淺談汽車發動機的增壓技術

65066部隊軍官訓練教研室 黃安華 霍楓

65066部隊后勤部 楊世軼

The charging Technology is a means to utilize the energy,to save the energy and to reduce the emission.This paper has discussed the structure characteristics,working principle,advantages and disadvantages and the applications of the Turbocharging,Supercharging,Variable Geometry Turbocharging,Twin Turbocharging and the Turbocharging+Supercharging technologies.This paper has also pointed out the development direction of the future charging technology.

0 引言

與自然吸氣式發動機相比，增壓型發動機在其結構和尺寸不變的情況下，功率和扭矩可提高20%～50%，如排量是1.8L的渦輪增壓型發動機，其功率接近甚至超過了2.4L的自然吸氣式發動機，（與2.4L自然吸氣式發動機相比）油耗明顯降低，污染物排放也顯著減少。在當前國家節能減排的大背景下，新能源還不能完全替代傳統能源的情況下，內燃機采用增壓技術無疑是提高傳統能源利用效率、節約能源的最佳選擇之一。

目前汽車發動機上采用的增壓技術路線主要有五條：一是采用（單）渦輪增壓；二是采用機械增壓；三是采用可變截面渦輪增壓；四是采用雙渦輪增壓；五是采用機械增壓+渦輪增壓。不管是采用哪種增壓技術，其工作原理大致是相同的，只是其匹配和工作性能有所差異，其工作原理都是：把發動機進氣系統中的空氣壓縮后再引入氣缸，壓縮后的空氣密度更大，單位體積所含的氧分子更多，按照理論空燃比混合，需要噴入更多的燃油，這樣就能在排量不變的情況下得到密度和質量更大的可燃混合物，經過燃燒后就能獲得更多的熱能，從而轉換出更大的動力。另外，由于進入的空氣量充足，其燃燒也更為徹底。

1 渦輪增壓

1.1 結構特點及工作原理

渦輪增壓（Turbo Charge）是目前汽車發動機采用最多的一種增壓技術，如果在汽車上標有Turbo或者T，即表明該車發動機采用的是渦輪增壓發動機。渦輪增壓發動機通常在其后端安裝有一個廢氣渦輪增壓器。廢氣渦輪增壓器實質是一個空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加發動機進氣量。它主要由隔熱板、渦輪、噴嘴環、渦輪機外殼、轉子軸、全浮軸承、中間殼體、擴壓室、壓氣機葉輪、壓氣機外殼等機件組成。渦輪室進氣口與排氣岐管相連，排氣口接在排氣管上；壓氣機室進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣岐管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和壓氣機室內，二者用轉子軸剛性聯接，轉子軸兩端由兩個浮動軸承支承。廢氣渦輪增壓器的基本結構及工作原理如圖1所示。發動機工作時，排出的具有一定壓力的高溫廢氣沿著排氣岐管進入渦輪室內喇叭口形的噴嘴環上，提高噴射速度后按一定的方向噴射到渦輪上，使渦輪高速旋轉。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉速就越高，最高可達200 000r/min以上。廢氣通過渦輪直徑的中心部位流出，再經過排氣管和消聲器排出機外。在渦輪旋轉的同時壓氣機葉輪也以相同的速度旋轉，將經過空氣濾清器過濾的新鮮空氣吸入壓氣機室內，高速旋轉的葉輪將吸入的空氣甩向葉輪邊緣，增加空氣的速度和壓力后，使其進入形狀為進口小出口大的擴壓室，使空氣流速降低而壓力增大，再繼續通過斷面由小逐漸變大的環形壓氣機外殼，使壓力繼續升高，最后高壓氣流（180—200KPa）通過進氣岐管進入氣缸中。這樣就大大提高了發動機的充氣系數，進而增大氣缸內的噴油量，使發動機輸出更大的功率和扭矩。

1.2 主要優點

一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器的發動機功率和扭矩可提高20%～100%，這樣小排量的發動機達到了大排量發動機的動力性，而且發動機變得更輕，油耗更低，燃燒更徹底，排放的廢氣污染物也相對較少。另外，它不額外地消耗發動機功率，使用經濟性較好。

