涡轮增压器的工作原理及车辆的正确选择和使用

程炎林

(马钢汽车运输服务有限公司 安徽马鞍山 243000)

我们经常能看到汽车上有T和Turbo的标志，这表示车辆搭载了涡轮增压技术的发动机。涡轮增压技术的应用对车辆的经济性和安全性有什么优点和缺点呢?这是近期大家讨论和争议比较多的。有的说涡轮增压发动机动力好，比较省油;有的说发动机容易烧机油，噪音大，增压器容易坏，定期要更换，维护成本高等等。我们了解了涡轮增压器的结构和工作原理，就能更好的根据其特性来选择涡轮增压车辆还是自然进气车辆，并根据涡轮增压发动机的工作要求对车辆进行合理的维护。

1 涡轮增压技术的发展历史

涡轮增压技术最初是为了提高飞机发动机的功率而设计出来的，1905年，瑞士人比希为了提高老式的活塞式飞机发动机的进气量，发明了涡轮增压器，并得到该项目的专利。

一直到1961年美国通用汽车公司才将此项技术首次应用到汽车上，70年代，涡轮增压器在保时捷911和瑞典的SAAB萨博车辆上得到推广应用。而我国的汽车制造商是最近10年才将涡轮增压器应用到国产发动机上。发动机涡轮增压技术有着百年的历史，算得上是比较成熟的。而在我国汽车制造领域又是一项新技术，而且在高速推广，发展速度惊人，有蓬勃发展之势。

2 发动机增压器的种类

汽车发动机的增压器可以分为:机械式增压器、涡轮增压器，以及废气/机械式复合增压器。

2.1 机械式增压器(Supercharger)

机械式增压器的工作原理是依靠发动机曲轴的转动来驱动增压器，带动增压器内部转子旋转，实现进气增压的。一般采用皮带连接曲轴皮带轮的方式。汽车上的增压器，起初都是机械增压的，称之为超级增压器(supercharge)。

机械式增压的工作特性:由于机械增压器是依靠发动机曲轴提供动力的，因此其输出的进气压力随着发动机转速的提高而增加，动力增加的线性关系比较好。在发动机低转速下也能获得增压，这一点与涡轮增压器区别明显。涡轮增压器在发动机低速或怠速的情况下没有增压效果。机械增压发动机的加速特性与自然进气发动机极为相似，却比后者拥有更大的功率与扭矩。

机械增压器由于其依靠曲轴动力，所以其结构简单，工作温度低(一般工作在70℃ -100℃)，比起靠废气驱动的涡轮增压器的高温(400℃ -900℃)要低的多，发动机的冷却系、润滑系都和自然进气发动机一样，在维护保养上没有特殊要求。

由于机械增压是靠发动机曲轴带动的，在发动机高速情况下，随着提供的进气压力的不断增大，增压器的阻力也随之增大，给发动机增加了额外的负荷，因此，必须在增压与引擎负荷间取得平衡，以避免发动机做无用功。

2.2 涡轮增压器(Turbocharger)

利用发动机高速排出的废气带动涡轮旋转，使同轴的进气叶轮同时高速旋转，将来自空滤器的洁净空气压入气缸，增加进气压力。涡轮增压器是利用了排气能量，不会影响发动机的动力。

涡轮增压器根据连接涡轮室前端的排气管容积的大小又分为:定压涡轮增压器和脉冲涡轮增压器。

定压涡轮增压器是把发动机排气口与涡轮室进气口之间的排气管设计的比较大。尽管各缸是交替排气的，废气先进入一个空间较大的排气管，起到了缓冲作用，涡轮入口处的压力基本不变，故称为定压增压系统。该系统能够全周进气，动力均匀连贯，气流引起的震动较小。缺点是冲击能量低，有实验表明，当增压压力较小时，定压增压系统仅仅利用了排气能量的12% ～15%，高增压时可达30%以上。因此发动机低速的扭矩和加速性能较差。

脉冲涡轮增压系统则相反，该系统的特点是排气支管尽量做的短而细，空间尽可能的小，排气能迅速地进入涡轮室中膨胀做功，减少了因缓冲而降低的能量。因此，脉冲系统比定压系统能更好的利用排气能量，而且排气管容积越小，效果越好，以至于有的制造商将增压器与排气管做成一体，使其结构紧凑，排气利用率高。

2.3 废气/机械式复合增压器

为了兼顾发动机高低转速两种工况的增压需要，工程师们在发动机的进气系统上安装机械增压器，在排气系统上安装涡轮增压器，使增压器串联连接，在不同的转速下为发动机提供增压服务，就形成了废气/机械式复合增压器。

