浅谈汽车发动机的增压技术

65066部队军官训练教研室 黄安华 霍枫

65066部队后勤部 杨世轶

The charging Technology is a means to utilize the energy,to save the energy and to reduce the emission.This paper has discussed the structure characteristics,working principle,advantages and disadvantages and the applications of the Turbocharging,Supercharging,Variable Geometry Turbocharging,Twin Turbocharging and the Turbocharging+Supercharging technologies.This paper has also pointed out the development direction of the future charging technology.

0 引言

与自然吸气式发动机相比，增压型发动机在其结构和尺寸不变的情况下，功率和扭矩可提高20%～50%，如排量是1.8L的涡轮增压型发动机，其功率接近甚至超过了2.4L的自然吸气式发动机，（与2.4L自然吸气式发动机相比）油耗明显降低，污染物排放也显著减少。在当前国家节能减排的大背景下，新能源还不能完全替代传统能源的情况下，内燃机采用增压技术无疑是提高传统能源利用效率、节约能源的最佳选择之一。

目前汽车发动机上采用的增压技术路线主要有五条：一是采用（单）涡轮增压；二是采用机械增压；三是采用可变截面涡轮增压；四是采用双涡轮增压；五是采用机械增压+涡轮增压。不管是采用哪种增压技术，其工作原理大致是相同的，只是其匹配和工作性能有所差异，其工作原理都是：把发动机进气系统中的空气压缩后再引入气缸，压缩后的空气密度更大，单位体积所含的氧分子更多，按照理论空燃比混合，需要喷入更多的燃油，这样就能在排量不变的情况下得到密度和质量更大的可燃混合物，经过燃烧后就能获得更多的热能，从而转换出更大的动力。另外，由于进入的空气量充足，其燃烧也更为彻底。

1 涡轮增压

1.1 结构特点及工作原理

涡轮增压（Turbo Charge）是目前汽车发动机采用最多的一种增压技术，如果在汽车上标有Turbo或者T，即表明该车发动机采用的是涡轮增压发动机。涡轮增压发动机通常在其后端安装有一个废气涡轮增压器。废气涡轮增压器实质是一个空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机进气量。它主要由隔热板、涡轮、喷嘴环、涡轮机外壳、转子轴、全浮轴承、中间壳体、扩压室、压气机叶轮、压气机外壳等机件组成。涡轮室进气口与排气岐管相连，排气口接在排气管上；压气机室进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气岐管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和压气机室内，二者用转子轴刚性联接，转子轴两端由两个浮动轴承支承。废气涡轮增压器的基本结构及工作原理如图1所示。发动机工作时，排出的具有一定压力的高温废气沿着排气岐管进入涡轮室内喇叭口形的喷嘴环上，提高喷射速度后按一定的方向喷射到涡轮上，使涡轮高速旋转。废气的压力、温度和速度越高，涡轮转速就越高，最高可达200 000r/min以上。废气通过涡轮直径的中心部位流出，再经过排气管和消声器排出机外。在涡轮旋转的同时压气机叶轮也以相同的速度旋转，将经过空气滤清器过滤的新鲜空气吸入压气机室内，高速旋转的叶轮将吸入的空气甩向叶轮边缘，增加空气的速度和压力后，使其进入形状为进口小出口大的扩压室，使空气流速降低而压力增大，再继续通过断面由小逐渐变大的环形压气机外壳，使压力继续升高，最后高压气流（180—200KPa）通过进气岐管进入气缸中。这样就大大提高了发动机的充气系数，进而增大气缸内的喷油量，使发动机输出更大的功率和扭矩。

1.2 主要优点

一般而言，加装废气涡轮增压器的发动机功率和扭矩可提高20%～100%，这样小排量的发动机达到了大排量发动机的动力性，而且发动机变得更轻，油耗更低，燃烧更彻底，排放的废气污染物也相对较少。另外，它不额外地消耗发动机功率，使用经济性较好。

