小排量發動機廢氣渦輪增壓器的結構設計

王旭景

（德州市農業機械管理局，山東 德州 253013）

渦輪增壓技術作為發動機增壓的一種方式，目前已被廣泛采用。通過渦輪增壓器對發動機進氣增壓使得燃料在汽缸內得到更加充分的燃燒，從而實現了發動機的節能，所以渦輪增壓技術符合了當前節能減排的社會趨勢，對發動機加裝渦輪增壓器已經成為現在一項很重要的技術，因此，無論現在還是未來，對渦輪增壓技術的研究和渦輪增壓器的設計都具有非常重要意義。當前世界對渦輪增壓技術的研究已相當先進，國內對于渦輪增壓器也一直不斷地在深入的研究與推廣。國內對大中型排量的發動機基本已經完成了普及，而對于小排量的發動機來說，在國內技術尚有不足。隨著能源危機日益臨近，節能減排也越來越被人們所重視，因此，對小排量發動機進行渦輪增壓器的設計與安裝必將會得到人們的重視，針對小排量的發動機進行渦輪增壓器的設計，具有非常重要的實際意義。

1 廢氣渦輪增壓器的作用

廢氣渦輪增壓系統，在發動機結構參數不需要有大改變的情況下，可以使功率增加20%～30%，高增壓的效果更明顯甚至能達到100%；排出的廢氣能量可進一步利用，使發動機的經濟性提高3%～4%；廢氣渦輪增壓系統可以增大轉矩，提高車輛裝載質量，減少排氣噪聲，對環境保護有重要意義。

廢氣渦輪增壓系統全工況范圍內都具有良好的性能。主要是增強掃氣效果提高進氣效率，改善低工況性能，減少有害排放物。

2 廢氣渦輪增壓器的結構原理

渦輪增壓器實際上是對進氣進行壓縮，通過壓縮空氣增加進氣的密度來增加進氣量。然后利用發動機排出的廢氣的動能來推動廢氣渦輪，渦輪又通過中間軸來帶動壓氣機的工作葉輪，葉輪對空氣濾清器管道送來的空氣做功，使之壓力加大進入氣缸。當發動機轉速提高時，排氣口排出的廢氣的速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪會把更多的空氣壓入氣缸，氣缸內進入的空氣壓力和密度增大可以讓更多的燃料在空氣量比較充足的環境中燃燒，燃料量增加，發動機的轉速做出響應進行調整，發動機的輸出功率也會變大。廢氣渦輪增壓器中的壓氣機多采用離心式壓氣機，壓氣機出口壓力可達1.40-3bar，甚至可達到 5bar。

離心式壓氣機結構一般由進氣道、葉輪、擴壓器和壓氣機蝸殼等部件組成。

2.1 進氣道

進氣道的設計多采用軸向，氣流沿軸向直接進入壓氣機，結構簡單而且流動損失小。這種結構在中、小型渦輪增壓器使用較多。

進氣道的作用主要是導向，將進氣口進來的空氣導向壓氣機工作葉輪。漸縮形進氣道能夠降低流動損失，分為徑向進氣道和軸向進氣道兩種基本形式：本設計采用軸向進氣道；徑向進氣道的氣流開始是沿半徑方向進入進氣道，然后再沿軸向進入壓氣機工作葉輪，這種方式流動損失較大，所以當軸承外置的大型渦輪增壓器或其他裝置（空氣濾清器）的空間布置受限時，才采用這種形式。

2.2 壓氣機葉輪

空氣進入壓氣機中，壓氣機的葉輪對空氣作功，它把廢氣渦輪通過中間軸傳遞來的機械能轉變為空氣的壓力能和動能。壓氣機葉輪分為導風輪和工作葉輪兩部分。中、小型渦輪增壓器與大型渦輪增壓器結構形式不同，中小型渦輪增壓器導風輪和工作葉輪做成一體，大型的是將導風輪和工作葉輪裝配在一起。其中導風輪的作用是使氣流導入葉輪入口，并且對葉輪的撞擊盡可能的降到最低。根據葉輪輪盤的結構形式進行分類，壓氣機葉輪可分為開式、半開式、閉式以及星形等形式。

2.3 擴壓器

壓氣機工作葉輪出口空氣具有較高的速度經過擴壓器的進一步轉化，空氣的速度降低壓力變大，動能轉變為壓力能，所以擴壓器效率的高低對壓氣機效率有著重要的影響。

車用小型渦輪增壓器經常處于變工況運行狀態，所以廣泛應用的無葉擴壓器。無葉擴壓器本質上是一環形空間。無葉擴壓器中氣流流動跡線在任意直徑處與切向的夾角基本不變，也就是說氣流在環形通道中基本上是沿對數螺旋線的軌跡流動。無葉擴壓器流量范圍比較寬，結構相對簡單，制造方便，成本較低。但其使用過程中也存在著氣流的流動路線比較長、產生的流動損失大、效率低的缺點。

2.4 壓氣機蝸殼

從壓氣機出來的空氣經工作輪做功，擴壓器轉換后仍有較大的速度，在漸漸擴張的蝸殼中空氣速度降低，動能進一步轉化為壓力能，所以，壓氣機蝸殼不但具有收集從擴壓器出來的空氣的作用，也有一定的擴壓作用。

3 廢氣渦輪結構設計

廢氣渦輪增壓器主要包括安裝在同一軸上的壓氣機和渦輪以及由中間軸、浮動軸承、殼體等組成的中間體。壓氣機葉輪是高精密度的鋁合金鑄件，并通過有限元仿真、流線分析等設計得到葉片的形狀。為匹配車用發動機，適應車輛寬廣流量范圍，離心式廢氣渦輪增壓器一般都采用后彎式葉輪，無葉型擴壓器。渦輪葉輪與高溫廢氣接觸所以需要用耐熱性高的合金材料，一般是鎳或鈷，并使用精密鑄造法整體鑄造成型。在渦輪殼通過噴嘴葉片環或葉片式噴管把廢氣導入渦輪葉輪。目前，一般采用具有噴嘴或噴管性能的蝸殼，即無噴嘴的渦輪殼。

廢氣渦輪根據廢氣流向可分為徑流式和軸流式兩類。在徑流式渦輪中，發動機排出的高溫廢氣沿著與渦輪旋轉的中心軸線相垂直的平面徑向流動。在廢氣的流量較小時，它的效率比較高，制造成本也較低，特別適用于一些小流量的廢氣渦輪增壓器。在軸流式渦輪中，發動機排出的高溫廢氣直接沿渦輪旋轉的中心軸線方向流動。當發動機的廢氣流量較大時，它的效率比較高，所以適用于大流量的廢氣渦輪增壓器。

4結語

通過對小排量發動機做的渦輪增壓器的設計，并在原有的結構基礎上進行了改動，優化了小排量發動機結構和性能。與自然吸氣的小排量發動機相比，裝有渦輪增壓器的小排量發動機，提速快，動力足，同時也提高了發動機的燃油效率，實現了節能減排的目的，也符合消費者追求動力強、經濟性的特點。