3 涡轮增压器的结构和工作原理

图1为涡轮增压器结构图，左边气流表示高温废气，右边气流表示新鲜空气。

3.1 涡轮增压器的结构

涡轮增压器结构简单，主要由涡轮室、增压器、中冷器、泄压阀和旁通阀等组成。涡轮室进气口与发动机排气口相连，涡轮室出气口直通排气管;增压室进气口与空滤器连接，出气口连接装有节气门的进气管;涡轮和叶轮通过轴刚性连接，分别装在涡轮室和增压室内。由于空气被高比例压缩后会产很高的热量，导致空气膨胀，密度降低，为了使被压缩的空气温度降低，得到更好的容积效率，必须对压缩空气进行冷却。因此，在涡轮增压器与发动机之间增加了冷却器，称为中冷器。泄压阀安装在增压器与节气门之间的进气管上，由电脑控制单元ECU控制;旁通阀安装在涡轮室进气口前端，旁通阀打开时，废气可以不进入涡轮室参与做功而直接排入排气管。

3.2 涡轮增压器的工作原理

简单的理解涡轮增压器就是一个空气压缩机，只不过它是由发动机排气驱动，不消耗发动机的功率，实现能量的再利用。

从气缸排出的高温高压废气，具有很大的动能，进入与排气支管连接的涡轮增压器的涡轮室，推动涡轮旋转，使同轴的增压器叶轮旋转;叶轮室的进气口与空气滤清器相连接，出气口与发动机的进气管相连接，叶轮的转动将来自空滤器的纯净空气向发动机进行输送，提高进气压力。

当发动机低速运转，排气量少，涡轮转速低，此时，低转速的叶轮不能对由于真空而自然进入气缸的空气产生推力，不能起到增压的作用。当发动机转速达到中高速时，叶轮转速增加，其产生的气压能增加进气的压力，增加进气量，随着燃油的增加和充分燃烧，就提升了发动机的功率输出。

为了增加气缸内空气的进气量，提高空气的充盈度，必须保证进入的空气温度不能过高;当叶轮增加进气压力的时候，空气温度升高，密度下降，降低了实际的进气量。因此，中冷器就成了涡轮增压系统不可缺少的部分。中冷器实际上就是一个散热器，将高温气体在小截面的管道内流过，而管道外增加散热片，有常温空气流过，从而达到降温目的(可以将气体温度从150℃降到50℃左右)。

行驶过程中，当需要减速或停车时，需要减小油门，关闭节气门，此时由于涡轮叶轮的惯性作用，继续向进气管压送空气，由于节气门关闭，导致进气管和中冷器内的空气压力迅速增高，如果此时不泄气减压，就会导致节气门损坏、进气管和中冷器管道爆裂。因此，在进气管部位必须安装泄压阀，在压力过高时进行排气泄压。泄压阀由ECU(电子控制单元)控制，当传感器检测到压力过高时，开启泄压阀，进行排气。

汽车在加速过程中，随着发动机转速的提高，对进气的压缩力也越来越大，甚至有可能超出设计极限，此时就需要放出一部分废气，不让其进入涡轮增压器参与做功。旁通阀此时就起作用。当检测到进气管内的压力过大时，旁通阀开启，将一部分废气直接导入排气管，不进入涡轮室做功，控制增压量。

4 涡轮增压发动机与自然进气发动机的优缺点比较

首先，涡轮增压发动机可以实现小排量大功率。涡轮增压器的主要作用就是提高发动机进气量和进气压力，在压缩行程结束时有较高的压缩比，从而提高发动机的功率和扭矩。两台同等排量的发动机，装有涡轮增压器的最大功率要比自然进气的高出40%以上。如1.8T的涡轮增压发动机，可以实现自然进气2.4L发动机的功率水平。但油耗并没有增加40%。从理论上讲，由于涡轮增压器增加了进气量，提高了压缩比，使燃油能够更充分的燃烧，得到更好的动力表现，减少了尾气的排放，是有节油效果的。

其次，在城市内上下班使用的车辆，由于城市车辆拥挤，红绿灯多，车辆经常处于低速行驶状态，怠速停车时间多。排量小的涡轮增压车要比排量大的自然进气车辆省油。原因是:涡轮增压器在车辆低速时不起增压作用，一般涡轮增压起作用有一个转速要求，某品牌1.4T涡轮增压车辆，其发动机转速达到1750rpm时，才有增压效果。市区道路低速行驶增压器不起作用，相当于开着1.4L自然进气的车辆，自然比与之相当的1.8L车辆要省油。

第三，在车辆的中高速行驶中涡轮增压汽车比自然进气汽车具有较好的功率输出，动力充沛，由于增压效果明显，发动机的动力性和经济性得到充分体现。

但是事物都是有利有弊的，涡轮增压有如下不足之处:

(1)涡轮增压发动机经过了增压之后，发动机工作的压力和温度都大大升高。发动机工作压力升高，噪音和振动比自然进气发动机要大;发动机工作温度升高，使机油容易老化，润滑性能下降，加速发动机磨损。因此发动机使用寿命会比自然进气发动机要短。