1.3 主要缺点

涡轮增压器最大的缺点是涡轮迟滞。因为涡轮增压发动机的增压器需要靠排气能量驱动，所以当发动机转速较低时，排气能量往往比较小，此时有可能无法驱动增压器，而且增压涡轮越大，涡轮就越难以被驱动，造成的结果就是，当涡轮增压器不工作（低转速，1500～2500r/min以下）时，涡轮增压发动机的动力甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机。此外，由于涡轮增压器叶轮的惯性作用，叶轮对油门的骤时变化反应滞后，通常会出现加速后动力提升跟不上，而且在增压器介入工作时动力输出有突兀感。其次是废气涡轮增压器的工作温度较高（600℃左右），对润滑条件和使用要求也较高，同时较高的工作温度会提高进气温度，降低充气密度，所以多数涡轮增压发动机采用了加装冷却器的方法来降低工作温度，此技术称之为涡轮增压中冷技术。

1.4 应用情况

涡轮增压最早应用在柴油机上，随着技术的进步，在汽油机上的应用也越来越多。尽管涡轮增压技术还存在着很多的缺点，但其较高的工作效率使得各大汽车生产厂家对此项技术趋之若鹜，目前几乎所有的汽车生产厂家都有涡轮增压版的车型，国内最为推崇该项技术的是一汽大众公司，如奥迪A4L2.0TFSI、宝来1.8T、速腾1.4TSI、迈腾1.8TSI等，此外常见的自主品牌涡轮增压版车型有上汽荣威750（550）1.8T、MG61.8T、中华骏杰（尊驰）1.8T、长城哈弗2.5T、2.8T、华泰圣达菲C91.8T、奇瑞威麟V5 1.9TDDI、瑞麒G52.0T等。

2 机械增压

2.1 结构特点及工作原理

机械增压（Super Charge）与涡轮增压的原理是一致的，只是其驱动力的来源不同，涡轮增压器的动力来源是发动机排出的高温废气，而机械增压器的动力来源于发动机工作时产生的动力，它通过皮带与发动机的曲轴相连接，以曲轴运转的扭力带动增压器工作。因而其结构与涡轮增压器也有所不同，目前常用的罗兹式机械增压器主要由皮带轮、主动齿轮、从动齿轮和压气机转子等机件组成，其结构如图2所示，在椭圆形的压气机壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接接触。两转子借由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开电磁离合器以停止增压。电磁离合器的开合则由计算机控制以达到节油的目的。

2.2 主要优点

一是在低转速时便可获得增压。只要发动机工作，机械增压器就可进入工作状态，即可获得增压效果，解决了涡轮增压器只有达到了一定转速时才能增压和发生涡轮迟滞的问题。二是动力输出自然平缓。机械增压的动力输出与曲轴转速成线性，即随着发动机转速的提高，其动力输出也随之增强，机械增压发动机的操作感觉与自然吸气发动机极为相似，动力输出呈线性。三是工作温度变化不大。机械增压器的工作温度为70～100℃之间，与自然吸气式发动机相比，使用保养没有多大区别。

2.3 主要缺点

最主要的缺点是机械增压增压效率较低。机械增压器由曲轴驱动，始终在消耗发动机的功率，尽管随着发动机转速的升高而增压压力提高，但是增压器本身的运动阻力又随发动机的转速升高而增大，从而导致发动机高速时的负荷增大，为此，机械增压必须在增压值与发动机负荷间取得平衡，以避免高增压带来的负面效应。所以，机械增压在高转速时效率没有涡轮增压高。通常机械增压的进气压力一般为30～120kPa，很难突破150kPa，而涡轮增压早已突破220kPa 的超高压境界。

2.4 应用情况

与涡轮增压器相比，机械增压目前在汽车上应用相对较少，主要是个别高档轿车，如奔驰C200K、路虎揽胜4.2的机械增压版等。目前机械增压在自主品牌的车型仅有搭载1.6L机械增压发动机的瑞虎。

