氣溫度和發動機的熱負荷。在內燃機的發展歷程中，渦輪增壓技術的套用在提高內燃機的比功率和燃油經濟性、降低排放等方面發揮了重要的作用，被譽為內燃機發展史上的第二個里程碑。

工作原理

汽油發動機是靠汽油與空氣形成的可燃混合氣在缸內燃燒做功輸出動力的，電噴汽油發動機輸出功率和轉矩的的大小取決於進入氣缸內的空氣量，當發動機的運行性能已處於最佳狀態時，要想提高其輸出功率只有通過壓縮更多的空氣進入氣缸來增加可燃混合氣量，從而提高燃燒做功能力，提高其輸出功率。渦輪增壓器即是利用壓力推動殼體裡的泵輪葉輪旋轉從而帶動進氣增壓室渦輪葉輪將空氣壓進氣缸，從而使提高發動機輸出功率的控制裝置。

圖1：渦輪增壓器的工作原理示意圖

廢氣渦輪增壓器的工作原理如圖1所示。發動機排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上（渦輪室進氣口）。當發動機排出的具有一定壓力的高溫廢氣經渦輪殼4進入噴嘴環3時，由於此處面積由大到小，因而廢氣的壓力和溫度下降，流速迅速提高。高溫高速的廢氣氣流衝擊渦輪2，使渦輪高速旋轉，廢氣的壓力、溫度、流速越高，渦輪轉速也越高。通過渦輪的廢氣後排入大氣。這時與渦輪2同裝在一根轉子軸5上的壓氣機葉輪9也以相同的速度，將經空氣濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機殼10。高速旋轉的壓氣機葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，並進入形狀做成進口小出口大的擴壓器8，使氣流的速度下降，壓力升高。再通過斷面由小到大的環形壓氣機殼10，使空氣壓力繼續升高。最後，高壓空氣流經中冷器11和發動機進氣管6進入氣缸。由於增大了充氣效率，使燃油燃燒更加充分，在排量不變的情況下使發動機輸出更大的功率。

結構

汽油機渦輪增壓系統是由渦輪增壓器和中冷器兩部分組成，通過渦輪增壓器壓縮空氣，由中冷器對壓縮後的空氣進行冷卻。渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在通往進氣歧管的進氣管路上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸鋼性聯接。中冷器是渦輪增壓系統的一部分。空氣被高比例壓縮後溫度會升高，容積率反而降低。所以，增壓後的空氣在進入氣缸前要對其進行冷卻。原理是在發動機和渦輪增壓器之間加裝一個散熱器（稱作中央冷卻器，簡稱中冷器），結構類似於水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細小的管道里，管道外有常溫空氣高速流過（有的採用循環水冷或冷卻風扇），達到降溫的目的（可以將壓縮空氣的溫度從150℃降到50℃左右），在提高發動機功率輸出的同時，降低了發動機壓縮始點的溫度和整個循環的平均溫度，從而降低了發動機的排氣溫度、熱負荷和 NO_x的排放。

技術分類

主要的渦輪增壓技術有混流式渦輪增壓技術、可變渦輪增壓技術、兩級渦輪增壓技術、電輔助渦輪增壓技術。

（1）混流式渦輪增壓技術

混流式渦輪也稱斜流式渦輪，是一種介於徑流式渦輪和軸流式渦輪的一種中間形式。如圖2所示，由於葉片進口傾斜，使得氣流能很好地適應葉型的變化而平緩地過渡至軸向，並且可以有效地防止葉輪出口外徑增大帶來的輪緣處氣流脫離現象，使葉輪的內部流場大為改善，與同樣輪徑的徑流式渦輪相比，流通能力增加約40%，可以滿足渦輪增壓器向高速、大容量變化發展要求。世界各國最新車用增壓器產品上，已採用大容量混流式渦輪和寬流量範圍的前傾後彎壓氣機來獲得高效率的增壓器性能。

