1、廢氣渦輪增壓技術自問世以來已有90余年歷史。早期廢氣渦輪增壓的主要目的是改善發動機的動力性。至今，廢氣渦輪增壓仍是提高柴油機功率、減輕單位功率質量、減小外形尺寸、降低燃油消耗和強化現有非增壓柴油機的最有效的措施之一。 壓氣機出口壓力稱為增壓壓力，用Pb表示；壓氣機出口壓力與進口壓力之比稱為增壓比，用b表示；內燃機增壓后的標定功率與增壓前的標定功率之差值與增壓前標定功率的比值稱為增壓度,用b表示。為滿足越來越嚴的排放法規要求，必須提高燃料質量和采用先進的發動機技術。要達到各階段排放限值需有相應的發動機技術作保證。圖1和圖2分別為滿足歐洲轎車、重型汽車不同階段排放限值的技術措施的實例。 1.增壓的

2、主要方式 增壓方式主要有: 機械增壓、排氣渦輪增壓、復合增壓、慣性增壓、氣波增壓等機械增壓機械增壓，是指壓氣機由內燃機曲軸通過傳動裝置直接驅動的增壓方式。機械增壓的特點是：不增加發動機背壓，但消耗其有效功率，總體布置有一定局限性；增壓壓力一般不超過0.150.17MPa；過多地提高增壓壓力，會使驅動氣壓機耗功過大，機械效率明顯下降，經濟性惡化。排氣渦輪增壓排氣渦輪增壓，是指利用排氣能量使排氣在渦輪中進一步膨脹作功，用于驅動壓氣機的增壓方式。排氣渦輪增壓的特點是：不消耗發動機有效功，增壓器可以自由布置在所需的位置，渦輪有一定的消聲作用，并進一步減少排氣中的有害成分。排氣渦輪增壓分單級渦輪增壓和二

3、級渦輪增壓兩類。單級渦輪增壓：由一臺渦輪機和一臺壓氣機組成的或幾臺渦輪增壓器并聯的渦輪增壓叫單級渦輪增壓，多用于中、小型柴油機。小型柴油機、汽油機一般用徑流式渦流式渦輪、離心式壓氣機； 二級渦輪增壓：空氣經兩臺串聯的渦輪增壓器壓縮后進入發動機，這類增壓系統稱為二級渦輪增壓。2.增壓器渦輪增壓器主要由渦輪和壓氣機組成。發動機排氣經排氣管進入渦輪，對渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至發動機進氣管。1）壓氣機）壓氣機有軸流式和離心式。離心式壓氣機結構緊湊、質量輕、在較寬的流量范圍內能保持較好的效率，對于小尺寸壓氣機，效率優于軸流式。 離心式壓氣機結構如圖2-5

4、7所示，由進氣道、葉輪、擴壓器和壓氣機蝸殼等部件組成。 1-進氣道；2-壓氣機葉輪；3-壓氣機蝸殼；4擴壓器圖2-57 離心式壓氣機結構進氣道的作用是將外界空氣導向壓氣機葉輪，為降低流動損失，通道為漸縮形。壓氣機葉輪是壓氣機中唯一對空氣作功的部件，它將渦輪提供的機械能轉變為空氣的壓力能和動能。壓氣機葉輪分為導風輪和工作葉輪兩部分，中、小型渦輪增壓器兩者做成一體，大型渦輪增壓器則是將兩者裝配在一起。 導風輪是葉輪入口的軸向部分，葉片入口向旋轉方向前傾，直徑越小處前傾越多，其作用是使氣流以盡量小的撞擊進入葉輪。導風輪的結構及通道如圖2-58所示。圖2-58 導風輪結構根據葉輪輪盤的結構形成，壓氣機

5、葉輪可分為開式、半開式、閉式、星形等形式.擴壓器的作用是將壓氣機葉輪出口高速空氣的動能轉變為壓力能。擴壓器的效率是動能實際轉化為壓力能的轉化量和沒有任何流動損失的定熵過程動能轉化為壓力能的轉化量之比，擴壓器效率對壓氣機效率有重要的影響。按擴壓器中有無葉片，可分為無葉擴壓器和葉片擴壓器。壓氣機蝸殼的作用是收集從擴壓器出來的空氣，將其引導到發動機的進氣管。由于擴壓器出來的空氣仍有較大的速度，在蝸殼中還將進一步把動能轉化為壓力能，因此，壓氣機蝸殼也有一定的擴壓作用。蝸殼效率是動能轉化為壓力能的實際轉化量和定熵轉化量之比。（1）壓氣機空氣狀態的變化 空氣流經壓氣機通道時，壓力P、速度C和溫度T的變化趨

