利用內(nèi)燃機排氣能量驅(qū)動廢氣渦輪增壓器實現(xiàn)內(nèi)燃機增壓的方法。廢氣渦輪增壓器（簡稱渦輪增壓器）由渦輪機（見透平）和壓氣機(見壓縮機)兩主要部件，以及軸和軸承、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、密封件、隔熱裝置等組成。內(nèi)燃機氣缸排出的高溫高速的燃氣，經(jīng)排氣管供入渦輪增壓器的渦輪機，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪再帶動與它同軸的壓氣機葉輪旋轉(zhuǎn)。壓氣機將吸入的空氣壓縮，提高了壓力的空氣流經(jīng)內(nèi)燃機進氣管，供入氣缸，從而達到增壓的目的。
發(fā)展歷史
發(fā)動機能發(fā)出的最大功率受汽缸內(nèi)能燃燒的燃料的限制，而燃料量又受每循環(huán)汽缸內(nèi)能，吸人空氣量的限制。如果空氣在進入汽缸前受到壓縮使其密度增大，則同樣汽缸工作容積就可以容納更多的新鮮充量，從而可以供給更多的燃料，得到更大的輸出功率。
按照提高進氣密度增加功率的設想，早在1905年，瑞士的艾爾弗萊德·布奇(Alfred Biichi)就提出了渦輪增壓方案，并進行了早期的柴油機定壓增壓及脈沖增壓系統(tǒng)實驗，1925年取得成功并獲得專利。此后瑞士的布朗·保弗利(BrownBoveri)公司在船用發(fā)動機上采用了廢氣渦輪增壓，繼之航空活塞式發(fā)動機也采用了增壓技術。
而車用發(fā)動機采用渦輪增壓技術較遲，主要原因是車用發(fā)動機對渦輪增壓器的要求較高，不僅要求效率高，流量范圍寬，能滿足車輛發(fā)動機變工況的要求。而且還要求結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，造價低廉。直到20世紀50年代后期，增壓技術才廣泛應用到車用柴油機上，并逐步推廣到汽油機中。絕大部分的大功率柴油機、半數(shù)以上的車用柴油機以及相當比例的高性能汽油機，均已采用增壓技術。一般而言，增壓后發(fā)動機功率可比原機提高40%一60%，甚至更多，發(fā)動機的平均有效壓力可達到3MPa。增壓技術特別是增壓中冷技術，被視為提高車用發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性及降低排放的有效措施。
工作原理
內(nèi)燃機由于受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，燃燒氣體在氣缸內(nèi)不能充分膨脹至大氣壓力。因此，排氣開始時氣缸內(nèi)的燃氣壓力遠比大氣壓力高，這樣，排氣就具有一定能量。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)將排氣能量有效地傳給渦輪機，使渦輪機獲得較高的效率，同時有利于內(nèi)燃機氣缸的掃氣。
分類
根據(jù)排氣管中壓力狀況和排氣能量的利用方式，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)一般分為定壓增壓系統(tǒng)和脈沖增壓系統(tǒng)兩類。
定壓增壓系統(tǒng)
內(nèi)燃機所有氣缸的排氣都通入一根粗大的排氣總管，然后再流入渦輪機。排氣總管實際上起穩(wěn)壓作用，以使總管內(nèi)的氣體壓力基本恒定。這樣，渦輪在穩(wěn)定氣流下工作，故渦輪機效率較高。但采用這種系統(tǒng)時內(nèi)燃機加速性能和低負荷性能較差，所以定壓增壓系統(tǒng)只適用于高增壓、工況變化少的場合。
脈沖增壓系統(tǒng)
這種系統(tǒng)的特點是在排氣管中造成盡可能大的壓力脈動。為此，排氣支管被做得細而且短，渦輪盡可能靠近內(nèi)燃機氣缸。排氣互不干擾的幾個氣缸(通常是二缸或三缸)的排氣支管連在一根排氣管上，這樣，每根排氣管中就形成兩個或三個連續(xù)的排氣脈沖波。渦輪機的噴嘴環(huán)按排氣管數(shù)目分組隔開，它們互不干擾。采用脈沖增壓系統(tǒng)能充分利用排氣能量，改善變工況性能；但渦輪是在脈動氣流狀態(tài)下工作，故渦輪機效率較低。為克服兩種系統(tǒng)的缺點，人們已研制出脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和多脈沖系統(tǒng)。它們多用在氣缸數(shù)不是3倍數(shù)的柴油機上。
利用
現(xiàn)代渦輪增壓器是批量生產(chǎn)的系列化產(chǎn)品，由生產(chǎn)廠按內(nèi)燃機的功率區(qū)段分檔形成若干個基本型。在基本型上適當修改壓氣機和渦輪機的結(jié)構(gòu)尺寸、殼體結(jié)構(gòu)等即可形成變型產(chǎn)品，用以滿足各類內(nèi)燃機的增壓要求。
廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機實質(zhì)上是往復活塞式內(nèi)燃機與旋轉(zhuǎn)式葉輪機相結(jié)合的一種復合式發(fā)動機。兩者工作特點不同，必須互相匹配，即壓氣機流量特性與各種工況下內(nèi)燃機所需流量率相一致；驅(qū)動渦輪機所需要的能量與內(nèi)燃機排氣可提供的能量相平衡。
技術
車用汽油機廢氣渦輪增壓的普及性遠不如柴油機，其主要技術障礙在于爆燃、混合氣控制、熱負荷和增壓器的特殊要求等方面。
1．爆燃
由于增壓后，進氣溫度和壓力升高，及燃燒室受熱零件熱負荷增高等原因，將促使爆燃發(fā)生。為此，必須降低壓縮比、推遲點火時刻、采用進氣中冷等措施。汽油機的增壓比一般比柴油機低得多，一般不超過2。
2．混合氣調(diào)節(jié)
汽油機采用定質(zhì)變量調(diào)節(jié)，化油器式發(fā)動機進行增壓時，氣流流經(jīng)化油器喉口的壓力是變化的，不僅難于精確供給一定濃度的混合氣，還增加了一些如增壓方案的選擇、化油器的密封、加速響應性能等新問題。電控汽油噴射技術的應用，為增壓技術在汽油機中的應用掃除了一大障礙。
3．熱負荷
汽油機的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，膨脹比小，排氣溫度比柴油機高200～300℃。增壓后，汽油機整體溫度提高，同時，為避免可燃混合氣損失，·氣門疊開角不大，燃燒室的掃氣作用不明顯，因此，增壓汽油機的活塞、排氣門以及廢氣渦輪的熱負荷均比增壓柴油機嚴重。
4．對增壓器的特殊要求
汽油機增壓比低、流量范圍廣、熱負荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速范圍大。這就要求增壓器體積小、耐高溫性能好、轉(zhuǎn)動慣量小、效率高?？傮w而言，汽油機的增壓技術在過去的20年中獲得了重大突破。隨著電子控制技術的大規(guī)模應用，以及高性能增壓器的不斷出現(xiàn)，如陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子、可變截面渦輪增壓器等，汽油機增壓技術將獲得較快的發(fā)展。
結(jié)構(gòu)特點
為了適應廢氣渦輪增壓的需要，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)要進行適當?shù)母膭印?/p>
1．壓縮比
為了降低爆發(fā)壓力，增壓發(fā)動機應適當?shù)亟档蛪嚎s比。尤其是汽油機，增壓更容易產(chǎn)生爆燃，因此，降低壓縮比是比較普遍的選擇。
2．過重至氣系數(shù)
為了降低發(fā)動機的熱負荷和排氣溫度，改善經(jīng)濟性，一般增壓柴油機的過量空氣系數(shù)比增壓之前增大10%一30%。
3．供油系統(tǒng)
由于燃料供給量加大，柴油機需加大每循環(huán)供油量。為保證供油持續(xù)期基本不變，常用方法是增大柱塞直徑并加大噴孔直徑，以增加供油速率。又由于壓縮終點壓力和溫度提高，相應地提高噴油壓力，減小噴油提前角。汽油機增壓后，燃油供給裝置及點火系統(tǒng)也要相應調(diào)整。
4．進、排氣系統(tǒng)
(1)配氣相位
因增壓發(fā)動機熱負荷加大，應合理加大氣門重疊角，利用增壓空氣增強汽缸掃氣，降低氣門、活塞等部件熱負荷。由于掃氣增強，排氣溫度降低，渦輪的工作條件得到改善；同時由于廢氣掃除徹底及進氣溫度降低，使充量系數(shù)提高。但當增壓壓力較高及采用進氣中冷技術時，氣門重疊角則與非增壓差不多。
(2)進、排氣偕
進、排氣管的設計與增壓器的使用要求一致。增壓發(fā)動機的進氣管容積希望大一些，以減少進氣壓力脈動，提高壓氣機效率和改善發(fā)動機性能。
5．曲柄連桿機構(gòu)
由于增壓柴油機的機械負荷與熱負荷增大，承受機械負荷的曲柄、連桿等零件在強度上相應加強，對熱負荷增大的零件，如活塞等，應加強冷卻。
優(yōu)缺點
優(yōu)點
（1）較大地提高了發(fā)動機的體積功率和升功率。
（2）改善了發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩特性。
（3）與同功率的自然吸氣發(fā)動機相比，顯著降低了燃油消耗量。
（4）降低了有害氣體排放。
缺點
（1）增壓器安裝在發(fā)動機熱側(cè)（排氣管路上），為此要使用高耐熱材料。
（2）為安裝增壓器、中冷器，需要增加結(jié)構(gòu)費用和安裝空間。
（3）發(fā)動機在低速范圍扭矩增加不及高速范圍的扭矩增加。
（4）對發(fā)動機負荷變化的反應與增壓器的匹配性有關。
參考資料 >