圖2：混流式渦輪增壓技術

（2）可變截面渦輪增壓技術

渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進氣截面、蝸殼出口環形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調節因實現起來較為複雜且易造成較大損失，調節效果不如前兩者，故一般不予考慮。基於此可變渦輪增壓器有兩種結構，即可動舌片增壓結構和可變噴嘴增壓結構。對於無葉徑流式渦輪機，採用可動舌片增壓結構。如圖3所示，在渦輪進氣截面後加擺動舌片，通過舌片的擺動，改變蝸殼的面徑比A/R值，對進氣量進行調節。在發動機低速時，減小A/R值，提高渦輪轉速，增加進氣壓力；當發動機轉速較高時，增加A/R值，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。可動舌片增壓結構簡單，調節方便，易實現自動控制，但由於流動損失較大且調節範圍有一定限制，增壓器總效率低。

圖3：可動舌片增壓結構

對於有葉徑流式渦輪機，採用可變噴嘴增壓結構。此結構主要適用於在大排量重型車用渦輪增壓發動機。如圖4所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發動機低速或怠速時，噴嘴葉片關閉或開度很小，增加進氣壓力，從而提高發動機的低速轉矩和回響性；當發動機轉速較高時，噴嘴葉片全開或開度加大，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問題，在設計和製造上難度較大，生產成本高。

圖4：可變噴嘴渦輪增壓器

（3）二級渦輪增壓技術

二級渦輪增壓技術，就是在發動機進氣系統中採用兩個相互獨立的渦輪增壓器，實現增壓器與發動機在更大工況範圍的良好匹配的一種技術。如圖5所式該渦輪增壓系統由一大一小兩個渦輪增壓器串聯搭配而成。在發動機低速時，只有一個質量小的渦輪增壓器工作，這時較少的排氣即可驅動這隻渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，改善發動機的低速轉矩和渦輪遲滯問題。當發動機轉速較高時，質量大的渦輪增壓器開始介入工作，提高進氣量，保證發動機的動力輸出。

圖5：二級渦輪增壓技術

二級渦輪增壓技術在提高發動機動力性和加速性的同時，可以改善渦輪遲滯現象，但與單級系統相比，在部分負荷時採用二級增壓系統增壓比下降快，使得發動機低負荷性能惡化。此外，二級渦輪增壓器結構複雜，製造成本較高。

（4）電輔助渦輪增壓技術

如圖6所示，電輔助渦輪增壓系統主要增加了電動機/發電機、電路控制單元、電池、高功率逆變電源和一些感測器。其中，電控單元和電池可與發動機共用。在發動機低速時，電控單元發出控制信號，電機啟動驅動壓氣機工作，電池中儲存的電能轉化為壓氣機的動能，增壓進氣壓力，改善發動機的加速性和低速轉矩問題。當發動機轉速上升到一定程度，壓氣機能夠提供足夠的空氣時，電機就可以關閉或脫開。當發動機在高速大負荷工況時，電控單元發出控制信號起動發電機，回收渦輪能量中的一部分，通過發電機轉化為電能儲存在蓄電池中心。電輔助技術改善了發動機的低速轉矩和渦輪遲滯問題，降低了燃油消耗率，擴大了發動機的高效、經濟區域。但由於輔助電機加入使得轉動慣量增加，對電機轉子結構和增壓器軸提出了很高的要求。

圖6：電輔助渦輪增壓技術

常見故障

（1）增壓效果差

主要表現在動力下降，冒黑煙、藍煙，燃油經濟性差，機油消耗量明顯過多。其原因有三方面：

①空氣濾清器太髒，不能向發動機提供高密度的潔淨空氣；

②葉輪破損，引起進氣量不足；

③進氣的灰塵太多，葉輪和增壓器殼接縫處有油泥，影響了增壓器葉輪轉速，造成進氣量不足。

（2）增壓壓力偏低

增壓壓力偏低是指與正常情況相比（增壓壓力低於正常值的 90%）。增壓壓力偏低，使氣缸內充量減少，不但柴油機功率下降，而且會使氣缸內燃燒過程惡化，油耗和排氣溫度升高。