(2)涡轮增压器本身工作环境比较恶劣，高温、高压、高腐蚀，因此维护保养要求高，更换周期短，比如大众部分车，说明书上要求6万公里必须更换涡轮增压器，要求使用高品质的合成机油。给车主增加了后期维护费用。

(3)涡轮增压器在一定的转速下不起增压作用，因此，车辆在起步时的动力性不如功效与之相当的自然进气的车辆，起步加速性能低，另外，涡轮增压发动机在持续加速过程中，有不同程度的滞后感，当加速到增压器介入时，动力陡然增加，有突然提速的感觉。

5 如何正确选择涡轮增压汽车与自然进气汽车

了解了涡轮增压器的结构和工作原理，确定了使用要求，就比较容易在涡轮增压还是自然进气的车辆之间做出选择了。

由于涡轮增压车辆中高速加速性能好，高速行驶时动力充沛，适合年轻人使用;适合经常在城市之间出差，经常跑高速，每月行驶里程相对较高的商务人员使用。同等功效的涡轮增压汽车和自然进气汽车相比，前者更具价格优势，购买一台1.8T涡轮增压车型也许只要十几万元，而普通2.4L或者2.5L V6的自然进气车型，价格则需要20多万元。

对于迎宾接待用车，要求车辆驾驶稳定性高，静音效果好，车辆震动小，车辆加速线性稳定，可以选择大排量的自然进气车型。

对于普通的城市上班族，由于上下班高峰的特点，车辆多、红绿灯多、道路拥挤，车辆处于低速行驶和怠速等待时间长。因此，起步加速性能好，怠速省油的自然进气的车辆为首选;车辆使用频次多，路程近，选择自然进气车似乎更加实惠和方便。因为对涡轮增压车要求怠速升温3分钟才能起步;高速行驶后要求怠速3分钟才能熄火，这方面的要求也不适合市区代步车。自然进气车易于保养维护，不必为涡轮增压器的定时更换付出一笔开销。

6 正确使用涡轮增压发动机

根据前面论述的涡轮增压器的结构和工作原理，我们知道，涡轮增压器是一套工作在高温、高压、高速旋转的机械装置，一般废气涡轮端的温度在600度以上，涡轮在发动机高速时的转速在10万rpm。介于如此的工作环境，我们要遵循以下使用方法:

(1)冷车启动后，不能马上加油起步，应先怠速运转三分钟，因为发动机刚启动，润滑油还没有到达涡轮增压器，轴和套得不到机油润滑。怠速升温是为了让机油温度升高，流动性变好，机油有充分时间进入轴承部位，使之得到润滑。冬天怠速热车时间至少需要10分钟。

(2)收车时，发动机在高速运转后不能马上熄火停车，保持怠速运转3分钟，使涡轮转速下降，方可熄火。因为在发动机高速的情况下，机油泵将机油提供给涡轮增压器，使转轴得到润滑和冷却，如果此时突然熄火，机油泵停止工作，机油供应中断，此时涡轮轴还在高速运转，轴承得不到润滑，高温得不到冷却，残留在涡轮轴的机油就会被熬成积炭，失去润滑效果，损坏轴承和轴。此外，涡轮增压发动机不能长时间怠速，连续怠速时间不能超过10分钟。

(3)更换机油最好使用原厂指定的，或者选用合成机油或半合成机油。合成机油有抗磨性好，耐高温，油膜强度高和稳定性好的特点。它能满足涡轮增压发动机高温、高压的工作环境。由于增压作用，进入气缸的空气压力和体积都得到提高，使得发动机的工作强度增高，因此要求机油有更高的油膜强度。又由于涡轮增压器本身工作在高温高压环境中，对机油有较高耐高温，抗氧化的要求。因此必须按要求选择优质的机油。

(4)必须保持发动机机油和机油滤清器清洁，因为含有杂质的机油会加速涡轮轴承的磨损，导致配合间隙增大，使机油进入涡轮室，出现排气冒黑烟现象。如果机油变质要及时更换，变质的机油会加速了涡轮增压器的报废。

(5)要保持空气滤清器的清洁，涡轮增压发动机要求空气洁净，如果灰尘进入叶轮室，轴套和密封件加剧磨损。

7 结束语

涡轮增压技术从发明到现在已历时一百多年，它能提高发动机的工作效率，增大扭矩，减少尾气排放，事实证明是一项成熟可靠的技术，在近几年得到广泛应用。随着材料技术的不断发展，涡轮增压器的使用寿命将大幅提高。现在已经推出了和发动机相同使用寿命的涡轮增压器，这不但降低了车辆的使用维护成本，更为涡轮增压器的广泛使用提供了保证。

［1］该注意什么?涡轮增压发动机的保养指南［J/OL］.腾讯汽车，2015-10-30

［2］陈亚新.汽车为什么会跑-发动机图解［M］.北京:机械工业出版社，2013