浅析涡轮增压发动机的性能及改进措施

[摘 要] 随着人民物质生活水平的提高以及我国近两年的经济快速增长，汽车已不再是奢侈品而逐渐走入寻常百姓家。但普通的汽车发动机普遍存在燃油经济性偏低、效率低下而直接导致汽车尾气污染严重。根据我国的能源现状及环境压力，普通汽车发动机是既不经济又不环保，涡轮增压技术的出现很大程度上解决了这一难题，不仅提高了燃油效率还改善了汽车动力，但随之而出现的发动机“滞后响应”也影响了驾乘感受。本文重点介绍涡轮增压发动机的性能及针对“滞后响应”的改进措施。

[关键词] 发动机；涡轮增压；滞后响应

【中图分类号】 TB53 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-4244（2014）07-371-1

引言

增压技术是采用特定的压气机在气体进入气缸之前进行预压缩，提高进入气缸的气体密度以达到减小气体体积的目的。所以在单位体积里，气体的质量大大增加足以满足燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。汽车发动机增压技术的出现，提高了燃油效率，降低了汽车尾气排放缓解了环境压力。

一、涡轮增压技术

（一）涡轮增压原理

涡轮增压实际上是另一种空气压缩机，通过压缩空气来增加空气进气量。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。当发动机转速增加，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大后就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。

（二）涡轮增压类型

涡轮增压从工作方式上可以分为以下几种系统：

（1）废气涡轮增压系统。发动机与增压器没有丝毫机械关系，其压气机主要是内燃机废气驱动涡轮来维持动力。通常情况下，增压压力能达到180～200Kpa，通过增设空气冷却装置给高温压缩空气冷却。从而使发动机排出的废气达到增压目的。

（2）机械增压系统。将发动机曲轴和皮带相连的机械增压系统安装在发动机上，发动机工作时，增压器的转子靠输出轴的动力来支持旋转，空气增压直至吹到进气道中。

（3）复合增压系统。在发动机上采用废气涡轮增压器的同时采用机械驱动式增压器。还可以采用其他增压方式，如气波增压、惯性增压等。

二、涡轮增压发动机性能

（一）技术可靠性

涡轮增压器安装在发动机的进排气管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度最高的是支承涡轮轴运转的“浮式轴承”，它工作转速可达10万转/分以上，加上环境温度可达六、七百度以上，决非一般轴承所能承受，由于轴承与机体内壁间有油液做冷却，又称“全浮式轴承”。

（二）排放控制

在排放控制上，涡轮增压发动机明显提高了燃油经济性，降低尾气排放。所以在排放控制方面，涡轮增压相比自然吸气更容易做到降低排放，尤其是单位二氧化碳的排放量。这正是目前许多车厂纷纷加大力度研发涡轮增压发动机的一大原因。

（三）加速性能

涡轮发动机有着更大的进气量就相当于人有更大的肺活量，肺活量大的人运动起来肯定更有劲。涡轮增压发动机动力普遍能够达到相当于其排量1.3～1.5倍左右的自然吸气发动机的水平。实际表现是，涡轮发动机在达到3000转后的“后劲”比自然吸气发动机更强。

（四）寿命耐久性

由于涡轮工作时会给发动机带来更高的燃烧温度，所以理论上它的寿命不如自然吸气发动机更长久。如果涡轮增压器在正常工作状态下能够获得充分冷却，那就不会有问题。此外，涡轮增压发动机长时间及高速工作状态下，油温、水温和进气温度会急速攀升，因此长途行车时涡轮发动机的温度会很高，停车前必须让涡轮继续工作2—3分钟，如果此时强行断掉行车用电，失去润滑的中轴就很容易被烧毁。

三、涡轮增压的迟滞现象及改进措施

（一）涡轮增压的迟滞现象

由于转子的惯性作用，叶轮对油门突然变化反应迟缓，从踩油门希望立即提速，到叶轮高速转动将更多空气压进发动机之间，存在一个时间差。即使经过改良后最少也要1.7秒来增加或者减少进气的压力，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。

（二）迟滞现象的改进措施

双涡轮增压是针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较小的排气量即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，从而减小涡轮迟滞效应。在双涡轮增压的汽车上会看到2组涡轮通过串联或者并联的方式连接。

并联是指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的，如保时捷911turbo，Supra的2JZ-GTE，Skyline GT-R的RB26DETT，和BMW新的3.0双涡轮增压都是并联涡轮的典型代表，其优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。

串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，小涡轮高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高，RX-7的13B-REW引擎就是串联涡轮的典型例子。

四、结语

在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了自然吸气式发动机的一些先天不足。增大动力的同时控制了燃油消耗，减少了废气排放。发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上，因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，从而实现轿车的高性能化。所以说增压发动机是未来多种内燃机发展的必然方向。

参考文献：

[1]吕济晓.汽车发动机涡轮增压技术[J].汽车与配件，2012，（3）.

[2]无锡动力机厂.涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1974.

[3]林建生，谭旭光.燃气轮机与涡轮增压内燃机原理与应用[M].天津：天津大学出版社，2005.

作者简介：朱鹏（1993-），男，汉族，四川成都人，西南交通大学机械工程学院，研究方向：机电一体化。