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廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施

文檔作者：李仕存白海文檔來源： 1．鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車工程系 2．廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2026年01月23日
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設(shè)計研究
汽車實用技術(shù)
AUTOMOBILE Af]PLIED TECHNOLOGW
20l 5年第8期
20l 5 NO．8
廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施
李仕存 ，白海
(1．鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車工程系，河南鄭州452370；2．廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西桂林541004)
摘要：廢氣渦輪增壓系統(tǒng)有利于改善發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放品質(zhì)等綜合性能，因此得以廣泛的使用。在
對廢氣渦輪增壓器進(jìn)行設(shè)計的過程中，針對其工作過程中存在響應(yīng)延遲及壓縮空氣溫度過高的問題，提出一定的改
進(jìn)措施，最后分析了當(dāng)前廢氣渦輪增壓器設(shè)計制造的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；設(shè)計；問題；改進(jìn)措施
中圖分類號：U464．1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671—7988(2015)O8—20—03
Basic Principle and Improvement M easures of Exhaust Turbocharger
Li Shicun ．Bai Hai
(1．Department ofAutomotive Engineering，City University ofZhengzhou，Henan Zhengzhou 452370；
2．School ofTechnology and Education，Guangxi Normal University,Guangxi Guilin 541004)
Ab~raa：Exhaust turbocharging system has been widely used because it is propitious to improve combination property of
engme，such as power,economy and emission quality．In process of desi in島some improvement me~ es，which are
aimed at the response delay and high temperature of compression air of exh aust turbocharger in the working process，have
been put forward．Finally,the trends ofdesign an d manufacturing ofthe exhaust turbocharger have been analyzed．
Keywords：turboeharger；design；problem；improvement measures
CLC NO．：U464．1 Document Code：A Article ID：1671—7988(2015)08—20-03
引言
隨著人們環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源意識的不斷增強(qiáng)，世界各
國加強(qiáng)了對機(jī)動車和非道路移動機(jī)械尾氣排放的監(jiān)管和治理
?
。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可以全面改善發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)
性和排放品質(zhì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。作為廢氣渦輪增壓
系統(tǒng)的重要部件，渦輪增壓器在工作過程中存在響應(yīng)延遲及
壓縮空氣溫度過高的現(xiàn)象，如何通過一定的措施予以改善，
成為其設(shè)計制造中需要重點解決的問題。
1、發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的原理及類型
根據(jù)發(fā)動機(jī)的有效功率公式 ：
=
×l0—3 ‘公
作者簡介：李仕存，就職于鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車工程系，主要從
事汽車運(yùn)用及液壓與液力傳動的研究。
式中尸刪—— 平均有效壓力(Mea)；
— — 工作容積(L)：
— — 發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速(r／min)；
j——氣缸數(shù)；
zI——沖程數(shù)；
可知提高發(fā)動機(jī)功率的方法有：
(1)改變發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如通過增加氣缸數(shù)f，
增大氣缸直徑D 和活塞行程S，減少沖程數(shù)f等；
(2)提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和活塞的平均運(yùn)行速度：
(3)提高氣缸內(nèi)的平均有效壓力 。
發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)，即利用增壓器對空氣或可燃混合氣進(jìn)
行壓縮，然后送入發(fā)動機(jī)氣缸的過程。經(jīng)過增壓，每次循環(huán)
進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充氣量的密度有所增大，使實際充氣量增
