淺析渦輪增壓系統(tǒng)工作原理和應(yīng)用

韋春健 許慧洋

摘要：介紹渦輪增壓對提高發(fā)動機(jī)功率的顯著作用，分析其利用廢氣做功，增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣密度，使得氣缸內(nèi)燃燒更完全，達(dá)到提高輸出功率的基本工作原理。其次，分析渦輪增壓系統(tǒng)在排氣管結(jié)構(gòu)選擇、增壓器類型選擇等方面針對不同工況的應(yīng)用情況，指出渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用應(yīng)該向更高效、更可靠、尺寸更小等方面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓；工作原理；應(yīng)用

中圖分類號：U664.121文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Simple analysis on the principle and application of turbocharging system

WEI Chunjian1, XU Huiyang2

( 1.Navy Equipment Department Guangzhou Bureau,Guangzhou510320;2.Guangzhou Shipyard Internationat Co.,Ltd.Guangzhou 510382 )

Abstract: Its introduced the significant effects of turbocharging on improving the engine power, and then analyzed the basic working principle to improve the output power, using the flue gas to do work, increasing the gas density, to make the combustion in cylinder more complete. Next, the application of the turbocharging system is analyzed on different situations. Its about the choice of exhaust pipe structure and supercharger types. Finally, its pointed out that the turbocharging system should bemore efficient, more reliable, smaller in the future.

Key words: turbocharging;working principle;application

1概述

在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程中，增壓技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展有效地提高了內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力，從而大幅地提高了發(fā)動機(jī)的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性，被譽為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的第二個里程碑[1]。

渦輪增壓器的特點在于通過加強易燃性，提高空氣和燃料的混合比，從而大幅度提高發(fā)動機(jī)的輸出功率，改善經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源；適應(yīng)不同海拔，補償高原功率損失，減輕發(fā)動機(jī)排氣污染，減少廢氣中的有害氣體成分，降低發(fā)動機(jī)噪聲。增壓與非增壓發(fā)動機(jī)相比，在發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，可以大幅提高功率，降低油耗5%～10%，排放值減少10% 以上。渦輪增壓器普遍應(yīng)用在轎車、賽車、卡車、公共汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶、礦業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、軍用動力、航空和電站中。

隨著汽車運輸行業(yè)的發(fā)展，采用大功率、低污染的柴油機(jī)作為汽車動力源已成為一種趨勢。目前，國內(nèi)外普遍采用的方法都是增加發(fā)動機(jī)的充氣量和供油量，即由柴油機(jī)的排氣來驅(qū)動渦輪機(jī)，從而由渦輪機(jī)拖動壓氣機(jī)來提高進(jìn)氣壓力，獲得較大的充氣量，這一方法稱為廢氣渦輪增壓，圖1為廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)示意圖

渦輪增壓器雖然有協(xié)助發(fā)動機(jī)增力的作用，但也有它的缺點，其中最明顯的是“滯后響應(yīng)”，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應(yīng)遲緩，即使經(jīng)過改良遲緩現(xiàn)象依然存在，使發(fā)動機(jī)延遲增加或減少輸出功率。鑒于渦輪增壓器無本生利的優(yōu)勢和存在的缺點，自其出現(xiàn)以來，人們就不斷對它進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，例如提高加工精度，盡量減少渦輪與渦輪室內(nèi)壁的間隙，以便提高廢氣能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐高溫、剛度強、重量輕的優(yōu)點，可以將渦輪增壓器做得更加緊湊，體積更少，而且能減少渦輪的“滯后響應(yīng)”時間。

2工作原理

增加噴油量和進(jìn)氣量使燃燒更加劇烈是提高發(fā)動機(jī)功率的關(guān)鍵，增加發(fā)動機(jī)的噴油量很容易做到，但要提高進(jìn)氣量，以提供足夠量的空氣支持燃料的完全燃燒，靠傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是很難完成的。增壓器的基本工作原理是通過壓縮進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸前的空氣來提高空氣的密度，從而使更多的空氣填充到氣缸內(nèi)，配合更多的噴油量使燃燒更加劇烈，增大發(fā)動機(jī)功率[2]。

渦輪增壓器是使發(fā)動機(jī)在工作效率不變的情況下，增加輸出功率的機(jī)械裝置。它是由渦輪室和增壓器兩部分構(gòu)成的：渦輪室進(jìn)氣口與排氣管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進(jìn)氣管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接。渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量，利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送有空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快時，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率了。圖2為渦輪增壓器工作原理示意圖。

發(fā)動機(jī)采用廢氣渦輪增壓，有以下好處：

（1）提高發(fā)動機(jī)功率，降低油耗。實踐表明,在一般柴油機(jī)上通過改動進(jìn)、排氣管,增大供油量,加裝廢氣渦輪增壓器,可明顯增加柴油機(jī)功率。例如：6135柴油機(jī)采用渦輪增壓器后,功率由原來的118 kW提高到153 kW,功率增加近30%,而油耗則降低5. 7%；

