涡轮增压发动机的构造原理及使用分析解析Word文档下载推荐.docx

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涡轮增压发动机的构造、原理及改进

摘要

涡轮增压简称Turbo，我们经常可以在汽车尾部看到Turbo或者T的标志，这些标志表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。

本文介绍了涡轮增压器的构造和原理，对它的保养及使用进行了阐述，同时，通过分析常见故障，对改进措施以及发展方向有了一定的看法。

关键词：

涡轮增压废气常见故障改进措施

【引言】

涡轮增压器，一个近十年出现的词语。

人们只知道汽车排量后面带T的车辆就是带有涡轮增压器的发动机，汽车的加速就会快，性能也好。

涡轮增压器会产生更大的扭矩以满足驾驶乐趣。

为了满足发动机不同转速下的需求，1989年出现了可变增压的涡轮增压器（VNT）。

在发动机低速时，涡轮增压器减小喉口，提高增压；

在发动机全速运转时，涡轮增压器喉口增大，保证增压不会超出需求。

喉口可用真空管控制。

优点是提高了发动机低速时的加速性能。

目前，涡轮增压器已经占到了50%，在亚洲、美国也都在增长。

现代涡轮增压器也改变了人们对柴油机的看法，涡轮增压器已经成为提高动力性能的主流方向。

一．涡轮增压器的作用和构造以及工作原理

（一）作用

涡轮增压器按增压方式分为废气涡轮增压器、复合式废气涡轮增压器和组合式涡轮增压器。

他们的作用分别如下：

1.废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，在

压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。

废气涡轮与压气机通常装成一体，便称为废气涡轮增压器。

其结构简单，工作可靠，一般柴油机合理地加装废气涡轮增压系统后，可提高功率20%～30%，降低比油耗5%左右，有利于改善整机动力性能、经济性能及排放品质，因而得到广泛应用。

2.复合式废气涡轮增压器。

废气涡轮增压器是将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作，称为复合式废气涡轮增压器。

在某些增压度较高的柴油机上，废气能量除驱动废气涡轮增压器外，尚有多余的能量用于驱动低压废气动力涡轮，该动力涡轮通过齿轮变速器及液力耦合器与发动机输出轴联接。

这样，废气涡轮增压器达到增压的目的，而废气动力涡轮将废气能量直接变为功率送给曲轴。

3.组合式涡轮增压器。

组合式涡轮增压器由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。

在该增压系统中，除废气涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的进气惯性增压系统，利用压力峰值可进一步提高增压后的进气压力。

（二）构造

废气涡轮增压器一般由单级离心式压气机和单级轴式涡轮机或径流式涡轮机组成为机组，并分别称为轴流式废气涡轮增压器和径流式废气涡轮增压器。

压气机和涡轮机二者的工作轮装在同一根轴上，称为转子，转子由发动机排出的废气驱动。

这种涡轮增压器工作的条件，除压气机和涡轮机的转速相同外，在任何工况下其效率也是相同的。

涡轮增压器按转子的支承情况有各种不同结构方案，最常见的有几种：

1.外双支承式

即转子两端有支撑，这种方案亦称无悬臂式支承，在轴流式大型涡轮增压器上应用最广。

2.双内支承式

即二个轴承都放在叶轮里面，所以又叫悬臂支承，这样可保证涡轮增压器的尺寸小、重量轻。

这种结构形式在小型径流式涡轮增压器上应用最广。

3.单悬臂式支承

即压气机的工作轮呈悬臂布置，转子支点在涡轮机工作轮的两侧。

这种方案可使压气机进口损失最小和涡轮结构紧凑，因此应用也较广。

4.悬臂支撑

压气机和径流式涡轮机的工作轮紧挨着，像是两面部有叶轮的工作舱，所以又称单转子。

　　上述几种方案中的支点可采用滑动轴承，也可采用滚动轴承。

滚动轴承的摩擦损失不大，长度也小，但寿命不如滑动轴承。

因此，国内外的增压器广泛采用滑动轴承。

（三）工作原理

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。

它是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，叶轮压送由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，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。

二．汽车涡轮增压器的分类及优缺点

（一）汽车涡轮增压器的分类

1.机械增压系统 

这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。

其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。

但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。

2.气波增压系统气波增压系统

利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。

这种系统增压性能好、加速性好、但是整个装置比较笨重，不太适合安装在体积较小的轿车里面。

3.废气涡轮增压系统

这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。

当发动机转速增快，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，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。

一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。

4.复合增压系统复合增压系统

即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；

而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。

发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。

这种装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车型还比较少，大众的1.4 

TSI发动机（这款发动机兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。

（二）汽车涡轮增压器的优缺点

1.涡轮增压的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮增压发动机由涡轮增压器向发动机提供压缩空气。