6、勢如圖2-59所示。圖2-59 壓氣機通道中氣體狀態的變化在進氣道入口，空氣從環境狀態進入，壓力、速度、溫度分別為Pa、Ca、Ta。由于進氣道是漸縮形的通道，少部分壓力能轉化為動能。因此，在進氣道中，空氣的壓力略有降低，速度略有升高。由于壓力降低，溫度隨之降低。在進氣道出口，亦即葉輪入口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P1、C1、T1。在壓氣機葉輪中，葉輪對空氣作了功，使空氣的壓力、溫度和速度都升高。在葉輪出口，亦即擴壓器入口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P2、C2、T2。在擴壓器中，由于擴壓器流通面積漸擴，使氣體的部分動能轉化為壓力能。因此，空氣的流速降低，壓力升高，溫度亦隨壓力而升高。在擴壓

7、器出口，亦即蝸殼的入口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P3、C3、T3。在壓氣機蝸殼中，仍有部分動能進一步轉化為壓力能，使空氣的速度進一步降低，壓力和溫度升高。在蝸殼出口，亦即整個壓氣機出口，空氣的壓力、速度、溫度分別為Pb、Cb、Tb。（2）壓氣機的特性壓氣機的主要性能參數有增壓比b，空氣流量qmb，定熵效率adb及轉速nb等。并用這些參數及其相互關系表示壓氣機的性能，如圖2-60所示。圖2-60 壓氣機的性能曲線由圖可見，在轉速保持一定的情況下，有如下特點：在某一流量下，增壓比和效率有一最大值時，隨流量的增大或減小，增壓比和效率都降低。當流量減小到某一數值時，壓氣機出現不穩定流動狀態。壓氣機

8、中氣流發生強烈的低頻脈動，引起葉片的振動，并產生很大的噪聲，這種現象稱為壓氣機的喘振。 每一轉速下都有一個喘振點，在效率特性上各喘振點的連線稱作喘振線，喘振線以左的區域為喘振區，壓氣機不允許工作在喘振區。壓氣機產生喘振是由于壓氣機在某一小流量下工作時，在導風輪入口或葉片擴壓器入口氣流撞擊葉片，在葉片通道內產生并加劇了氣流的分離而引起的。當葉輪或葉片擴壓器通道內產生強烈的氣流分離時，使壓氣機內的壓力低于后面管道內的壓力，因此發生氣流由管道向壓氣機倒灌。倒灌發生后，管道內壓力下降，氣流又在葉輪的作用下正向流動，管道內壓力升高，再次發生倒灌。如此反復，壓氣機內的氣流產生強烈的脈動，使葉片振動、噪聲加

9、劇、管道內壓力大幅度波動，此時即產生所謂喘振。當流量增大到某一數值時，增壓比和效率均急速下降。換言之，即使以增壓比和效率下降很多作為代階，流量也難以增加。這個現象稱為壓氣機的阻塞。產生阻塞的原因，是在壓氣機葉輪入口或擴壓器入口這種局部喉口截面處，氣流的速度達到了當地聲速，從而限制了流量的增加。由于阻塞點難以嚴格界定，通常人為地規定，當效率降低到adb=55%時，就認為出現了阻塞。2）渦輪 渦輪的工作過程與壓氣機相反，是把發動機排出的廢氣的能量轉化為機械功來驅動壓氣機葉輪。渦輪增壓器的性能，在很大程度上取決于渦輪的性能。在渦輪增壓器所使用的渦輪中，按氣流流動方向，可以分為軸流式渦輪、徑流式向心渦

10、輪和混流式渦輪。渦輪的結構：主要由進氣殼、噴嘴環、工作葉輪和排氣殼等部件組成。進氣殼（也稱蝸殼）的作用，是把發動機排出的具有一定能量的廢氣，以盡量小的流動損失和盡量均勻的分布引導到渦輪噴嘴環的入口。進氣殼的效率是指在進氣殼進氣狀態和膨脹比一定的條件下，壓力能轉化為動能的實際轉化量與定熵轉化量之比。噴嘴環又稱導向器，流通截面呈漸縮形，其作用是使具有一定壓力和溫度的燃氣膨脹加速并按規定的方向進入工作葉輪。噴嘴環效率的定義與進氣殼相同，即在進氣狀態和膨脹比一定的條件下，壓力能轉化為動能的實際轉化量與定熵轉化量之比。工作葉輪（簡稱葉輪）是唯一承受氣體作功的元件，它與壓氣機葉輪同軸，把氣體的動能轉化為機

