发动机涡轮增压系统概述

岳亮亮1，郭风云2

1. 泛亚汽车技术中心有限公司，上海，201201
2. 2.上汽通用汽车有限公司武汉分公司，湖北省武汉市，430000

摘要：为了提高发动机的动力性和经济性，废气涡轮增压技术被越来越多的应用到发动机上。本文主要介绍了汽油机废气涡轮增压系统的结构和工作原理，总结了目前发动机上使用较多的4种不同的增压技术，并分析了涡轮增压器的常见问题及改善措施。

关键词：涡轮增压，涡轮迟滞，喘振，增压器寿命

1. 引言

随着时代的发展和日益严格的法规，对发动机的动力性、经济性及排放性能都提出了更高的要求。涡轮增压器作为有效提高内燃机动力性、经济性及减少排放污染的技术手段而被广泛运用于内燃机上。与自然吸气的内燃机相比，涡轮增压技术使得汽油机效率大致提升20%、柴油机效率大致提升40%[1]。然而涡轮增压发动机存在低速工况扭矩弱、加速工况瞬态响应差等问题[2]。

2. 涡轮增压系统介绍

2.1 涡轮增压系统的结构与原理

汽油机的废气涡轮增压系统主要由涡轮增压器和中冷器组成。其中涡轮增压器的结构包括涡轮、压气机、中间体、密封环、轴承/壳体等零部件[3]。其工作原理是利用发动机气缸内燃烧产生的废气推动涡轮旋转，然后涡轮带动压气机叶轮旋转，把空气压入气缸，最高转速可达每分钟二十多万转。当空气被高比例压缩后会产生很高的热量，为了得到更高的容积效率，需要在废气注入气缸之前使高温空气进入中冷器中进行冷却。

2.2 涡轮增压系统的特点

由于国家法规要求日益严格以及客户对高动力性的需求，涡轮增压系统已普遍应用于汽油机上，涡轮增压系统的特点包括[4]：（1）在发动机重量及体积增加不多的情况下，提升发动机的功率扭矩；（2）增压系统工作时利用了发动机燃烧产生的废气，回收了一部分废气能量，发动机经济性有所提高；（3）涡轮增压器具有高原动力补偿的作用；（4）涡轮增压后，由于部分废气并未直接进入排气管，所以排气噪声相对减小。

2.3涡轮增压技术介绍

目前主要的涡轮增压技术有混流式涡轮增压技术、可变涡轮增压技术、两级涡轮增压技术、电辅助涡轮增压技术等[5]。

（1）混流式涡轮增压

混流式涡轮也称斜流式涡轮，是一种介于径流式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式。如图1所示，由于叶片进口倾斜，使得气流能很好地适应叶型的变化而平缓地过渡至轴向，并且可以有效地防止叶轮出口外径增大带来的轮缘处气流脱离现象，使叶轮的内部流场大为改善，与同样轮径的径流式涡轮相比，流通能力增加约40%，可以满足涡轮增压器向高速、大容量变化的要求。

    (a)径流式涡轮       (b)混流式涡轮

图1 混流式涡轮增压结构图        图2 可变截面增压器结构图

（2）可变截面涡轮增压

可变截面涡轮一般采用大涡轮，涡轮叶片本身并没有变化，而是增加了控制空气进入的导流叶片，其结构如图2所示，涡轮外围红色叶片即导流叶片，它的位置固定但是角度可以改变，在发动机低转速时，可以通过减小导流叶片的角度，使导入涡轮的气体流速加快，形成更大的推力来推动涡轮转动，相比于普通涡轮，可变截面涡轮可以在初始加速时能获得更快的动力响应。

（3）两级涡轮增压技术

两级涡轮增压技术，是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器，实现增压器与发动机在更大工况范围的良好匹配。如图3所示该涡轮增压系统由一大一小两个涡轮增压器组成。在发动机低速时，只有一个质量小的涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，改善发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。当发动机转速较高时，质量大的涡轮增压器开始介入工作，提高进气量，保证发动机的动力输出。

图3 两级涡轮增压结构图      图4电辅助涡轮增压器结构图

（4）电辅助涡轮增压

电辅助涡轮增压系统是在传统的增压系统上增加了电动机/发电机、电路控制单元、电池、高功率逆变电源和一些传感器，结构如图4所示。在发动机转速较低时，电机驱动压气机工作，电池中储存的电能转化为压气机的动能，增加进气压力，改善发动机低速转矩问题。当发动机转速上升到一定程度，压气机能够提供足够的空气时，电机就可以关闭或脱开。当发动机在高速大负荷工况时，电控单元控制起动发电机，回收一部分涡轮能量并储存在蓄电池。电辅助技术改善了发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。

3. 涡轮增压系统常见问题及改善措施

3.1 低速加速性能不良及改善措施

涡轮的旋转要靠发动机排出的废气驱动，发动机转速较低时，尾气的流速较慢，涡轮的转速也较慢，起不到增压作用，相反还会阻碍发动机废气的排出，导致排气不畅，影响汽车的加速性能。为了改善低速时的加速性能，目前采用的方法有[5]：（1）采取可变进气管路截面或可变涡轮角度的增压器；（2）配合机械增压使用达到双增压，在发动机低转速时，机械增压器工作，解决涡轮工作前的功率下降问题；当发动机转速达到一定程度，涡轮完全启动后，机械增压器自动断开，由涡轮增压器提供进气，如此可以改善低速时废气推动涡轮慢的问题；（3）减小涡轮尺寸使得涡轮更容易被推动；（4）采用电辅助涡轮增压系统。