3 可变截面涡轮增压

涡轮迟滞与增压涡轮的尺寸有关。增压涡轮越大，涡轮就越难以被驱动，涡轮迟滞就越明显；反之如果增压涡轮很小，迟滞就会大幅度缓解。而涡轮尺寸又与增压能量有关，小尺寸的涡轮虽然可以缓解涡轮迟滞，但是它能提供的增压值不大，不利于提升发动机的动力。所以涡轮增压发动机只能采用折中的办法来设计涡轮尺寸。为使发动机获得较好的增压效果，在很多较高级的发动机上采用了可变截面涡轮增压系统（VGT）。

3.1 结构特点及工作原理

可变截面涡轮增压系统的核心是可调涡流截面的导流叶片，它安装在废气进口处的涡轮前面。该系统的原理是在普通涡轮增压系统基础上增加涡轮导向叶片的调整机构，通过ECU电子控制单元控制导向叶片的角度，在低速时缩小导向叶片角度，提高涡轮转速，减缓涡轮迟滞，在高速时让导向叶片张开，加大与空气的接触面，大幅提升增压值，从而获得更大的功率和扭矩。

3.2 主要优点

一是增压效率提高，较好地解决了涡轮迟滞的问题。由于采用了“可变”技术，涡轮增压器能够在发动机较低的转速下介入工作，不仅较好地解决了涡轮迟滞的影响，而且大大提高了增压效率。二是动力平顺。由于降低了涡轮迟滞，带VGT的车型在整个加速段没有动力陡增的情况，舒适性和安全性都有提高。三是油耗低。由于涡轮增压器切入工作的时机提前，减少了发动机低转速状态下涡轮增压器不工作而导致的不充分燃烧带来的燃料浪费，从而大幅度降低油耗，特别是在城市道路状况下使用的油耗。

3.3 主要缺点

尽管可变截面涡轮增压系统在一定程度上降低了涡轮的迟滞影响，但仍不能彻底消除。此外“可变” 技术设计、制造难度较大，生产成本较高。

3.4 应用与发展

目前国内采用可变截面涡轮增压技术的汽车生产厂家还寥寥无几，应用VGT技术的车型主要有华泰圣达菲2.0T、中兴无限V3、陆风SUV X8、X9等。

4 双涡轮增压

为解决涡轮增压器的涡轮迟滞的影响，在很多高级轿车上还采用了双涡轮增压技术。所谓双涡轮增压，就是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器的增压系统，双涡轮增压器有两种安装方式，一种是并联，另一种是串联。

4.1 并联

4.1.1 结构特点及工作原理

并联式双涡轮增压系统的进气系统中平行安装有两个规格完全相同的涡轮增压器，每个涡轮增压器负责发动机半数气缸工作。发动机在运行时，半数气缸的排气共同驱动一个涡轮增压器，两个涡轮增压器同时工作，在一定程度上缓解了“涡轮迟滞”现象对汽车低速行驶时发动机功率快速增加所造成的不良影响。

4.1.2 主要优缺点

与单涡轮增压器相比，其质量较小，因此切入工作的时机提前，增压反应变快，在一定程度上降低了涡轮迟滞的影响。由于增装了一个涡轮增压器，也相应地增加了安装难度，结构也变得比较复杂，而且也不能完全消除涡轮迟滞的影响。为了进一步降低涡轮迟滞的影响，一些车型的双涡轮增压器采用了双可变截面涡轮增压器，这无疑使其结构变得更为复杂，成本更高。