11、械功向壓氣機輸出。葉輪的效率是在葉輪進氣狀態和膨脹比一定的條件下，氣體對葉輪的實際作功與定熵過程對葉輪作功之比。排氣殼收集葉輪排出的廢氣并送入大氣。為了降低葉輪的背壓，使氣體在葉輪中充分膨脹作功，排氣殼是一個漸擴形的管道。3.中冷器在增壓柴油機，為降低進入氣缸的空氣溫度、增加空氣密度、減少排放，使增壓后的空氣先在中間冷卻器中冷卻，再進入氣缸，稱為增壓中冷。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低、以及機械負荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機功率，還可提高發動機的經濟性、降低排放。為了反映中間冷卻程度，通常用中冷度來表示。即中冷器前后空氣溫度差與中冷器前空氣溫度的比值為中冷度。目前采用的

12、中冷器都屬錯流外冷間壁式冷卻方式，根據冷卻介質的不同，有水冷式和風冷式兩大類。水冷式冷卻根據冷卻水系的不同又分以下兩種方式：（1）用柴油機冷卻系的冷卻水冷卻 這種冷卻方式不需另設水路，結構簡單。柴油機冷卻水的溫度較高，在低負荷時可對增壓空氣進行加熱，有利于提高低負荷時的燃燒性能；但在高負荷時對增壓空氣的冷卻效果較差。因此，這種方式只能用于增壓度不大的增壓中冷柴油機中。（2）用獨立的冷卻水系冷卻 柴油機有兩套獨立的冷卻水系，高溫冷卻水系用來冷卻發動機，低溫冷卻水系主要用于機油冷卻器和中冷器。這種冷卻方式冷卻效果最好，在船用和固定用途柴油機中普遍應用。風冷式冷卻根據驅動冷卻風扇的動力不同，可分為以

13、下兩種方式：（1）用柴油機曲軸驅動風扇 這種方式適用于車用柴油機，把中冷器設置在冷卻水箱前面，用柴油機曲軸驅動冷卻風扇與汽車行駛時的迎風同時冷卻中冷器和水箱。車用柴油機普遍采用這種冷卻方式，但在低負荷時易出現充氣過冷現象。（2）用壓縮空氣渦輪驅動風扇 由壓氣機分出一小股氣流驅動一個渦輪，用渦輪帶動風扇冷卻中冷器。由于驅動渦輪的氣流流量有限，渦輪作功較少，風扇提供的冷卻風量較少，顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負荷變化，因此這種冷卻方式的冷卻風量也隨負荷變化，低負荷時風量小，高負荷時風量大，有利于兼顧不同負荷時的燃燒性能。且其尺寸小，在車上安裝方便，在軍用車輛上也有應用。4.排氣能量的利用目前

14、生產的車用增壓柴油機中，幾乎都采用排氣渦輪增壓系統，通過排氣來驅動渦輪增壓器工作，從而吸收排氣能量來實現增壓的目的。排氣的最大可用能E由三部分組成：排氣門打開時，氣缸內氣體等熵膨脹到大氣壓力所作的功Eb；活塞推出排氣，排氣得到的能量Ec；掃氣空氣所具有的能量Es。排氣門前排氣具有的能量，在流經排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣岐管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失E包括如下幾個方面： （2-9） hFMDCVEEEEEEE式中:EV為流經排氣門處的節流損失；EC為流經各種縮口處的節流損失；ED為管道面積突擴時的流動損失；EM為不同參數氣流摻混和撞擊形成的損失；EF為由于氣體的粘

15、性而形成的摩擦損失；Eh為氣流向外界散熱所形成的能量損失。這些損失直接影響著排氣的能量可被渦輪回收的程度，也是排氣渦輪增壓柴油機排氣管設計和改進時所必須關注的重要方面。Ev是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的60%70%。尤其是在初期排氣，氣缸中高壓高溫氣體流出時，因排氣管中壓力低而形成超臨界流動，所以減少這部分節流損失對提高排氣中能量的利用率是很重要的。在設計中，應使排氣門后的通流面積盡可能大（一般采用四氣門結構）、開啟速度盡可能快，以使排氣很快流出，排氣門后的壓力Pr很快升高，從而減少節流損失。有些低速機為此而采用開啟速度較快的凹弧排氣門凸輪。另外，排氣管容積不應太大，排氣管要細而短。當在