圖2渦輪增壓器工作原理示意圖

（2）減小單位功率質(zhì)量,縮小外形尺寸。例如：某防爆膠輪車引進(jìn)Perkins1104-44TA增壓機(jī)后，可用四缸機(jī)取代原來1006-6的六缸機(jī)，使外形尺寸大大縮小,為整車的布置帶來諸多便利；

（3）采用增壓技術(shù)可以有效降低排放污染。由于渦輪增壓發(fā)動機(jī)增大了進(jìn)氣量，使得燃燒比較完全,從而使廢氣中CO和HC含量明顯減少，NOx含量也較少；

（4）采用增壓技術(shù)后，發(fā)動機(jī)燃燒壓力升高率降低,工作較柔和，噪聲比較小；

（5）采用增壓技術(shù)后，對于高原地區(qū)使用的發(fā)動機(jī)更顯必要。由于高原地區(qū)氣壓低，單位質(zhì)量的空氣中含氧量較平原地區(qū)少，易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降。一般認(rèn)為，海拔每升高1 000 m，發(fā)動機(jī)功率下降8%~10%，燃油消耗率增加3. 8% ~5. 5%，加裝渦輪增壓器后，可以恢復(fù)功率，同時減少油耗[3]。

3應(yīng)用情況

經(jīng)過長期的發(fā)展、改進(jìn)，渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式基本趨于一致，由于社會發(fā)展對發(fā)動機(jī)提出越來越高的要求，則必然對渦輪增壓系統(tǒng)提出相應(yīng)的要求，新技術(shù)、新材料和新工藝的應(yīng)用一直都在探索和研究中?，F(xiàn)代制造水平的大幅度提升，生產(chǎn)出效率更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的渦輪增壓系統(tǒng)的成本大大降低，而且壽命更長、穩(wěn)定性更強。排氣管、渦輪增壓器等方面越來越多的發(fā)明創(chuàng)造簡化渦輪增壓系統(tǒng)的同時，也大大提高了其效能。

3.1 排氣管的應(yīng)用類型

排氣管的類型主要分為定壓增壓型、脈沖增壓型、脈沖轉(zhuǎn)換器增壓型和MPC系統(tǒng)型四種，圖3為各型排氣管示意圖（以9缸機(jī)為例）。

圖3排氣管設(shè)計類型示意圖

（1）定壓增壓型

定壓增壓型為各氣缸共用一根容積較大的排氣管，保證排氣總壓力保持恒定，大小與負(fù)荷有關(guān)，如MAN-B&W公司中速機(jī)采用定壓增壓。其優(yōu)點為：掃氣干擾小，泵氣功損失小，渦輪進(jìn)氣壓力穩(wěn)定；其缺點也比較明顯：排氣脈沖能量利用率低、掃氣量少以及低工況性能差[4]。

（2）脈沖增壓型

脈沖增壓型一般是將掃氣不發(fā)生干擾的兩個或三個氣缸連接，共用一根排氣支管，渦輪進(jìn)氣口依據(jù)支管數(shù)量設(shè)置。這種方式既可以避免掃氣干擾，又能較好地利用排氣脈沖能量，增大掃氣量，改善低工況性能。比如，氣缸數(shù)為3的倍數(shù)的發(fā)動機(jī)，3缸共用一根支管，排氣能量連續(xù)，增壓效率高；然而，氣缸數(shù)不是3的倍數(shù)時，必然有一個氣缸或兩個氣缸用一根支管，那么該支管連接渦輪進(jìn)口后在某些時間是沒有排氣能量的，造成做功不連續(xù)，影響增壓效率。同時，支管多、渦輪進(jìn)口多，排氣管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置難度大。

（3）脈沖轉(zhuǎn)換器增壓型

脈沖轉(zhuǎn)換器增壓型是在脈沖增壓型的基礎(chǔ)上改進(jìn)，將兩根或多根支管通過脈沖轉(zhuǎn)換器（見圖4）連接，減少渦輪進(jìn)口數(shù)量，這樣改進(jìn)提高了增壓效率；因為脈沖轉(zhuǎn)換器有縮口，泵氣功損失增加，但總的來說還是有好處的。

圖4脈沖轉(zhuǎn)換器示意圖

（4）MPC系統(tǒng)型

為了盡可能簡化排氣管系結(jié)構(gòu)，便出現(xiàn)了MPC系統(tǒng)（又稱單管脈沖增壓系統(tǒng)），即每個氣缸排氣口都連接脈沖轉(zhuǎn)換器，那么該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化，便于生產(chǎn)加工，更好地利用脈沖排氣能量，增壓效率更高；其缺點是各氣缸發(fā)生掃氣干擾，受干擾的氣缸排溫高，容易超標(biāo)。比如，對8缸機(jī)的可能發(fā)火順序進(jìn)行研究表明，沒有一種發(fā)火順序可以完全避免這種掃氣干擾。