由于进入气缸的空气增多所以允许喷入较多的燃油使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。

这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率或者说一台小排量发动机经增压后可产生与较大发动机相同的功率。

其它还有节约燃油和降低排放等优点。

由于涡轮增压器为发动机提供了更多的空气燃油在发动机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。

发动机进气管的空气保持正压力（大于大气压的压力）对发动机有几方面的好处。

当发动机进排气门重叠开启时新鲜空气吹入燃烧室清除所有残留在燃烧室里的废气同时冷却气缸头、活塞和气门。

2.诚然，涡轮增压的确能够提升发动机的动力，不过它的缺点也有不少，其中最明显的就是动力输出反应滞后。

即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即大脚踩油门加大马力，到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差，而且这个时间还不短。

一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。

如果需要突然加速的话，瞬间会有提不上速度的感觉。

　　随着技术的进步，虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行改进，但是由于设计原理问题，因此安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的。

譬如说一辆1.8T的涡轮增压汽车，在实际的行驶之中，加速肯定不如2.4L的，只要过了那段等待期，1.8T的动力同样会窜上来，因此单单追求驾驶感觉的话，涡轮增压引擎并不合适，如果是跑高速之类的，涡轮增压才显得特别有用。

　　如果车辆经常在城市内行驶，那么有必要考虑需要什么样的涡轮增压，因为涡轮并不是随时都在启动。

对于那些启动转速高的涡轮增压发动机，例如斯巴鲁（富士）翼豹的涡轮增压，它的启动是在3500转左右，5档能上到3500转速度会破120，除非故意停留在低档位，否则不超过120公里的时速翼豹的涡轮增压根本无法启动。

这时那些低转速启动的涡轮增压发动机更为合适，例如大众的1.4Tsi/1.8Tsi发动机，在1750甚至1500转的时候涡轮增就能介入，即使在2000~3000换档，也能保证换档前后转速保持在燃油应用效率更高的涡轮增压区域。

　　此外涡轮增压还有维护保养方面的问题，例如宝来的1.8T，6万公里左右就要更换涡轮了，虽然次数不多，毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费，这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。

三．涡轮增压器的发展趋势

早在100年前就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，1926年瑞士人AlfredJ.Buchi博士设计出了第一台带废气涡轮增压器的增压发动机，但由于当时制造工艺和材料的限制，发动机不能获得足够的压缩空气压力，经过30多年的发展，涡轮增压器的性能有了很大的改善，开始大量被应用到车用发动机上。

近些年来，由于计算机辅助设计的广泛应用和加工水平的飞速发展，尤其是前倾后弯叶片的应用使压气机效率提高了7%～10%，发动机的经济型和动力性都得到大幅提高。

目前，中，重型车辆已经普遍选用增压柴油机作为动力，涡轮增压技术已成为提高发动机动力性、经济型和降低废气、噪声排放的最有效措施之一，特别是为了应对新的发动机排放法规，增压技术的应用范围进一步扩大，增压技术进入了黄金发展时期。

（一）柴油机涡轮增压技术现状

由于传统增压器流量范围窄，难以兼顾与发动机高低工况点的合理匹配，增压器与发动机的良好匹配时保障燃油经济性以及柴油机具有良好排放性能的关键，因此近几年来采用各种不同设计概念的新型涡轮增压系统已经成功得到应用。

1.相继增压系统

相继增压系统的基本工作原理是采用多个小型涡轮增压器，随着柴油机工况的提高，按次序地投入运行，改变了常规串联增压系统在低工况时由于排气能量减少而是用涡轮转速下降，增压压力不足，从而出现燃烧恶化、功率下降的现象。

在标定工况，柴油机的每台增压器都在高效率工作，燃油消耗率低；

在部分工况，减少投入使用的涡轮增压器数量，使得投入使用的在一起仍然在高效率区附近工作，最大限度地增加了气缸的进气量，从而改善了柴油机的动力性与经济性。

MTU公司首先将相继增压技术应用于该公司的956/1163双系列船用柴油机上。

目前，相继增压技术也应用到卡车的发动机（沃尔沃）、跑车的发动机（保时捷）和轿车发动机（奥迪）等车上。

2.可变截面涡轮增压系统

可变截面涡轮增压系统的基本工作原理是从低速到高速通过分段或连续改变涡轮截面，来提高发动机低工况时的过量空气系数。

燃气通过涡轮喷嘴叶片时，根据柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，使进入涡轮叶片的气流参数发生变化，从而达到涡轮增压器与柴油机在各工况下有良好的匹配。

