废气涡轮增压

废气涡轮增压是利用内燃机排气能量驱动废气涡轮增压器实现内燃机增压的方法。废气涡轮增压器（简称涡轮增压器）由涡轮机（见透平）和压气机（见压缩机）两主要部件，以及轴和轴承、润滑系统、冷却系统、密封件、隔热装置等组成。内燃机气缸排出的高温高速的燃气，经排气管供入涡轮增压器的涡轮机，推动涡轮旋转，涡轮再带动与它同轴的压气机叶轮旋转。压气机将吸入的空气压缩，提高了压力的空气流经内燃机进气管，供入气缸，从而达到增压的目的。

发展历史

发动机能发出的最大功率受汽缸内能燃烧的燃料的限制，而燃料量又受每循环汽缸内能，吸入空气量的限制。如果空气在进入汽缸前受到压缩使其密度增大，则同样汽缸工作容积就可以容纳更多的新鲜充量，从而可以供给更多的燃料，得到更大的输出功率。

按照提高进气密度增加功率的设想，早在1905年，瑞士的艾尔弗莱德·布奇（Alfred Biichi）就提出了涡轮增压方案，并进行了早期的柴油机定压增压及脉冲增压系统实验，1925年取得成功并获得专利。此后瑞士的布朗·保弗利（Brown Boveri）公司在船用发动机上采用了废气涡轮增压，继之航空活塞式发动机也采用了增压技术。

而车用发动机采用涡轮增压技术较迟，主要原因是车用发动机对涡轮增压器的要求较高，不仅要求效率高，流量范围宽，能满足车辆发动机变工况的要求。而且还要求结构简单，体积小，质量轻，造价低廉。直到20世纪50年代后期，增压技术才广泛应用到车用柴油机上，并逐步推广到汽油机中。绝大部分的大功率柴油机、半数以上的车用柴油机以及相当比例的高性能汽油机，均已采用增压技术。一般而言，增压后发动机功率可比原机提高40%—60%，甚至更多，发动机的平均有效压力可达到3MPa。增压技术特别是增压中冷技术，被视为提高车用发动机动力性、经济性及降低排放的有效措施。

工作原理

内燃机由于受结构尺寸的限制，燃烧气体在气缸内不能充分膨胀至大气压力。因此，排气开始时气缸内的燃气压力远比大气压力高，这样，排气就具有一定能量。废气涡轮增压系统将排气能量有效地传给涡轮机，使涡轮机获得较高的效率，同时有利于内燃机气缸的扫气。

分类

根据排气管中压力状况和排气能量的利用方式，废气涡轮增压系统一般分为定压增压系统和脉冲增压系统两类。

定压增压系统

内燃机所有气缸的排气都通入一根粗大的排气总管，然后再流入涡轮机。排气总管实际上起稳压作用，以使总管内的气体压力基本恒定。这样，涡轮在稳定气流下工作，故涡轮机效率较高。但采用这种系统时内燃机加速性能和低负荷性能较差，所以定压增压系统只适用于高增压、工况变化少的场合。

脉冲增压系统

这种系统的特点是在排气管中造成尽可能大的压力脉动。为此，排气支管被做得细而且短，涡轮尽可能靠近内燃机气缸。排气互不干扰的几个气缸（通常是二缸或三缸）的排气支管连在一根排气管上，这样，每根排气管中就形成两个或三个连续的排气脉冲波。涡轮机的喷嘴环按排气管数目分组隔开，它们互不干扰。采用脉冲增压系统能充分利用排气能量，改善变工况性能；但涡轮是在脉动气流状态下工作，故涡轮机效率较低。为克服两种系统的缺点，人们已研制出脉冲转换系统和多脉冲系统。它们多用在气缸数不是3倍数的柴油机上。

利用

现代涡轮增压器是批量生产的系列化产品，由生产厂按内燃机的功率区段分档形成若干个基本型。在基本型上适当修改压气机和涡轮机的结构尺寸、壳体结构等即可形成变型产品，用以满足各类内燃机的增压要求。

废气涡轮增压内燃机实质上是往复活塞式内燃机与旋转式叶轮机相结合的一种复合式发动机。两者工作特点不同，必须互相匹配，即压气机流量特性与各种工况下内燃机所需流量率相一致；驱动涡轮机所需要的能量与内燃机排气可提供的能量相平衡。

涡轮增压技术

车用汽油机废气涡轮增压的普及性远不如柴油机，其主要技术障碍在于爆燃、混合气控制、热负荷和增压器的特殊要求等方面。

1．爆燃

由于增压后，进气温度和压力升高，及燃烧室受热零件热负荷增高等原因，将促使爆燃发生。为此，必须降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等措施。汽油机的增压比一般比柴油机低得多，一般不超过2。

2．混合气调节

汽油机采用定质变量调节，化油器式发动机进行增压时，气流流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供给一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新问题。电控汽油喷射技术的应用，为增压技术在汽油机中的应用扫除了一大障碍。

3．热负荷

汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，排气温度比柴油机高200～300℃。增压后，汽油机整体温度提高，同时，为避免可燃混合气损失，气门叠开角不大，燃烧室的扫气作用不明显，因此，增压汽油机的活塞、排气门以及废气涡轮的热负荷均比增压柴油机严重。

4．对增压器的特殊要求

汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速范围大。这就要求增压器体积小、耐高温性能好、转动惯量小、效率高。总体而言，汽油机的增压技术在过去的20年中获得了重大突破。随着电子控制技术的大规模应用，以及高性能增压器的不断出现，如陶瓷涡轮转子、可变截面涡轮增压器等，汽油机增压技术将获得较快的发展。

结构特点

为了适应废气涡轮增压的需要，发动机的结构与工作参数要进行适当的改动。

1．压缩比

为了降低爆发压力，增压发动机应适当地降低压缩比。尤其是汽油机，增压更容易产生爆燃，因此，降低压缩比是比较普遍的选择。

2．过重至气系数

为了降低发动机的热负荷和排气温度，改善经济性，一般增压柴油机的过量空气系数比增压之前增大10%—30%。

3．供油系统

由于燃料供给量加大，柴油机需加大每循环供油量。为保证供油持续期基本不变，常用方法是增大柱塞直径并加大喷孔直径，以增加供油速率。又由于压缩终点压力和温度提高，相应地提高喷油压力，减小喷油提前角。汽油机增压后，燃油供给装置及点火系统也要相应调整。

4．进、排气系统

（1）配气相位

因增压发动机热负荷加大，应合理加大气门重叠角，利用增压空气增强汽缸扫气，降低气门、活塞等部件热负荷。由于扫气增强，排气温度降低，涡轮的工作条件得到改善；同时由于废气扫除彻底及进气温度降低，使充量系数提高。但当增压压力较高及采用进气中冷技术时，气门重叠角则与非增压差不多。

（2）进、排气偕