4.1.3 应用情况

由于双涡轮增压发动机在汽车动力性能提升和发动机动态响应速度方面所表现出来的突出优势，目前，包括宝马在内的多家汽车厂商都已经在各自旗下的车型上采用了双涡轮增压的增压型式。不过这种双涡轮增压安装方式主要应用在高级多缸（直列6缸和V型）发动机的车型上，典型的代表车型有宝马X6xDrive35i、宝马335、 保时捷911 turbo、 迈巴赫57S/62S、 标致6072.2LHDI、宾利欧陆GT极致等，目前国内自主品牌的车型还没有应用。

4.2 串联

4.2.1 结构特点及工作原理

通常是一大一小两个涡轮增压器串联搭配而成。在发动机转速较低时，只有一个质量小涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，当发动机转速提升以后，质量大的涡轮增压器开始介入工作，进入高增压值的状态，提供一个连贯的强劲动力。

4.2.2 主要优缺点

这种双涡轮增压技术在提高发动机动力性的同时，可以改善涡轮增压的迟滞现象。但也不能完全消除涡轮迟滞现象，毕竟涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。另外，串联安装结构相对复杂，制造成本高。

4.2.3 应用情况

串联安装方式的双涡轮增压系统应用相对较少，仅在马自达跑车RX-7的13B-REW发动机上得以应用。

5 机械增压+涡轮增压

5.1 结构特点及工作原理

鉴于双涡轮增压系统和可变截面涡轮增压系统都不能彻底消除涡轮的迟滞问题，德国大众汽车公司推出了机械增压+涡轮增压的新型进气增压系统，它能够彻底消除涡轮迟滞的影响，该技术代表着未来发动机增压技术的发展方向。以大众高尔夫GT1.4TSI为例，其工作原理是：当发动机在部分负荷低速运转时，机械增压器投入工作，当发动机转速超过1500r/min时涡轮增压器介入工作，当发动机转速超过3500r/min时，机械增压器退出工作。

5.2 主要优缺点

这种双增压型发动机很好地发挥了机械增压和涡轮增压的优点，在发动机工作全程内实现扭矩和功率的提升，改善了起步加速，也具有充足的后劲，相对来说动力损耗减低到最小，增压效果最好，如高尔夫GT1.4TSI发动机的功率与2.3L自然吸气式发动机功率相当，但燃油消耗能降低20%。但是这种双增压方式结构复杂，成本过高，机械增压器每5万公里就需要更换，而且对燃油品质的要求也高，因此，大众公司出于成本的考虑，在我国生产的TSI发动机取消了机械增压而仅有涡轮增压。

5.3 应用情况

目前应用这种双增压技术的主要是德国大众汽车公司，应用的车型有进口版的大众高尔夫GT、尚酷、CC以及大众首款硬顶敞篷跑车EOS等。

6 结束语

综上所述，单涡轮增压虽然不能解决涡轮迟滞的弊端，但能够大幅度地提高发动机的功率和扭矩，同时燃烧彻底，降低排放，由于其技术开发难度相对不大，所以不管是柴油机还是汽油机均进行了大量的应用，随着技术成本的不断降低，将会有越来越多的中低端车型采用它。机械增压很好地解决了涡轮迟滞的毛病，但消耗了发动机的功率，且使用成本较高，所以单独使用该技术的车型不多。可变截面涡轮增压是对涡轮增压的技术升级，它较好地解决了涡轮迟滞的不良效应，是近期涡轮增压技术的一个主要发展方向，但其技术开发难度相对较高，所以主要在一些中高端的车型上得以应用，随着其技术的不断发展，应用该技术的车型会越来越多。双涡轮增压也是为降低涡轮迟滞而进行的技术改进，但其技术开发难度大，适用的车型也少，主要在一些豪华型多缸车上采用。机械增压+涡轮增压很好地发挥了机械增压和涡轮增压的优点，能够使发动机在工作全程内实现扭矩和功率的提升，增压效果最好，它将代表着未来发动机增压技术的发展方向，目前它主要在德国大众汽车公司得以大量应用，随着发动机增压技术的不断发展，将会有更多的汽车公司和车型使用这种增压技术。

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