什么是废气涡轮增压?

[拼音]：feiqi wolun zengya

[外文]：exhaust turbocharging

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。

1905年，瑞士工程师A.比希首先提出利用内燃机排气能量驱动涡轮增压器进行增压的设想，并于1911～1914年间完成了第一次试验，1923年开始用于柴油机。1950年以来，废气涡轮增压技术获得了广泛的应用。普通柴油机采用废气涡轮增压可提高功率30～50％。而专门设计的高增压柴油机，在增压压力为0.3兆帕时平均有效压力可达 2兆帕。若采用两台串联的涡轮增压器和两台空气冷却器的两级增压方案，可使增压压力达到0.4～0.5兆帕，在采用低压缩比(7～8)以限制机械负荷的条件下已能使平均有效压力提高到2.5～3.1兆帕以上。功率大于70千瓦的柴油机已大多具有增压变型产品，功率大于350千瓦的柴油机几乎都已是增压柴油机。

由废气涡轮增压器和内燃机进、排气系统组成（见图）。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。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。

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。

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。

根据所用涡轮不同，废气涡轮增压器分为径流式和轴流式两种。径流式涡轮增压器采用径流式涡轮和离心式压气机，流量较小，适用于中小功率内燃机；轴流式涡轮增压器采用轴流式涡轮和离心式压气机，流量较大，适用于大型柴油机。（见彩图）

由固定的喷嘴环、旋转的叶轮和涡轮壳组成。喷嘴环与叶轮组合称为涡轮机的级。在一些小型涡轮增压器中，为了缩小体积、减轻重量、简化结构，往往取消喷嘴环，涡轮壳兼具喷嘴环的作用，这称为无叶涡轮壳。

又称离心压缩机，由进气道、工作轮、扩压器和出气蜗壳组成。在小型涡轮增压器中，进气道和出气蜗壳布置在同一壳体上，称为压气机壳。扩压器又分为有叶扩压器和无叶扩压器。

涡轮机的叶轮和压气机的工作轮共用一根转动轴，三者组成转子。转子由径向轴承和轴向止推轴承支承。由于转子的转速很高，必须严格检查其动平衡和适当选择轴承类型才能保证涡轮增压器可靠工作。

表为废气涡轮增压器的主要性能参数及其范围。

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。

参考书目

无锡动力机厂编：《涡轮增压器》，机械工业出版社，北京，1973。

参考文章

废气涡轮增压技术的节油原理是什么?汽车技术

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