可变截面涡轮增压系统还可以提高柴油机的瞬态特性和降低瞬态排放。

该系统的缺点是涡轮增压器的成本较高，而且结构较为复杂，需要专门的控制机构。

盖瑞特公司、KKK公司均研制了可变截面涡轮增压器，而且为了达到严格的排放法规，在增压柴油机全工况范围内进行调节，欧美采用可变截面涡轮增压器已成主流。

3.低工况进排气旁通系统

低工况进排气旁通系统的原理是当柴油机低速运行时，增压空气绕过气缸直接进入涡轮前的排气管，从而增大气体流量，提高发动机的增压压力，以避免发动机低工况的喘振，改善发动机低速工况性能。

如果利用废气余热对旁通的空气加热，效果会更好。

MTU公司396柴油机就采用了进排气旁通系统来改善低速工况性能，但该系统控制调节部分较为复杂，因此主要应用于大功率高增压柴油机。

4.废气旁通增压系统

废气旁通增压系统以柴油机低负荷区域为设计匹配点，对无法兼顾的高负荷区，通过打开涡轮上与大气连通的一个可调节阀，释放多余废弃能量。

这种增压器的好处是通过设计较小的涡轮壳截面，迅速建立起低速压力，改善低速时的动力性、经济型排放指标及瞬态响应性，将柴油机在高速区所需要的进气压力由旁通阀调节到最佳状态，解决了因较小的涡轮壳截面导致的告诉高负荷区过高的增压压力而造成柴油机最高爆发压力大幅升高、可靠性降低、性能指标恶化等问题。

带废气旁通阀的增压器目前在车用柴油机上应用较为普遍，不足之处是由于释放了一部分废气，造成了能量损失，因此柴油机高工况的燃油消耗有一定增加。

此外，还有超高增压系统、电动放气涡轮增压系统以及谐振符合增压系统等多种型式的增压系统。

他们正在逐步得到发展和应用，使增压发动机的性能不断有新的提高。

四．涡轮增压器的改进措施

（一）现代化设计方法和制造技术方面

在涡轮增压器的设计方法上，利用计算机进行压气机和涡轮的空气动力学计算、流场分析和结构设计，在国外已展开多年。

一些发达国家在20世纪60年代中后期就已开始利用计算机进行径涡轮的空气动力学与三元流场分析，随后又利用计算机进行离心式压气机的空气动力学计算、三元流场分析、叶轮及叶型设计和强度分析等。

目前，国外主要增压器生产厂家都已拥有先进的CAD/CAM和CAT系统，并采用有限元法和先进的激光测试技术来进行3-D粘性流动的建模和验证分析。

增压器的加工制造技术近年来也发展很快，国外于20世纪70年代末成功地将“硅橡胶”技术用于铸造小型后弯压气机叶轮；

到20世纪80年代初期，世界各大增压器公司相继推出了带后弯压气机叶轮的新型增压器。

KKK公司采用五轴数控铣床，铣削加工锻铝后弯叶轮，强度比铸铝好，且在轮盘通道上保留铣削刀痕，可以减少二次流，有利于改善性能。

（二）新材料的应用方面

钛铝合金材料具有密度小、高温强度及抗氧化性好等优点，应用于涡轮增压器可以降低涡轮的转动惯量，改善响应特性，消除增压柴油机在加速瞬间冒黑烟现象。

目前其他一些新的轻质合金材料也在研制中。

另外，在增压器上也开发使用了陶瓷涡轮，由于陶瓷涡轮的质量较轻，涡轮箱的壁厚能被设计得很薄，在保持包容性不变的前提下可以使增压器的质量减轻。

目前，采用陶瓷涡轮的技术难点主要是陶瓷涡轮与转轴的连接。

【结束语】

目前国内对于涡轮增压器在车辆行驶中可能出现的故障及诊断方法很少。

本文根据对涡轮增压器的构造、工作原理、作用及优缺点进行研究和分析，在维护与使用方面对本文进行了调查、修改、整合等方式。

很好的提出了关于常见故障的修理以及改进措施方面的问题及看法。

本文是根据一般的涡轮增压器进行研究，其研究结论对不同的涡轮增压器同样具有通用性。

参考文献

1天津大学出版社，燃气轮机与涡轮增压内燃机原理与应用，2005

2机械出版社，汽车新能源详解，2007

3人民交通出版社，汽车发动机维护及检修，2005

4山东交通大学出版社，涡轮增压器的构造及维护，2003

致谢

本文在选题，研究和论文撰写的过程中，得到了栾德玉老师的悉心指导，对论文提出了很多有价值的建议和意见，此外，还有很多老师也对论文提出了宝贵的意见，使得论文能够顺利的完成。

在此一并表示感谢！

并向帮助我的同学表示诚挚的谢意！