小排量发动机废气涡轮增压器的结构设计

2019-02-12王旭景

时代农机 2019年3期

王旭景

（德州市农业机械管理局，山东德州 253013）

涡轮增压技术作为发动机增压的一种方式，目前已被广泛采用。通过涡轮增压器对发动机进气增压使得燃料在汽缸内得到更加充分的燃烧，从而实现了发动机的节能，所以涡轮增压技术符合了当前节能减排的社会趋势，对发动机加装涡轮增压器已经成为现在一项很重要的技术，因此，无论现在还是未来，对涡轮增压技术的研究和涡轮增压器的设计都具有非常重要意义。当前世界对涡轮增压技术的研究已相当先进，国内对于涡轮增压器也一直不断地在深入的研究与推广。国内对大中型排量的发动机基本已经完成了普及，而对于小排量的发动机来说，在国内技术尚有不足。随着能源危机日益临近，节能减排也越来越被人们所重视，因此，对小排量发动机进行涡轮增压器的设计与安装必将会得到人们的重视，针对小排量的发动机进行涡轮增压器的设计，具有非常重要的实际意义。

1 废气涡轮增压器的作用

废气涡轮增压系统，在发动机结构参数不需要有大改变的情况下，可以使功率增加20%～30%，高增压的效果更明显甚至能达到100%；排出的废气能量可进一步利用，使发动机的经济性提高3%～4%；废气涡轮增压系统可以增大转矩，提高车辆装载质量，减少排气噪声，对环境保护有重要意义。

废气涡轮增压系统全工况范围内都具有良好的性能。主要是增强扫气效果提高进气效率，改善低工况性能，减少有害排放物。

2 废气涡轮增压器的结构原理

涡轮增压器实际上是对进气进行压缩，通过压缩空气增加进气的密度来增加进气量。然后利用发动机排出的废气的动能来推动废气涡轮，涡轮又通过中间轴来带动压气机的工作叶轮，叶轮对空气滤清器管道送来的空气做功，使之压力加大进入气缸。当发动机转速提高时，排气口排出的废气的速度与涡轮转速也同步增快，叶轮会把更多的空气压入气缸，气缸内进入的空气压力和密度增大可以让更多的燃料在空气量比较充足的环境中燃烧，燃料量增加，发动机的转速做出响应进行调整，发动机的输出功率也会变大。废气涡轮增压器中的压气机多采用离心式压气机，压气机出口压力可达1.40-3bar，甚至可达到 5bar。

离心式压气机结构一般由进气道、叶轮、扩压器和压气机蜗壳等部件组成。

2.1 进气道

进气道的设计多采用轴向，气流沿轴向直接进入压气机，结构简单而且流动损失小。这种结构在中、小型涡轮增压器使用较多。

进气道的作用主要是导向，将进气口进来的空气导向压气机工作叶轮。渐缩形进气道能够降低流动损失，分为径向进气道和轴向进气道两种基本形式：本设计采用轴向进气道；径向进气道的气流开始是沿半径方向进入进气道，然后再沿轴向进入压气机工作叶轮，这种方式流动损失较大，所以当轴承外置的大型涡轮增压器或其他装置（空气滤清器）的空间布置受限时，才采用这种形式。

2.2 压气机叶轮

空气进入压气机中，压气机的叶轮对空气作功，它把废气涡轮通过中间轴传递来的机械能转变为空气的压力能和动能。压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分。中、小型涡轮增压器与大型涡轮增压器结构形式不同，中小型涡轮增压器导风轮和工作叶轮做成一体，大型的是将导风轮和工作叶轮装配在一起。其中导风轮的作用是使气流导入叶轮入口，并且对叶轮的撞击尽可能的降到最低。根据叶轮轮盘的结构形式进行分类，压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式以及星形等形式。

2.3 扩压器

压气机工作叶轮出口空气具有较高的速度经过扩压器的进一步转化，空气的速度降低压力变大，动能转变为压力能，所以扩压器效率的高低对压气机效率有着重要的影响。

车用小型涡轮增压器经常处于变工况运行状态，所以广泛应用的无叶扩压器。无叶扩压器本质上是一环形空间。无叶扩压器中气流流动迹线在任意直径处与切向的夹角基本不变，也就是说气流在环形通道中基本上是沿对数螺旋线的轨迹流动。无叶扩压器流量范围比较宽，结构相对简单，制造方便，成本较低。但其使用过程中也存在着气流的流动路线比较长、产生的流动损失大、效率低的缺点。

2.4 压气机蜗壳

从压气机出来的空气经工作轮做功，扩压器转换后仍有较大的速度，在渐渐扩张的蜗壳中空气速度降低，动能进一步转化为压力能，所以，压气机蜗壳不但具有收集从扩压器出来的空气的作用，也有一定的扩压作用。

3 废气涡轮结构设计

废气涡轮增压器主要包括安装在同一轴上的压气机和涡轮以及由中间轴、浮动轴承、壳体等组成的中间体。压气机叶轮是高精密度的铝合金铸件，并通过有限元仿真、流线分析等设计得到叶片的形状。为匹配车用发动机，适应车辆宽广流量范围，离心式废气涡轮增压器一般都采用后弯式叶轮，无叶型扩压器。涡轮叶轮与高温废气接触所以需要用耐热性高的合金材料，一般是镍或钴，并使用精密铸造法整体铸造成型。在涡轮壳通过喷嘴叶片环或叶片式喷管把废气导入涡轮叶轮。目前，一般采用具有喷嘴或喷管性能的蜗壳，即无喷嘴的涡轮壳。

废气涡轮根据废气流向可分为径流式和轴流式两类。在径流式涡轮中，发动机排出的高温废气沿着与涡轮旋转的中心轴线相垂直的平面径向流动。在废气的流量较小时，它的效率比较高，制造成本也较低，特别适用于一些小流量的废气涡轮增压器。在轴流式涡轮中，发动机排出的高温废气直接沿涡轮旋转的中心轴线方向流动。当发动机的废气流量较大时，它的效率比较高，所以适用于大流量的废气涡轮增压器。