浅析涡轮增压系统工作原理和应用

2014-04-29韦春健许慧洋

广东造船 2014年2期

韦春健许慧洋

摘要：介绍涡轮增压对提高发动机功率的显著作用，分析其利用废气做功，增加发动机进气密度，使得气缸内燃烧更完全，达到提高输出功率的基本工作原理。其次，分析涡轮增压系统在排气管结构选择、增压器类型选择等方面针对不同工况的应用情况，指出涡轮增压系统的发展应用应该向更高效、更可靠、尺寸更小等方面发展。

关键词：涡轮增压；工作原理；应用

中图分类号：U664.121文献标识码：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

在内燃机的发展历程中，增压技术的应用与发展有效地提高了内燃机的平均有效压力，从而大幅地提高了发动机的比功率和燃油经济性，被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑[1]。

涡轮增压器的特点在于通过加强易燃性，提高空气和燃料的混合比，从而大幅度提高发动机的输出功率，改善经济性，节约能源；适应不同海拔，补偿高原功率损失，减轻发动机排气污染，减少废气中的有害气体成分，降低发动机噪声。增压与非增压发动机相比，在发动机基本结构不变的情况下，可以大幅提高功率，降低油耗5%～10%，排放值减少10% 以上。涡轮增压器普遍应用在轿车、赛车、卡车、公共汽车、农业机械、船舶、矿业机械、工程机械、军用动力、航空和电站中。

随着汽车运输行业的发展，采用大功率、低污染的柴油机作为汽车动力源已成为一种趋势。目前，国内外普遍采用的方法都是增加发动机的充气量和供油量，即由柴油机的排气来驱动涡轮机，从而由涡轮机拖动压气机来提高进气压力，获得较大的充气量，这一方法称为废气涡轮增压，图1为废气涡轮增压器结构示意图。

图1废气涡轮增压器结构示意图

涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良迟缓现象依然存在，使发动机延迟增加或减少输出功率。鉴于涡轮增压器无本生利的优势和存在的缺点，自其出现以来，人们就不断对它进行技术改进，例如提高加工精度，尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙，以便提高废气能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐高温、刚度强、重量轻的优点，可以将涡轮增压器做得更加紧凑，体积更少，而且能减少涡轮的“滞后响应”时间。

2工作原理

增加喷油量和进气量使燃烧更加剧烈是提高发动机功率的关键，增加发动机的喷油量很容易做到，但要提高进气量，以提供足够量的空气支持燃料的完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。增压器的基本工作原理是通过压缩进入发动机气缸前的空气来提高空气的密度，从而使更多的空气填充到气缸内，配合更多的喷油量使燃烧更加剧烈，增大发动机功率[2]。

涡轮增压器是使发动机在工作效率不变的情况下，增加输出功率的机械装置。它是由涡轮室和增压器两部分构成的：涡轮室进气口与排气管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量，利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送有空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快时，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。图2为涡轮增压器工作原理示意图。

发动机采用废气涡轮增压，有以下好处：

（1）提高发动机功率，降低油耗。实践表明,在一般柴油机上通过改动进、排气管,增大供油量,加装废气涡轮增压器,可明显增加柴油机功率。例如：6135柴油机采用涡轮增压器后,功率由原来的118 kW提高到153 kW,功率增加近30%,而油耗则降低5. 7%；

图2涡轮增压器工作原理示意图

（2）减小单位功率质量,缩小外形尺寸。例如：某防爆胶轮车引进Perkins1104-44TA增压机后，可用四缸机取代原来1006-6的六缸机，使外形尺寸大大缩小,为整车的布置带来诸多便利；

（3）采用增压技术可以有效降低排放污染。由于涡轮增压发动机增大了进气量，使得燃烧比较完全,从而使废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也较少；

（4）采用增压技术后，发动机燃烧压力升高率降低,工作较柔和，噪声比较小；

（5）采用增压技术后，对于高原地区使用的发动机更显必要。由于高原地区气压低，单位质量的空气中含氧量较平原地区少，易导致发动机功率下降。一般认为，海拔每升高1 000 m，发动机功率下降8%~10%，燃油消耗率增加3. 8% ~5. 5%，加装涡轮增压器后，可以恢复功率，同时减少油耗[3]。

3应用情况

经过长期的发展、改进，涡轮增压系统结构形式基本趋于一致，由于社会发展对发动机提出越来越高的要求，则必然对涡轮增压系统提出相应的要求，新技术、新材料和新工艺的应用一直都在探索和研究中。现代制造水平的大幅度提升，生产出效率更高、结构更复杂的涡轮增压系统的成本大大降低，而且寿命更长、稳定性更强。排气管、涡轮增压器等方面越来越多的发明创造简化涡轮增压系统的同时，也大大提高了其效能。

3.1 排气管的应用类型

排气管的类型主要分为定压增压型、脉冲增压型、脉冲转换器增压型和MPC系统型四种，图3为各型排气管示意图（以9缸机为例）。

图3排气管设计类型示意图

（1）定压增压型

定压增压型为各气缸共用一根容积较大的排气管，保证排气总压力保持恒定，大小与负荷有关，如MAN-B&W公司中速机采用定压增压。其优点为：扫气干扰小，泵气功损失小，涡轮进气压力稳定；其缺点也比较明显：排气脉冲能量利用率低、扫气量少以及低工况性能差[4]。