加，從而提高了缸內(nèi)的平均有效壓力，最終達(dá)到提高發(fā)動機(jī)
功率，并改善經(jīng)濟(jì)性能的目的。
發(fā)動機(jī)增壓系統(tǒng)分為機(jī)械增壓系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)、
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21 汽車實用技術(shù) 2015年第8期
氣波增壓系統(tǒng)、復(fù)合增壓系統(tǒng)。其中， 目前應(yīng)用最為廣泛的
當(dāng)屬廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。它充分利用發(fā)動機(jī)排出廢氣的動能
來實現(xiàn)增壓的目的，其增壓器與發(fā)動機(jī)沒有機(jī)械連接，壓氣
機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)則是通過由發(fā)動機(jī)廢氣驅(qū)動的渦輪來帶動的。
2、廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理
廢氣渦輪增壓器分為軸流式和徑流式兩種。軸流式廢氣
渦輪增壓器主要由單級離心式壓氣機(jī)與單級軸式渦輪機(jī)組成
為機(jī)組，徑流式廢氣渦輪增壓器主要由單級離心式壓氣機(jī)與
徑流式渦輪機(jī)組成 。 。渦輪機(jī)和壓氣機(jī)共同組成了轉(zhuǎn)子，它
~l']-者的工作輪是裝在同一根轉(zhuǎn)軸上的，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的動力來
源于發(fā)動機(jī)排出廢氣的動能。
廢氣渦輪與壓氣機(jī)通常裝成一體，便稱為廢氣渦輪增壓
器，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機(jī)
排出的具有一定能量的廢氣進(jìn)入渦輪并膨脹做功，廢氣渦輪
的全部功率用于驅(qū)動與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪，
在壓氣機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸，其基本工作原理
如圖1所示。一般來說，柴油機(jī)通過合理地加裝廢氣渦輪增
壓系統(tǒng)后，氣缸內(nèi)的壓力可達(dá)180~200kPa，或300kPa左右，
可提高功率20％~30％ ，降低比油耗5％左右，有利于改善
發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1 廢氣渦輪增壓器的基本工作原理
闊
3、廢氣渦輪增壓器存在的問題及改進(jìn)措施
3．1渦輪延遲
渦輪增壓器在使用中常常會產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。當(dāng)急加速踩
下油門時，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不會立即增加，而是需要幾秒鐘的
反應(yīng)時間，這樣就產(chǎn)生了延遲感 ，即踩下油門后，要先等
渦輪轉(zhuǎn)速上升，然后車輛才會加速前進(jìn)。
由于渦輪的慣性作用對油門驟時變化反應(yīng)遲緩，因此可
以通過減少旋轉(zhuǎn)件的重量，進(jìn)而減小其慣性的方法來解決。
這樣就使渦輪和壓縮機(jī)能夠更快地加速，從而更快地產(chǎn)生增
壓。減小渦輪增壓器的尺寸是減小渦輪及壓縮機(jī)慣性的一個
有效方法。雖然小型渦輪增壓器在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時能更快地
產(chǎn)生增壓，但在發(fā)動機(jī)處于高轉(zhuǎn)速、更多空氣進(jìn)入時，卻無
法產(chǎn)生更多的增壓。另一方面，發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，會有更
多的尾氣經(jīng)過渦輪，且存在使渦輪轉(zhuǎn)速過快的危險性。
大型渦輪可以在發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較多的增壓，由
于其渦輪和壓縮機(jī)偏重，從而導(dǎo)致加速緩慢，也會產(chǎn)生較嚴(yán)
重的渦輪延遲。
具體可以采取如下的方法來降低渦輪延遲：
多數(shù)渦輪增壓器都有一個廢氣泄放閥，它使排出的廢氣
繞過渦輪葉片。廢氣泄放閥能感知增壓壓力，如果壓力過高，
廢氣泄放閥就會指示渦輪旋轉(zhuǎn)太快，此時廢氣泄放閥使一部
分尾氣經(jīng)過渦輪葉片，從而降低渦輪葉片的轉(zhuǎn)速。因此，對
于小型渦輪增壓器，可以通過采用廢氣泄放閥的方式，防止
發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時渦輪旋轉(zhuǎn)過快。
一些渦輪增壓器采用高級材料制造出的高精度滾珠軸承
代替液壓軸承來支承渦輪軸，用以應(yīng)對渦輪增壓器的速度和
溫度 。渦輪軸旋轉(zhuǎn)時，這類高精度的滾珠軸承承受的摩擦
力比大多數(shù)渦輪增壓器液壓軸承中的摩擦力要小。同時還允
許使用略小、略輕的軸。這樣渦輪增壓器加速時更快，進(jìn)一
步降低了渦輪延遲。
有些渦輪增壓器使用陶瓷渦輪葉片，因為它比鋼制渦輪
葉片要輕。同樣，這也能使渦輪能更快地加速，達(dá)到降低渦
輪延遲的目的。
有些發(fā)動機(jī)采用兩個并聯(lián)的不同尺寸的渦輪來代替一
個較大的渦輪。其中，較小的渦輪可以較快地加大轉(zhuǎn)速，
降低渦輪遲時，而較大的渦輪能在發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生
更多增壓。
3．2進(jìn)氣膨脹
空氣被壓縮時，溫度就會升高， 由于熱脹冷縮的原理，
空氣會發(fā)生膨脹。通過廢氣渦輪增壓，空氣在進(jìn)入發(fā)動機(jī)前
就因壓縮摩擦生熱而產(chǎn)生了膨脹。增壓度是表示發(fā)動機(jī)增壓
后功率增長程度的物理量，其表達(dá)式如(公式2)所示：
： 旦：旦：
N p
(公式2)
式中 、 分別為增壓前后的充氣密度，由此可知，增
壓度的大小取決于充氣密度的提升程度。對于增壓后的充氣
密度而言，又有：
(公式3)
根據(jù)(公式2)和(公式3)可知，充氣密度的提高，除了
通過提高進(jìn)氣壓力外，還可以通過降低進(jìn)氣溫度得以實現(xiàn)。
因此，為了提高增壓效果，需要增設(shè)空氣中間冷卻器來對高