1.3 主要缺點

渦輪增壓器最大的缺點是渦輪遲滯。因為渦輪增壓發動機的增壓器需要靠排氣能量驅動，所以當發動機轉速較低時，排氣能量往往比較小，此時有可能無法驅動增壓器，而且增壓渦輪越大，渦輪就越難以被驅動，造成的結果就是，當渦輪增壓器不工作（低轉速，1500～2500r/min以下）時，渦輪增壓發動機的動力甚至會小于一臺同排量的自然吸氣發動機。此外，由于渦輪增壓器葉輪的慣性作用，葉輪對油門的驟時變化反應滯后，通常會出現加速后動力提升跟不上，而且在增壓器介入工作時動力輸出有突兀感。其次是廢氣渦輪增壓器的工作溫度較高（600℃左右），對潤滑條件和使用要求也較高，同時較高的工作溫度會提高進氣溫度，降低充氣密度，所以多數渦輪增壓發動機采用了加裝冷卻器的方法來降低工作溫度，此技術稱之為渦輪增壓中冷技術。

1.4 應用情況

渦輪增壓最早應用在柴油機上，隨著技術的進步，在汽油機上的應用也越來越多。盡管渦輪增壓技術還存在著很多的缺點，但其較高的工作效率使得各大汽車生產廠家對此項技術趨之若鶩，目前幾乎所有的汽車生產廠家都有渦輪增壓版的車型，國內最為推崇該項技術的是一汽大眾公司，如奧迪A4L2.0TFSI、寶來1.8T、速騰1.4TSI、邁騰1.8TSI等，此外常見的自主品牌渦輪增壓版車型有上汽榮威750（550）1.8T、MG61.8T、中華駿杰（尊馳）1.8T、長城哈弗2.5T、2.8T、華泰圣達菲C91.8T、奇瑞威麟V5 1.9TDDI、瑞麒G52.0T等。

2 機械增壓

2.1 結構特點及工作原理

機械增壓（Super Charge）與渦輪增壓的原理是一致的，只是其驅動力的來源不同，渦輪增壓器的動力來源是發動機排出的高溫廢氣，而機械增壓器的動力來源于發動機工作時產生的動力，它通過皮帶與發動機的曲軸相連接，以曲軸運轉的扭力帶動增壓器工作。因而其結構與渦輪增壓器也有所不同，目前常用的羅茲式機械增壓器主要由皮帶輪、主動齒輪、從動齒輪和壓氣機轉子等機件組成，其結構如圖2所示，在橢圓形的壓氣機殼體中裝兩個繭形的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接接觸。兩轉子借由螺旋齒輪連動，其中一個轉子的轉軸與驅動的皮帶輪連接，轉子轉軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開電磁離合器以停止增壓。電磁離合器的開合則由計算機控制以達到節油的目的。

2.2 主要優點

一是在低轉速時便可獲得增壓。只要發動機工作，機械增壓器就可進入工作狀態，即可獲得增壓效果，解決了渦輪增壓器只有達到了一定轉速時才能增壓和發生渦輪遲滯的問題。二是動力輸出自然平緩。機械增壓的動力輸出與曲軸轉速成線性，即隨著發動機轉速的提高，其動力輸出也隨之增強，機械增壓發動機的操作感覺與自然吸氣發動機極為相似，動力輸出呈線性。三是工作溫度變化不大。機械增壓器的工作溫度為70～100℃之間，與自然吸氣式發動機相比，使用保養沒有多大區別。

2.3 主要缺點

最主要的缺點是機械增壓增壓效率較低。機械增壓器由曲軸驅動，始終在消耗發動機的功率，盡管隨著發動機轉速的升高而增壓壓力提高，但是增壓器本身的運動阻力又隨發動機的轉速升高而增大，從而導致發動機高速時的負荷增大，為此，機械增壓必須在增壓值與發動機負荷間取得平衡，以避免高增壓帶來的負面效應。所以，機械增壓在高轉速時效率沒有渦輪增壓高。通常機械增壓的進氣壓力一般為30～120kPa，很難突破150kPa，而渦輪增壓早已突破220kPa 的超高壓境界。

