柴油机涡轮增压器技术详解

提到涡轮增压，相信很多人张口就来：“不就是Turbo。”对，涡轮增压是人们买车时常听到的Turbo，也就是一...





提到涡轮增压，相信很多人张口就来：“不就是Turbo。”对，涡轮增压是人们买车时常听到的Turbo，也就是一般乘用车尾缀的那个“T”。涡轮增压(Turbo Boost)是一种利用内燃机运作产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术，主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和转矩，让车子更有劲。

简单地说，一台小排量的发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。如此一来，小排量发动机也能够提供更强的动力性，有利于汽车节能减排。

事实上涡轮增压在汽车中的运用上并不算是什么高精尖的技术。自上世纪70年代以来，车用涡轮增压技术开始伴随着汽车发动机技术的发展而兴起，起初由于技术的原因涡轮增压技术更多地运用在柴油机上，后来随着发动机技术的进一步发展以及缸内直喷技术的实现，涡轮增压器才被引入到汽油机领域。

在商用车上，涡轮增压几乎是柴油机市场的标准配置。今天，这一技术仍在不断地更新换代，特别是国V排放标准的实施，柴油机要想实现排放升级，肯定离不开涡轮增压系统的支持。这次小编就为大家盘点一下目前商用车领域主要应用的几种涡轮增压器。

第一种是最常见的废气涡轮增压器



普通的废气涡轮增压器相信大家一定非常熟悉，即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，使之增压进入汽缸。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汽缸，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。这里不做详细介绍。介绍其他种类的涡轮增器之前，必须要先了解普通涡轮增压的劣势。由于涡轮增压器主要利用废气压力提供驱动动力，因此发动机处于较低转速时，废气流速较慢，排出压力不够，此时涡轮增压器不但不会起到进气增压作用，反而会阻碍发动机废气的排出，导致排气不畅。这就是我们常说“涡轮迟滞”现象。

对于传统的涡轮增压发动机来说，解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮。首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，因此在发动机低转速时，在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，从而有效改善涡轮迟滞的现象。不过，使用小涡轮也有它的缺点：当发动机高转速时，小涡轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加(产生排气回压)，因此发动机最大功率和最大转矩会受到一定的影响。而对于产生回压较小的大涡轮来说，虽然高转速下可以拥有出色增压效果，发动机也会拥有更强的动力表现，但是低速下涡轮更难以被驱动，因此涡轮迟滞也会更明显。

第二种是两级涡轮增压器

两级涡轮增压器就是“涡轮迟滞”问题解决方法之一。一般被人们称为Twin turbo或Biturbo，是涡轮增压的方式之一，简单地说就是又增加了一只低速涡轮。



以博格华纳的两级可调涡轮增压系统 (R2S®)为例，它是由两个不同规格(驱动压力大小不同)的涡轮增压器构成。这两个涡轮增压器串联在一起，通过旁通阀调节机制控制。来自汽缸的废气首先进入排气歧管，在高压阶段，废气首先经过大涡轮处理，气体被进一步压缩并冷却。而在预压缩过程，尺寸相对较小的高压叶轮可实现极高的压缩比，保证足够多的新鲜气体进入发动机气缸。

而发动机转速较低，即废气排量较小时，旁通阀完全关闭，所有废气流入小涡轮，实现快速和高效压缩。发动机转数增大时，旁通阀逐渐打开，压缩工作也逐渐转移到大涡轮上。简单地说，就是在发动机低转速的时候，较少的排气可使驱动压力较小的涡轮高速旋转，以产生足够的进气压力；当发动机转速提升以后，压缩工作主要有驱动压力较大涡轮承担，继续进入高增压值的状态，提供一个连贯的强劲动力。

第三种是可变截面涡轮增压器

除了两级涡轮增压器外，可变截面涡轮增压器也是一个非常好的解决方案。这次我们依然以博格华纳的VGT可变截面涡轮增压器举例。VGT技术的核心部分是可调涡流截面的导流叶片，涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片，导流叶片的相对位置是固定的，但是叶片角度可以调整。在系统工作时，废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上，通过调整叶片角度，控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡轮的转速。

当发动机低转速排气压力较低的时候，导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理，此时导入涡轮处的空气流速就会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易推动涡轮转动，从而有效减轻涡轮迟滞的现象，也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而在随着转速的提升和排气压力的增加，叶片也逐渐增大打开的角度，在全负荷状态下，叶片则保持全开的状态，减小了排气背压，从而达到一般大涡轮的增压效果。此外，由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制，这也就实现对涡轮的过载保护，因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀。



简单地说，VGT可变截面涡轮增压器是通过改变排气入口的横切面积改变涡轮的特性。同时，也有厂商(例如霍尼韦尔)将技术命名为VNT，名字不同，但原理基本一致。

第四种是电动增压系统

不过，两级涡轮增压技术和可变截面涡轮增压器在提高发动机动力性的同时，也可以改善涡轮增压的“迟滞现象”。但是，2种技术并不能完全消除“迟滞现象”，毕竟，涡轮增压器的惯性作用依然存在。



后来便出现了电动增压系统。广义上讲，电动增压系统按照电动增压器是否独立成单一增压系统可分为2种，电辅助增压系统和电动增压系统。

电辅助增压系统是将电机与废气涡轮增压器进行一体化设计，即在涡轮增压器的轴上安装了一台可兼做电动机和发电机的的辅助电机。

工作过程中，当发动机转速较低时，辅助电机用作电动机，由蓄电池供电带动增压器提高增压压力，同时电动机的高响应性使涡轮增压器的叶轮迅速加速，发动机可在短时间内达到需要的转矩，极大地改善增压器的响应特性；高速工况时，如发动机的废气量太大，产生的增压压力超过该工况所需压力，此时辅助电机用作发电机，限制涡轮增压器转速过高，同时发电可存储在蓄电池中。

电动增压系统主要由电机和压气机2部分组成，由蓄电池给电机直接供电或通过变频器将电源电压转换后供电。电动增压系统通常与废气涡轮增压器串联构成复合增压系统，电动增压器则安装于涡轮增压器的前面，其压气机与废气涡轮增压器的压气机组成一个二级增压系统。工作时，旋转的电机驱动同轴联接的压气机旋转以达到增加进气的目的。当柴油机在低速区或急加速运转时，电动增压器迅速启动开始工作，协助涡轮增压器增加柴油机加速初期的空气进气量，改善涡轮增压器响应滞后、柴油机低速转矩不足以及烟度大等问题，还可提高车辆的加速能力和排放性能；当发动机运行在中高转速区时，电动增压器停止工作，此时为避免产生不必要的进气阻力，电动增压器的压气机部分被与其并联的空气管路短接，空气由并联管路直接进入废气涡轮增压器的压气机。由于压气机受电机驱动，具有独立于废气涡轮增压器和高 的废气排出能量，所以一般有很高的响应速度(1s以内)。

随着汽车行业排放不断升级，涡轮增压器在节省燃油、提高发动机的经济性方面具有不俗表现，成为了未来内燃机发展的必不可少一项技术。相较于传统的涡轮增压器，电动增压系统在柴油机上的应用有待进一步的研究，不过目前仍可推测，电动涡轮增压器与废气涡轮增压器串联构成一复合增压系统，目前是解决涡轮增压柴油机低转速状态下转矩不足和改善发动机加速烟度排放的一种有效方法。

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