綜合考慮各種脈沖轉(zhuǎn)換器增壓的優(yōu)點和缺點，取長補短，設(shè)計出混合脈沖轉(zhuǎn)換器增壓型。比如，充分利用一般的脈沖轉(zhuǎn)換器增壓和MPC系統(tǒng)增壓相結(jié)合，達(dá)到更好的增壓效果[4,5]。

3.2渦輪增壓器的的應(yīng)用類型

（1）渦輪增壓器經(jīng)歷了基本型、可變截面、增壓空氣控制旁通放氣渦輪增壓器等階段，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，但適用范圍則越來越寬、效率越來越高。瑞士ABB公司的軸流式渦輪增壓器VTR.4E；總效率達(dá)到75%；日本的渦輪增壓器在小型化方面處于世界領(lǐng)先地位，如三菱公司、石川島播磨公司均有壓氣機(jī)葉輪直徑為34mm的小型增壓器用于摩托車或汽油機(jī)，但Borg Warner公司于2000年推出渦輪直徑為31mm的kp31渦輪增壓器，這是當(dāng)今世界最小的系列化增壓器產(chǎn)品[6]。

相繼增壓 STC 的基本原理是采用多個小流量的增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提升，依次投入運行。它改變了增壓系統(tǒng)在低工況時廢氣能量不足而引起的渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而引起的增壓器喘振、柴油機(jī)功率下降等問題。在柴油機(jī)額定工況下，每臺增壓器都在高效區(qū)運行；而在柴油機(jī)部分負(fù)荷時，減少投入使用的增壓器數(shù)量，使得投入運行的增壓器運行線仍處在高效區(qū)附近，從而改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能[7]。

（2）可變截面渦輪增壓，是柴油機(jī)廢氣通過噴嘴環(huán)時,根據(jù)渦輪增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化從低速到高速通過分段，或連續(xù)改變渦輪截面來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使流入渦輪葉片的氣流參數(shù)改變，通過渦輪焓降的變化實現(xiàn)渦輪做功的變化,進(jìn)而讓壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化,從而使得柴油機(jī)與增壓器在各工況下均有良好的匹配，還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放?？勺兘孛鏈u輪增壓的缺點是渦輪增壓器的成本與普通增壓器相比，要增加20%以上，同時對可靠性也有一定的影響。

（3）廢氣旁通增壓，以柴油機(jī)低負(fù)荷為增壓器匹配點，對于無法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過打開廢氣旁通閥，釋放多余廢氣（一般放廢氣量占總廢氣量的10%左右），可防止迅速提高的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力超過限值而引起的爆壓過高、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷過高等問題。這種系統(tǒng)因為采用較小的廢氣流通截面，能改善柴油機(jī)在低工況時的經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及瞬態(tài)響應(yīng)。廢氣旁通增壓實質(zhì)上是用來克服柴油機(jī)與增壓器匹配時所存在固有矛盾的一種措施。對于經(jīng)常運行在標(biāo)定轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)來說，由于放氣造成了能量的損失，使高工況的燃油消耗迅速上升，對經(jīng)濟(jì)性有較大的影響。

4結(jié)語

渦輪增壓在提高發(fā)動機(jī)功率方面有極大的優(yōu)勢，經(jīng)過研究人員不斷的創(chuàng)新改進(jìn)，作為未來的發(fā)展趨勢，更注重結(jié)構(gòu)的整體性，即把眼光放在渦輪增壓整個系統(tǒng)上考慮，而不只是放在單個設(shè)備（環(huán)節(jié)）上，使渦輪增壓系統(tǒng)向更高效、更可靠、性能更強、尺寸更小等方面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張然自, 任繼文.車用發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀及其市場預(yù)測[J].車用發(fā)動

機(jī), 1997, 10(2): 1-9.

[2] 曾憲龍, 何志龍, 邢子文.雙螺桿機(jī)械增壓器現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].流體

機(jī)械, 2011,39(8):38-43.

[3] 焦高榮, 王斌.柴油機(jī)渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和原理[J].內(nèi)燃機(jī), 2007,3:26-7.

[4] 楊世友, 顧宏中, 郭中朝.柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].柴油

機(jī), 2001,4:1-5.

[5] 楊守平, 張付軍, 張金倫, 高思遠(yuǎn).渦輪增壓柴油機(jī)MPC增壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)

計[J].車用發(fā)動機(jī), 2010, 2:11-15.

[6] 黃若. 渦輪增壓器產(chǎn)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2003, 1(24):

81-84.

[7] 奉崢嶸, 彭勇, 張志鑫. 柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)發(fā)展歷程與展望[J]. 內(nèi)燃

機(jī), 2012,1:1-2,9.

作者簡介：韋春健（1985-），男，助理工程師。研究方向：船舶機(jī)電。

許慧洋（1979-），男，工程師。研究方向：船舶總體。

收稿日期：2014-03-04