2.4 應用情況

與渦輪增壓器相比，機械增壓目前在汽車上應用相對較少，主要是個別高檔轎車，如奔馳C200K、路虎攬勝4.2的機械增壓版等。目前機械增壓在自主品牌的車型僅有搭載1.6L機械增壓發動機的瑞虎。

3 可變截面渦輪增壓

渦輪遲滯與增壓渦輪的尺寸有關。增壓渦輪越大，渦輪就越難以被驅動，渦輪遲滯就越明顯；反之如果增壓渦輪很小，遲滯就會大幅度緩解。而渦輪尺寸又與增壓能量有關，小尺寸的渦輪雖然可以緩解渦輪遲滯，但是它能提供的增壓值不大，不利于提升發動機的動力。所以渦輪增壓發動機只能采用折中的辦法來設計渦輪尺寸。為使發動機獲得較好的增壓效果，在很多較高級的發動機上采用了可變截面渦輪增壓系統（VGT）。

3.1 結構特點及工作原理

可變截面渦輪增壓系統的核心是可調渦流截面的導流葉片，它安裝在廢氣進口處的渦輪前面。該系統的原理是在普通渦輪增壓系統基礎上增加渦輪導向葉片的調整機構，通過ECU電子控制單元控制導向葉片的角度，在低速時縮小導向葉片角度，提高渦輪轉速，減緩渦輪遲滯，在高速時讓導向葉片張開，加大與空氣的接觸面，大幅提升增壓值，從而獲得更大的功率和扭矩。

3.2 主要優點

一是增壓效率提高，較好地解決了渦輪遲滯的問題。由于采用了“可變”技術，渦輪增壓器能夠在發動機較低的轉速下介入工作，不僅較好地解決了渦輪遲滯的影響，而且大大提高了增壓效率。二是動力平順。由于降低了渦輪遲滯，帶VGT的車型在整個加速段沒有動力陡增的情況，舒適性和安全性都有提高。三是油耗低。由于渦輪增壓器切入工作的時機提前，減少了發動機低轉速狀態下渦輪增壓器不工作而導致的不充分燃燒帶來的燃料浪費，從而大幅度降低油耗，特別是在城市道路狀況下使用的油耗。

3.3 主要缺點

盡管可變截面渦輪增壓系統在一定程度上降低了渦輪的遲滯影響，但仍不能徹底消除。此外“可變” 技術設計、制造難度較大，生產成本較高。

3.4 應用與發展

目前國內采用可變截面渦輪增壓技術的汽車生產廠家還寥寥無幾，應用VGT技術的車型主要有華泰圣達菲2.0T、中興無限V3、陸風SUV X8、X9等。

4 雙渦輪增壓

為解決渦輪增壓器的渦輪遲滯的影響，在很多高級轎車上還采用了雙渦輪增壓技術。所謂雙渦輪增壓，就是在發動機進氣系統中采用兩個相互獨立的渦輪增壓器的增壓系統，雙渦輪增壓器有兩種安裝方式，一種是并聯，另一種是串聯。

4.1 并聯

4.1.1 結構特點及工作原理

并聯式雙渦輪增壓系統的進氣系統中平行安裝有兩個規格完全相同的渦輪增壓器，每個渦輪增壓器負責發動機半數氣缸工作。發動機在運行時，半數氣缸的排氣共同驅動一個渦輪增壓器，兩個渦輪增壓器同時工作，在一定程度上緩解了“渦輪遲滯”現象對汽車低速行駛時發動機功率快速增加所造成的不良影響。

4.1.2 主要優缺點

與單渦輪增壓器相比，其質量較小，因此切入工作的時機提前，增壓反應變快，在一定程度上降低了渦輪遲滯的影響。由于增裝了一個渦輪增壓器，也相應地增加了安裝難度，結構也變得比較復雜，而且也不能完全消除渦輪遲滯的影響。為了進一步降低渦輪遲滯的影響，一些車型的雙渦輪增壓器采用了雙可變截面渦輪增壓器，這無疑使其結構變得更為復雜，成本更高。