16、結構上受限制時，做得“細而長”比“粗而短”要好。因為在排氣初期，大量排氣涌入較細長的岐管中，形成“堵塞”，很快在排氣門后建立起較高的壓力波峰，減小排氣門前后壓差，從而大大減少節流損失，并把氣體所具有的較大速度在岐管中保持下來并傳送到渦輪，提高了對排氣動能的利用率。雖然由于岐管中流速高而使摩擦損失加大，但其他損失減小，所以總起來說，它的能量傳遞效率較高。細而長的排氣管不僅能夠使排氣門后的壓力Pr在排氣初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排擠功減少，并有利于掃氣。5.增壓器和發動機的匹配以單級渦輪增壓系統為例，根據質量守恒定律，在這個增壓系統中，壓氣機所提供的空氣正好等于柴油機所需的空氣量。因此

17、，在穩定工況下，壓氣機提供的增壓壓力等于柴油機所需的增壓壓力。因此，可在壓氣機特性曲線圖上，將該工況下以增壓比b和空氣流量qmb為表征的增壓器和柴油機聯合運行點確定下來。這樣，當柴油機按某一特性運行時的所有工況點都可在壓氣機特性曲線上確定下來，從而形成了圖2-61中1、2、3、4所示的特性曲線，通常稱其為增壓器和柴油機聯合工作后的聯合運行線。1-nmin負荷特性；2-nmax負荷特性； 3-外特；4-螺旋槳特性； 5-喘振邊界線； 6-最高轉速線； 7-最高排溫線； 8-最低效率線；圖2-61渦輪增壓器與柴油機的聯合運行線聯合運行線反映了增壓器與柴油機匹運行時兩方的綜合情況，因此通常都借助于聯

18、合運行線來判斷增壓器與柴油機的匹配是否合適。不論哪一種渦輪增壓柴油機及其運轉特性，對配合性能的要求主要有以下三個方面：1）在標定工況下，須達到預期的增壓壓力Pb及空氣流量qmb，有足夠的燃燒過量空氣系數，使燃燒完善，燃油消耗率各ge滿足要求；渦輪前排氣溫度TT不超過預定值，以保證氣缸熱負荷不致過高，Pb不能過高，以免Pmax超過允許值，使機械負荷太大；渦輪增壓器的轉速ntb必須低于允許值，以保證渦輪增壓器轉子的強度符合安全的要求；在標定工況時，希望渦輪增壓器的總效率Tb要高，掃氣系數s亦能具有適當的大小。2）在低工況時，也必須保證一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求。這一點對于高增壓柴油

19、機（Pme=1.82.3MPa）來說特別重要，尤其對一些特定用途的場合，快艇、拖船、坦克及車用等，這時低負荷、低轉速性能往往是一個突出的問題。3）要求在整個運轉范圍內不發生增壓器喘振與阻塞。由于渦輪允許運轉的范圍較廣，高效率運轉區亦較大，配合運行時的問題相對來說較少；而不論是有葉或無葉擴壓器式的增壓器，它能運轉的流量范圍較窄。因此，一般在研究配合特性時，首先要看柴油機與增壓器的配合特性。希望柴油機依其特定用途運轉時的空氣流量特性曲線能通過增壓器空氣流量特性曲線的高效率區域，最好與增壓器等效率曲線大致平行，而且必須在增壓器的穩定工作范圍內，既不喘振亦不阻塞。如果高增壓柴油機主要是在高速、高負荷下

20、運轉，則必須把增壓器的高效率運轉區域設計得廣一些。車用柴油機低轉速工況要求較苛刻，不僅依外特性運轉，而且轉矩的適應性系數高，所以增壓器的高效率區域選在柴油機轉速較低的地方，這樣做即使在標定工況時性能稍差一些也是值得的。對于超高增壓柴油機，低工況性能更為突出。因此，在選配渦輪增壓器時，除了要進行變工況運行的配合性能計算外，還必須進行樣機的配合調整試驗，以滿足各方面的要求。6.可變渦輪增壓在柴油機進行正常設計和經過估算及性能摸擬計算來選配渦輪增壓器后，一般在配合性能上不會出現太大偏差。但對于車用柴油機，如果增壓系統滿足高速時增壓適量的要求，則在低速時供氣就會不足；如果滿足低速時的供氣量，則在高速時