溫的壓縮空氣進(jìn)行冷卻。進(jìn)氣中冷不但可以提高充氣密度，
而且可以相對地降低排氣溫度，這對于降低發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷也
是有利的。
中間冷卻器或進(jìn)氣冷卻器的外觀像散熱器一樣，不同之
處在于，空氣同時從中間冷卻器的內(nèi)部和外部經(jīng)過。經(jīng)渦輪
吸入的空氣通過密封管路流經(jīng)冷卻器，然而，由發(fā)動機(jī)冷卻
風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)流經(jīng)它外部的散熱片。
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2015年第8期 李仕存等：廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施 22
這樣，壓縮空氣在進(jìn)入發(fā)動機(jī)之前，會受到中間冷卻器
的冷卻作用，從而使更多的壓縮空氣進(jìn)入氣缸，并進(jìn)一步提
升發(fā)動機(jī)的動力 。也就是說，如果渦輪增壓器在337 kPa
的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，中間冷卻器就會使壓縮空氣的壓力降到比
337 kPa更低，這些空氣密度更高，含有的空氣分子的數(shù)量比
溫度較高的同等壓強(qiáng)的空氣要多。
4、廢氣渦輪增壓器設(shè)計制造的發(fā)展趨勢
4．1采用現(xiàn)代化的設(shè)計方法和制造技術(shù)
在國外，運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行壓縮機(jī)和渦輪的空氣動力學(xué)計
算、流場分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的渦輪增壓器的設(shè)計方法已經(jīng)開
展了很多年。早在2O世紀(jì)60年代中后期，一些發(fā)達(dá)國家就
已開始運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行徑流渦輪的空氣動力學(xué)與三元流場的
分析，隨后又運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行離心式壓氣機(jī)的空氣動力學(xué)計
算、三元流場分析、葉輪及葉型設(shè)計、強(qiáng)度分析和性能預(yù)測
等。目前， 國外主要增壓器生產(chǎn)企業(yè)都已擁有先進(jìn)的
CAD／CAM，CFD和CAT系統(tǒng)，為了進(jìn)行3．D粘性流動的建
模以及驗證分析，這些生產(chǎn)企業(yè)還利用了有限元法以及先進(jìn)
的激光測試技術(shù)。
近年來，增壓器加工制造技術(shù)的發(fā)展也很快。早在20
世紀(jì)70年代末，國外在鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪時，已采用
“硅橡膠”技術(shù)：世界各大增壓器生產(chǎn)企業(yè)于2O世紀(jì)8O年
代初期，先后推出了帶有后彎壓氣機(jī)葉輪的新型增壓器；KKK
公司采用五軸數(shù)控銑床對鍛鋁后的彎葉輪進(jìn)行銑削加工，該
葉輪不但強(qiáng)度比鑄鋁好，而且在輪盤通道上保留有銑削刀痕，
可以減少二次流，有利于其性能的改善 。
4．2新材料的應(yīng)用
將密度小、高溫強(qiáng)度及抗氧化性好的鈦鋁合金材料運(yùn)用
于渦輪增壓器，可以減小渦輪的轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而改善響應(yīng)遲
滯特性，避免增壓柴油發(fā)動機(jī)發(fā)生加速瞬間冒黑煙的現(xiàn)象。
與此同時，工程師正在緊鑼密鼓地研制其它一些新型的輕質(zhì)
合金材料。
另外，在增壓器渦輪的材料方面也可以開發(fā)使用陶瓷材
質(zhì)。由于陶瓷渦輪的質(zhì)量較鋼制渦輪要輕，同時能夠?qū)u輪
箱的壁厚設(shè)計得比較薄，因而在滿足包容性不變的前提條件
下，可以減輕增壓器的質(zhì)量。陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接是陶瓷
渦輪技術(shù)需要解決的主要問題。
4．3可變截面渦輪增壓器
通過采用渦輪增壓器設(shè)置廢氣泄放閥的方式，可以改善
車用高速柴油機(jī)的低工況性能，但對應(yīng)的高工況經(jīng)濟(jì)性不很
理想。為了提高渦輪增壓器的經(jīng)濟(jì)性能，近十幾年來，科研
工作者對可變噴嘴環(huán)截面渦輪增壓器進(jìn)行了大量研究，并取
得了很大的進(jìn)步。
可變截面渦輪增壓器可以根據(jù)增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變
化來調(diào)整噴嘴環(huán)葉片的角度，使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)
生變化，進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化，達(dá)到渦
輪增壓器與柴油發(fā)動機(jī)在各種工況下實現(xiàn)優(yōu)良匹配的目的。
可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片可在低轉(zhuǎn)速、低排氣量的工況下實
現(xiàn)關(guān)閉，從而增大發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣壓力。與傳統(tǒng)的渦輪增壓器
相比，這極大地改善了低轉(zhuǎn)速時的相應(yīng)時間和加速性能，降
低了渦輪延遲。
5、結(jié)論
由于廢氣渦輪增壓器在工作過程中存在響應(yīng)延遲以及壓
縮空氣溫度過高的現(xiàn)象，在設(shè)計時只有考慮到這些影響因素，
并通過相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)，才能達(dá)到提高發(fā)動機(jī)功率并改
善經(jīng)濟(jì)性能的目的。
參考文獻(xiàn)
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江科技信息，2008(9)：14．

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