浅谈汽车涡轮增压发动机技术

陈宝坤

【中图分类号】G4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）14-0047-02

一般来说，汽车引擎的排量和功率是成正比的，要提高发动机的输出功率，最直接的方法就是提高发动机的排量。但排量提高的同时，发动机制造的精密程度、重量、能耗也被无限量增大，其缺点也是显而易见的。为了化解这一矛盾，那些富有钻研精神的汽车工程师们创新式的使用了发动机增压技术，它使汽车引擎获得额外的大功率动力输出成为了可能。

涡轮增压技术的使用历史

汽车引擎的增压技术可分为机械增压和废气涡轮增压两种，其中废气涡轮增压技术因更高的能效比而应用得最为广泛。

说到涡轮增压技术，它已经有100多年历史了。在1905年Alfred Buchi博士就申请了第一款涡轮增压器的专利-动力驱动的轴向增壓器。到了1961年，小轿车开始试探性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商，1977年问世的Saab萨博99汽车，使汽车发动机在应用涡轮增压技术上，真正开始走向成熟，它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增压技术改写了“排量大小决定功率”的传统概念。

涡轮增压发动机的性能体现

装备了涡轮增压发动机的汽车，不仅在动力和功率这些性能的数字表现上，远超于同排量的汽车产品，更在实际使用过程中能与排量上比自己上一个等级的汽车相匹敌。如：Saab萨博公司在最新款Saab萨博9-3 Vector 2.0TS上装备的2.0升强涡轮增压发动机可以在5300转时输出惊人的155kW的功率，这一指标几乎已经赶上普通轿车3.0排量的发动机。也就是说在某一程度上，这款四缸发动机的产品所产生的功率与普通六缸发动机是等效的，这样带来的优点很明显，不仅不需要为了追求高速率来花更多的费用购买大排量汽车，并且发动机工作时噪音更小，而且采用分量较轻的发动机对降低整车重量、减少油耗更是大有益处。

环保、更低的排放标准也是涡轮增压器一个很重要的优点。因为在污染日趋严重的今天，一个有高度责任感的汽车制造商不仅要满足客户对汽车的驾乘欲望，保证产品有足够的驾驶乐趣，更要以保护环境、创造良好的生存空间为己任。涡轮增压器正好能满足即提高燃油经济性，降低排放，同时又不会以失去驾驶乐趣为代价的综合性要求。因为增压会给燃烧室提供更多的空气，使燃烧更彻底，排放更干净。特别在高海拔空气稀薄地区和严寒地区涡轮发动机也能有效的工作。目前全世界只有Saab萨博是唯一一个全系列产品都采用涡轮增压技术的汽车品牌。

涡轮增压发动机的性能原理

涡轮增压器的最大优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大20%～30%。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。 以前，涡轮增压器大都用在柴油发动机上，现在一些汽油发动机也采用涡轮增压器。因为汽油和柴油的燃烧方式不一样，因此发动机采用涡轮增压器的形式也有所区别 汽油发动机不同于柴油发动机，它进入气缸的不是空气，而是汽油与空气的混合气，压力过大容易爆燃。因此，安装涡轮增压器必须要避免爆燃，这里涉及两个相关问题，一个是高温控制，另一个是点火时间控制。 强制性增压后，汽油机压缩和燃烧时的温度和压力都会增加，爆燃倾向增加。另外，汽油机排气温度比柴油机高，而且不宜采用增大气门重叠角（进、气排门同时开启的时间）方式来加强排气的降温，降低压缩比又会造成燃烧不充分。还有，汽油机的转速比柴油机高，空气流量变化大，很容易造成涡轮增压器反应滞后。针对汽油机使用涡轮增压器出现的一系列问题，工程师有针对性地一一做了改进，使汽油机也能用上废气涡轮增压器。 中冷器 涡轮增压器吸进的空气经压缩温度增高了，在流动时与进气管壁摩擦还会进一步增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过l冷却而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃，同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。 叶轮 由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5毫米以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。 爆燃传感器 除了降低温度来减少爆燃的可能外，还要采用爆燃传感器，它的作用就是在产生爆燃之时，传感器感到不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ECU（电子控制单元）控制系统，将点火定时稍推迟一点，不产生爆燃的时候再恢复正常点火定时。 由于轿车汽油机的转速比柴油机高，空气流速快而且变化范围大，因此它的涡轮增压器有更高的要求。现代轿车发动机已普遍采用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，涡轮增压器在汽油机上的应用也会日益普遍。

涡轮增压技术的明天

随着科技的进步，涡轮增压器已经变得部件更少、体积更小、转速更高，空气压缩比更优。今天，在欧洲，涡轮增压器已经占到了50%，涡轮增压发动机已经成为提高动力性能的主流方向。随着新的耐高温材料、新的平衡技术和微量润滑油轴承系统及全新电子控制的使用，涡轮增压器对于今后的汽车还同样起着重要的作用。