21、就可能增壓過量。因此，必須采取一些措施，才能彌補其高低工況不能同時滿足較佳匹配的矛盾。對于車用高速柴油機及某些超高增壓中速柴油機，為了改進低工況性能，可采用高速時放氣的措施，但高工況經濟性不好。近年來，發展了一種可變渦輪噴嘴環出口截面的渦輪增壓器，簡稱變截面渦輪增壓器。在發動機低速時，讓噴嘴環出口截面積自動減小，使得流出速度相應提高，增壓器轉速上升，壓氣機出口壓力增大，供氣量加大；在高速時，讓噴嘴環出口截面積增大，增壓器轉速相對減小，增壓壓力降低，增壓不過量。采用變截面渦輪的優點是：在不損害高轉速經濟性的條件下，增大低速轉矩；擴大了低油耗率的運行區；使柴油機的加速性能提高；可以滿足要求越來越高

22、的排放和噪聲規范等。但要使可變截面渦輪達到實用化，必須滿足：從渦輪調節結構往外漏氣應盡可能少，且當噴嘴面積改變、使氣流流向偏離時，不致使渦輪效率降低過多；結構及操作系統簡單，操作方便；所有結構操作系統具有較高的可靠性等。車用發動機大多用徑流渦輪增壓器，這給采用可變截面渦輪增壓器帶方便。在有葉徑流渦輪的情況下，可以采用改變噴嘴葉片安裝角度的方法來改變噴嘴環出口截面積。圖2-62 為一有葉噴嘴變截面渦輪示意圖。 圖2-62 有葉噴嘴變截面渦輪示意圖 噴嘴葉片與齒輪相連，齒輪受齒圈控制，當執行機構來回移動時，齒圈往復擺動，通過嚙合的齒輪，使得各噴嘴葉片改變角度，從而實現噴嘴環出口截面積相應變化的目的

23、。在無葉噴嘴的情況下，可以在噴嘴環出口處用活動的擋板來調節噴嘴環出口截面積。圖2-63為一軸向變截面渦輪示意圖，其截面的變化由一軸向平行移動板控制。 圖2-63軸向變截面渦輪另一種變截面增壓器是在渦輪進氣零截面后加一可調噴嘴葉片，如圖2-64所示，通過一舌形葉片的擺動來改變蝸殼的A/R值，使得發動機在低速時A/R值減小，從而提高渦輪轉速，增加增壓壓力；在高速時，有較大的A/R值，減小流通阻力，發動機背壓較低，充量系數提高。圖2-65為一變截面多葉片可變噴嘴增壓器三維示意圖。圖2-64舌形變截面增壓器蝸殼圖2-65 變截面多葉片可變噴嘴增壓器噴嘴環截面積大小及檔數是由實際運轉要求確定的，在最大轉

24、矩時，增壓壓力最高。控制器（ECU）根據發動機轉速、噴油泵齒條位移（相當于負荷）、水溫和增壓壓力等信號對壓力控制調節閥的開啟和關閉時間比（負截比）進行調節，從而控制真空泵產生的負壓。可以根據發動機工況的最佳負載比圖譜預先輸入到控制器中。控制器與電控柴油噴射系統的控制器也可互相通訊。由于采用可變噴嘴渦輪增壓器，在低速時可變噴嘴渦輪增壓器處于小噴嘴開度，增壓壓力可提高，因此大大改善了低速工況性能。由于采用了可變截面渦輪增壓器，使柴油機加速、負荷特性都得到改善。整機穩態及瞬態性能改進，低油耗區域擴大，轉矩儲備系數加大。性能優越的可變噴嘴增壓器已經被廣泛采用，轎車直噴式柴油機已有半數以上采用了可變噴嘴渦輪增壓。7.增壓器的瞬態性能柴油機瞬態特性是指在變速或變負荷情況下柴油機的性能。渦輪增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和轉速的突然變化。在加速、加負荷過程中，空氣流量與加油量變化速率之間的差異導致了燃燒空氣系數低于極限值，因此，渦輪增壓柴油機瞬態響應特性較差的決定因素是供氣量。供氣量比供油量的時間滯后，其原因是多方面的。燃油入氣缸