（3）增壓器一端或兩端漏油

這是比較常見的故障，也是影響增壓器使用壽命的主要原因。增壓器轉速很高，其浮動軸承的潤滑全靠來自油底殼的潤滑油潤滑。以正常壓力進入軸承間隙的機油在通過軸承工作面後，機油壓力變為零，靠自身重力流回油底殼，不會從增壓器兩端流出。在正常工作時，增壓器兩葉輪之間有一定的壓力，機油是不會從低壓的軸承區流向兩端高壓區的，而且兩葉輪和浮動軸承之間還有密封環，一般情況下不會發生漏油現象，但在下列情況下機油有可能從增壓器兩端漏出。

①浮動軸承磨損

長期不換機油或空氣濾清器失效造成太多沙塵進入增壓器，嚴重磨損浮動軸承，造成軸承間隙過大，油膜不穩定，在高轉速下，增壓器很快就出現不平衡，轉子軸系振動加劇，破壞了兩端的密封，造成潤滑油泄漏。

②空氣濾清器太髒或堵塞

當空氣濾清器因灰塵過多或其他原因造成供氣不良時，會導致壓氣機進氣負壓太高，使壓氣機一端內壓高於外壓，機油在壓力差的作用下從進氣管一端流出。

③回油不暢

當機油從增壓器浮動軸承流出後，靠自身重力流回油底殼。但當回油管路發生 變形或堵塞，或當曲軸箱內因廢氣壓力過高造成回油管內有壓力時，從浮動軸承流出的機油就不會很暢快地流回油底殼，而沿轉子軸從兩端密封環流出，造成漏油。

④發動機長時間怠速運轉也會造成增壓器漏油

當發動機長時間怠速運轉時，會在增壓器渦 輪及壓氣機葉輪後產生負壓，從而造成從浮動軸承流出的機油在壓力差作用下向外泄漏。

（4）增壓器喘振

除因增壓器與柴油機匹配不當而引起壓氣機喘振外，匹配良好的增壓器在運行條件變化時，仍可能出現喘振現象，其根本原因是壓氣機空氣流量減少。

（5）排氣溫度過高

排氣溫度過高，將影響渦輪壽命，原因是氣缸後燃嚴重，可能是增壓壓力偏低，氣缸內空氣不足；或因噴油提前角偏小，噴油器霧化不良，供油量偏大等。

（6）增壓器轉速過高

增壓器轉速過高的原因是渦輪進氣口處能量相對過高或壓氣機的負荷相對過小。

（7）增壓器異常振動及噪聲

增壓器產生異常振動和噪聲，直接影響增壓器的使用壽命。其主要原因有：

①增壓器轉子軸彎曲變形或葉片變形。

②軸承損壞使葉輪外弧與殼體間隙消失，發生摩擦。

③轉子積碳造成動平衡精度下降。

④與增壓器連線的管路局部漏氣。

正確使用

渦輪增壓器經常處於高速、高溫下工作，增壓器廢氣渦輪端的溫度在600℃以上，增壓器的轉速也非常高，達 12000rpm以上。因此為了保證渦輪增壓器的正常工作，對它的正確使用和維護十分重要。渦輪增壓汽油機在使用中的注意事項主要有以下幾點：

（1）發動機起動後，不能立即起步或猛轟油門。一般要怠速運轉3分鐘，特別是在冬季，至少需要熱車5min 以上，以使機油溫度升高，流動性能變好，在增壓器轉子高速運轉之前讓潤滑油充分潤滑轉子軸承。同時，發動機剛起動後，由於機油溫度低、粘度大，如猛轟油門，會使機油壓力過高而損壞增壓器油封。

（2）發動機熱機狀態下不能立即熄火（未單獨安裝增壓 器冷卻系統的發動機）。渦輪增壓器的轉子軸承是靠一定壓力的機油來潤滑和冷卻的。熱機狀態下的發動機如突然熄火，機油壓力會迅速降低，則增壓器渦輪部分的溫度會迅速上升。同時增壓器轉子仍在慣性作用下高速旋轉，這樣就會造成渦輪增壓器轉子軸與軸承“咬死”而損壞軸承和軸。