4.1.3 應用情況

由于雙渦輪增壓發動機在汽車動力性能提升和發動機動態響應速度方面所表現出來的突出優勢，目前，包括寶馬在內的多家汽車廠商都已經在各自旗下的車型上采用了雙渦輪增壓的增壓型式。不過這種雙渦輪增壓安裝方式主要應用在高級多缸（直列6缸和V型）發動機的車型上，典型的代表車型有寶馬X6xDrive35i、寶馬335、 保時捷911 turbo、 邁巴赫57S/62S、 標致6072.2LHDI、賓利歐陸GT極致等，目前國內自主品牌的車型還沒有應用。

4.2 串聯

4.2.1 結構特點及工作原理

通常是一大一小兩個渦輪增壓器串聯搭配而成。在發動機轉速較低時，只有一個質量小渦輪增壓器工作，這時較少的排氣即可驅動這只渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，當發動機轉速提升以后，質量大的渦輪增壓器開始介入工作，進入高增壓值的狀態，提供一個連貫的強勁動力。

4.2.2 主要優缺點

這種雙渦輪增壓技術在提高發動機動力性的同時，可以改善渦輪增壓的遲滯現象。但也不能完全消除渦輪遲滯現象，畢竟渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。另外，串聯安裝結構相對復雜，制造成本高。

4.2.3 應用情況

串聯安裝方式的雙渦輪增壓系統應用相對較少，僅在馬自達跑車RX-7的13B-REW發動機上得以應用。

5 機械增壓+渦輪增壓

5.1 結構特點及工作原理

鑒于雙渦輪增壓系統和可變截面渦輪增壓系統都不能徹底消除渦輪的遲滯問題，德國大眾汽車公司推出了機械增壓+渦輪增壓的新型進氣增壓系統，它能夠徹底消除渦輪遲滯的影響，該技術代表著未來發動機增壓技術的發展方向。以大眾高爾夫GT1.4TSI為例，其工作原理是：當發動機在部分負荷低速運轉時，機械增壓器投入工作，當發動機轉速超過1500r/min時渦輪增壓器介入工作，當發動機轉速超過3500r/min時，機械增壓器退出工作。

5.2 主要優缺點

這種雙增壓型發動機很好地發揮了機械增壓和渦輪增壓的優點，在發動機工作全程內實現扭矩和功率的提升，改善了起步加速，也具有充足的后勁，相對來說動力損耗減低到最小，增壓效果最好，如高爾夫GT1.4TSI發動機的功率與2.3L自然吸氣式發動機功率相當，但燃油消耗能降低20%。但是這種雙增壓方式結構復雜，成本過高，機械增壓器每5萬公里就需要更換，而且對燃油品質的要求也高，因此，大眾公司出于成本的考慮，在我國生產的TSI發動機取消了機械增壓而僅有渦輪增壓。

5.3 應用情況

目前應用這種雙增壓技術的主要是德國大眾汽車公司，應用的車型有進口版的大眾高爾夫GT、尚酷、CC以及大眾首款硬頂敞篷跑車EOS等。

6 結束語

綜上所述，單渦輪增壓雖然不能解決渦輪遲滯的弊端，但能夠大幅度地提高發動機的功率和扭矩，同時燃燒徹底，降低排放，由于其技術開發難度相對不大，所以不管是柴油機還是汽油機均進行了大量的應用，隨著技術成本的不斷降低，將會有越來越多的中低端車型采用它。機械增壓很好地解決了渦輪遲滯的毛病，但消耗了發動機的功率，且使用成本較高，所以單獨使用該技術的車型不多。可變截面渦輪增壓是對渦輪增壓的技術升級，它較好地解決了渦輪遲滯的不良效應，是近期渦輪增壓技術的一個主要發展方向，但其技術開發難度相對較高，所以主要在一些中高端的車型上得以應用，隨著其技術的不斷發展，應用該技術的車型會越來越多。雙渦輪增壓也是為降低渦輪遲滯而進行的技術改進，但其技術開發難度大，適用的車型也少，主要在一些豪華型多缸車上采用。機械增壓+渦輪增壓很好地發揮了機械增壓和渦輪增壓的優點，能夠使發動機在工作全程內實現扭矩和功率的提升，增壓效果最好，它將代表著未來發動機增壓技術的發展方向，目前它主要在德國大眾汽車公司得以大量應用，隨著發動機增壓技術的不斷發展，將會有更多的汽車公司和車型使用這種增壓技術。

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