3.2 涡轮迟滞原因及改善措施

增压器涡轮的迟滞现象发生在发动机需要快速增加或减少功率的情况下。在快速增加功率时，发动机会快速增加进入燃烧室的燃油量，使涡轮入口的能量快速增加，提升增压器转速，但是由于增压器自身因素限制，压气机无法快速增加内燃机所需的进气量，此时增压器提供压缩空气的速度制约了内燃机供油量的增加，这就是涡轮迟滞。涡轮迟滞有许多影响因素，其中包括涡轮的大小、发动机的排量、涡轮轴的转动惯量、涡轮的功率、进气损失、排气背压等[6]。

为了改善涡轮迟滞问题，第一个方面可以增加辅助机构，目前已有一些增压技术采取了这个方法。电辅助涡轮增压系统是在传统技术上增加了电动机来驱动涡轮,有研究表明，汽车从60Km/h加速到100Km/h时，采用传统涡轮增压的发动机需要14.5s，而采用最大功率为6KW的电辅助涡轮增压的只需要8.8s，实验车为2.0 L直喷式汽油机[7]；可变截面涡轮增压系统则是增加了一个可以改变偏转角度的导流叶片，灵活调节涡轮流量，减轻涡轮迟滞[8]。这两种方法的成本比较高。第二个方面则是减轻涡轮重量，采用小惯量涡轮。

3.3 涡轮增压器喘振机理及改善措施

涡轮增压器的喘振在国内外已被多次研究，它的产生机理如下：涡轮增压器工作时是涡轮带动压气机旋转，当压气机处于高速旋转状态，此时急减速就会导致压气机转速很高而进气量非常少，气压增高，气体进入叶轮的方向偏离设计工况，叶片背面的气流出现分离并不断扩大，产生强烈的脉冲并伴随着少部分气体的倒流，使得压气机内的气体压力和流量不断变化，此时压气机就会产生振动及噪声。

为了改善这种瞬态工况下的涡轮喘振，目前采用的方法有：（1）提高充气效率。在增压比不变的情况下，充气效率越高进入的新鲜空气量就越多，增压器喘振就越不容易发生。有实验表明，在1600r/min工况下，充气效率提高0.05-0.08，涡轮增压器的喘振裕度可以提高3%-5%[9]；（2）喘振的发生是由于增压系统里面的气压太高，气体流量太少，因此可以在中冷器与节气门之间安装一个放气阀来释放系统内压力，能有效避免气体倒流对压气机造成的冲击。

3.4 涡轮增压器寿命问题及改善措施

与自然吸气发动机相比，涡轮增压发动机的工作温度和承受的载荷都相对较高，所以在其他配置相同的情况下涡轮增压发动机的寿命相对会变短。影响增压器寿命的因素有温度、润滑、密封等，高温会导致轴承烧蚀，润滑不良导致轴承异常磨损，密封不好会导致泄露等问题。

为了延长增压器寿命，可以从零件设计和使用维护两方面进行改进。首先设计方面，涡轮和轴承的材料应该选择耐高温和耐磨的材料，密封环的材料需要选择耐高温且抗腐蚀性强的，密封过盈量的设计要合理。另一方面是使用和维护，为了减少高温对涡轮的损坏，发动机启动后与熄火前，要怠速运转一定时间，保证轴承的冷却和润滑。有研究表明，发动机启动后和熄火前的怠速运行时间都控制在4分钟时，增压器的寿命较长[10]。

4. 结论

涡轮增压器在一定程度上可以改善发动机的动力和经济性能，目前在汽油机上得到了普遍应用，它的结构形式有混流式涡轮增压、可变截面涡轮增压、两级增压、电辅助涡轮增压等。但是涡轮增压技术存在低速加速性能不良、涡轮迟滞、喘振等问题，为了改善这些问题，新的技术也越来越多的被开发与应用。

5 参考文献

[1] 中国产业信息.2018年中国涡轮增压器行业发展现状及发展前景分析[EB/OL].(2018-05-15).http://www.chyxx.com/industry/201805/641067.html．

[2] 姚春德,韩伟强,徐广兰,等.电动增压器对废气涡轮增压器影响的试验研究[J].机械工程学报, 2012,48(008)：188-193.

[3] 周龙保.内燃机学（第3版）[M].机械工业出版社， 2010.

[4] 富刚.废气涡轮增压器的优缺点分析[J].湖南农机:学术版, 2013, 40(4)：2.

[5] 张众杰，何西常，王威等.车用涡轮增压技术现状与发展趋势[J].内燃机与配件，2012：37-40.

[6] 马朝臣，王恒军. 车用涡轮增压器瞬态响应性测试方法[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2020, 41(9)：6.

[7] 伍赛特.混合动力总成系统关键技术-电辅助涡轮增压[EB/OL].(2020-02-19). https://www.auto-testing.net/news/show-105843.html.

[8] 陆家祥，刘云岗，秦立军等.双舌形变截面涡轮（VTG）的研究[J].内燃机学报，1994，12(2)：50-54.

[9] 张少华, 周武明, 苏正杲,等.车用发动机涡轮增压器喘振裕度及其改善方案的研究[J]. 内燃机, 2013(3)：4.

[10] 刘政伍.汽车涡轮增压器使用寿命的分析[J].中小企业管理与科技, 2020(32)：2.

作者简介：岳亮亮，（1984.12-）男，山西吕梁人，硕士研究生，泛亚汽车技术中心有限公司产品工程部驱动系统经理；研究方向：驱动系统结构原理