（3）發動機突然熄火後，排氣歧管上的熱量會被吸收到渦輪增壓器殼體上，將停留在增壓器內部的機油熬成積碳，阻塞進油口，導致軸承缺油，加速渦輪轉軸與軸承之間的磨損。因此發動機熄火前應怠速運轉3～5min，使渦輪增壓器的溫度和轉子的轉速下降。特別要防止猛踩幾腳油門後突然熄火。此外值得注意的是渦輪增壓發動機不適宜長時間怠速運轉，一般應限制在10min之內，否則會因為機油壓力過低造成轉子軸承潤滑不良而損壞。

（4）嚴禁採用“加速-熄火-空擋滑行”的操作方法，因發動機在全負荷高溫下突然熄火，機油泵停止工作，潤滑油不能帶走增壓器內零件的熱量，會導致增壓器的損壞。

（5）使用廠家規定牌號機油，並定期更換機油及機濾；增壓器的潤滑油管線在高溫作用下內部機油容易結焦，應定期進行清洗。

（6）定期清潔或更換空氣濾清器，防止灰塵等雜質進入高速旋轉的壓氣機葉輪，造成轉速不穩或軸套和密封件加速磨損。

（7）檢查渦輪增壓器的運轉情況。在出車前、收車後，應檢查發動機進氣管路的連線部分，防止出現鬆動、脫落情況造成渦輪增壓器失效或空氣短路直接進入氣缸。檢查渦輪增壓 器是否有漏油、漏氣現象；增壓器殼體是否有過熱、變色、裂紋等現象，如有立即查明原因加以排除或更換。當渦輪增壓器出現異響時，決不能繼續使用，應找出原因，加以排除。

發展趨勢

為解決發動機低速轉矩和渦輪遲滯等問題，降低燃油消耗率，減少有害物的排放。渦輪增壓技術主要向以下三個方向發展：

（1）可變混流式渦輪增壓技術

可變混流式渦輪增壓技術綜合了可變截面渦輪增壓技術和混流式渦輪增壓技術。事實證明：使用可變噴嘴渦輪增壓器後能夠有效的改善發動機低速轉矩和渦輪遲滯問題，降低有害物的排放。而混流式渦輪則在高轉速、小型化、大容量的發展方向下較徑流式渦輪有著較為顯著的優點。因此，將可變噴嘴與混流式渦輪結合，設計出可變混流式渦輪增壓（VN-MT）成為增壓器的研究方向之一。

（2）可變二級渦輪增壓技術

可變二級增壓技術融合了可變截面渦輪增壓技術和二級渦輪增壓技術，極大拓寬了增壓器高效流量範圍，在重型柴油機和高性能轎車柴油機上都有良好的套用前景。如圖7所示，在發動機低速時，調節閥關閉，所有廢氣先經高壓級渦輪膨脹，再經低壓級渦輪膨脹；當發動機在高速大負荷工況時，調節閥打開，部分廢氣不經高壓級渦輪而直接經低壓級渦輪膨脹後排出，以降低高壓級渦輪功，從而降低高壓級壓氣機壓比，使總進氣壓比不超過設定值。

圖7：可變二級渦輪增壓技術

此外，對於高原柴油機，由於空氣密度較低，進氣量減少，只採用單級渦輪增壓技術不能夠滿足柴油機動力性要求。可變二級渦輪增壓技術可以使發動機在全海拔具有最佳的動力性和燃油經濟性。可以認為可變二級增壓技術是提高發動機的升功率、低速轉矩，滿足未來嚴格排放法規和滿足未來高功率密度發動機需求的重要技術。

（3）複合增壓技術

複合增壓技術同時採用機械增壓技術和渦輪增壓技術，理論上可以徹底消除渦輪遲滯問題。但由於複合增壓器結構複雜，因此長期以來在套用上受到一定的限制，一般只用在二衝程柴油機和一些特殊場合。如圖8所示，在發動機低轉速時，用機械增壓器提供進氣，從而消除渦輪介入前由於壓縮比不夠高造成的功率下降問題；當發動機轉速達到一定程度，渦輪完全啟動後，機械增壓器自動斷開，由渦輪增壓器提供進氣。複合增壓型發動機很好地發揮了機械增壓技術和渦輪增壓技術的優點，在發動機全工況範圍，提高發動機的輸出功率和輸出轉矩，徹底消除渦輪遲滯問題，它代表著未來渦輪增壓技術的發展方向。

圖8：複合增壓技術