（2）脉冲增压型

脉冲增压型一般是将扫气不发生干扰的两个或三个气缸连接，共用一根排气支管，涡轮进气口依据支管数量设置。这种方式既可以避免扫气干扰，又能较好地利用排气脉冲能量，增大扫气量，改善低工况性能。比如，气缸数为3的倍数的发动机，3缸共用一根支管，排气能量连续，增压效率高；然而，气缸数不是3的倍数时，必然有一个气缸或两个气缸用一根支管，那么该支管连接涡轮进口后在某些时间是没有排气能量的，造成做功不连续，影响增压效率。同时，支管多、涡轮进口多，排气管路结构复杂，布置难度大。

（3）脉冲转换器增压型

脉冲转换器增压型是在脉冲增压型的基础上改进，将两根或多根支管通过脉冲转换器（见图4）连接，减少涡轮进口数量，这样改进提高了增压效率；因为脉冲转换器有缩口，泵气功损失增加，但总的来说还是有好处的。

图4脉冲转换器示意图

（4）MPC系统型

为了尽可能简化排气管系结构，便出现了MPC系统（又称单管脉冲增压系统），即每个气缸排气口都连接脉冲转换器，那么该系统的结构大大简化，便于生产加工，更好地利用脉冲排气能量，增压效率更高；其缺点是各气缸发生扫气干扰，受干扰的气缸排温高，容易超标。比如，对8缸机的可能发火顺序进行研究表明，没有一种发火顺序可以完全避免这种扫气干扰。

综合考虑各种脉冲转换器增压的优点和缺点，取长补短，设计出混合脉冲转换器增压型。比如，充分利用一般的脉冲转换器增压和MPC系统增压相结合，达到更好的增压效果[4,5]。

3.2涡轮增压器的的应用类型

（1）涡轮增压器经历了基本型、可变截面、增压空气控制旁通放气涡轮增压器等阶段，结构越来越复杂，但适用范围则越来越宽、效率越来越高。瑞士ABB公司的轴流式涡轮增压器VTR.4E；总效率达到75%；日本的涡轮增压器在小型化方面处于世界领先地位，如三菱公司、石川岛播磨公司均有压气机叶轮直径为34mm的小型增压器用于摩托车或汽油机，但Borg Warner公司于2000年推出涡轮直径为31mm的kp31涡轮增压器，这是当今世界最小的系列化增压器产品[6]。

相继增压 STC 的基本原理是采用多个小流量的增压器，随着柴油机工况的提升，依次投入运行。它改变了增压系统在低工况时废气能量不足而引起的涡轮转速下降，增压压力不足，从而引起的增压器喘振、柴油机功率下降等问题。在柴油机额定工况下，每台增压器都在高效区运行；而在柴油机部分负荷时，减少投入使用的增压器数量，使得投入运行的增压器运行线仍处在高效区附近，从而改善柴油机的经济性及排放性能[7]。

（2）可变截面涡轮增压，是柴油机废气通过喷嘴环时,根据涡轮增压柴油机外界负荷的变化从低速到高速通过分段，或连续改变涡轮截面来改变喷嘴环叶片的角度，使流入涡轮叶片的气流参数改变，通过涡轮焓降的变化实现涡轮做功的变化,进而让压气机出口的增压压力发生变化,从而使得柴油机与增压器在各工况下均有良好的匹配，还可以提高柴油机的瞬态特性和降低瞬态排放。可变截面涡轮增压的缺点是涡轮增压器的成本与普通增压器相比，要增加20%以上，同时对可靠性也有一定的影响。

（3）废气旁通增压，以柴油机低负荷为增压器匹配点，对于无法兼顾的高负荷区，通过打开废气旁通阀，释放多余废气（一般放废气量占总废气量的10%左右），可防止迅速提高的涡轮增压器转速和增压压力超过限值而引起的爆压过高、机械负荷和热负荷过高等问题。这种系统因为采用较小的废气流通截面，能改善柴油机在低工况时的经济性、排放性能以及瞬态响应。废气旁通增压实质上是用来克服柴油机与增压器匹配时所存在固有矛盾的一种措施。对于经常运行在标定转速的柴油机来说，由于放气造成了能量的损失，使高工况的燃油消耗迅速上升，对经济性有较大的影响。

4结语

涡轮增压在提高发动机功率方面有极大的优势，经过研究人员不断的创新改进，作为未来的发展趋势，更注重结构的整体性，即把眼光放在涡轮增压整个系统上考虑，而不只是放在单个设备（环节）上，使涡轮增压系统向更高效、更可靠、性能更强、尺寸更小等方面发展。

参考文献

[1] 张然自, 任继文.车用发动机增压技术现状及其市场预测[J].车用发动

机, 1997, 10(2): 1-9.

[2] 曾宪龙, 何志龙, 邢子文.双螺杆机械增压器现状及其发展趋势[J].流体

机械, 2011,39(8):38-43.

[3] 焦高荣, 王斌.柴油机涡轮增压器的结构和原理[J].内燃机, 2007,3:26-7.

[4] 杨世友, 顾宏中, 郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展[J].柴油

机, 2001,4:1-5.

[5] 杨守平, 张付军, 张金伦, 高思远.涡轮增压柴油机MPC增压系统优化设

计[J].车用发动机, 2010, 2:11-15.