增压涡轮泵

《航天科学技术名词》第一版。

2005年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

目前主要的涡轮增压技术有混流式涡轮增压技术、可变涡轮增压技术、两级涡轮增压技术、电辅助涡轮增压技术。

涡轮增压（1）混流式涡轮增压技术

混流式涡轮也称斜流式涡轮，是一种介于径流式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式。如图2所示，由于叶片进口倾斜，使得气流能很好地适应叶型的变化而平缓地过渡至轴向，并且可以有效地防止叶轮出口外径增大带来的轮缘处气流脱离现象，使叶轮的内部流场大为改善，与同样轮径的径流式涡轮相比，流通能力增加约40%，可以满足涡轮增压器向高速、大容量变化发展要求。世界各国最新车用增压器产品上，已采用大容量混流式涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器性能。

涡轮增压（2）可变截面涡轮增压技术

涡轮流通部分起作用的共有三处截面，即涡轮进气截面、蜗壳出口环形截面以及叶轮出口截面。其中叶轮出口截面处调节因实现起来较为复杂且易造成较大损失，调节效果不如前两者，故一般不予考虑。基于此可变涡轮增压器有两种结构，即可动舌片增压结构和可变喷嘴增压结构。对于无叶径流式涡轮机，采用可动舌片增压结构。如图3所示，在涡轮进气截面后加摆动舌片，通过舌片的摆动，改变蜗壳的面径比A/R值，对进气量进行调节。在发动机低速时，减小A/R值，提高涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速较高时，增加A/R值，提高进气量，保证发动机的动力输出。可动舌片增压结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大且调节范围有一定限制，增压器总效率低。

对于有叶径流式涡轮机，采用可变喷嘴增压结构。此结构主要适用于在大排量重型车用涡轮增压发动机。如图4所示，涡轮外围的叶片就是可变喷嘴叶片，在发动机低速或怠速时，喷嘴叶片关闭或开度很小，增加进气压力，从而提高发动机的低速转矩和响应性；当发动机转速较高时，喷嘴叶片全开或开度加大，提高进气量，保证发动机的动力输出。但可变喷嘴涡轮增压器仍不能彻底消除涡轮迟滞问题，在设计和制造上难度较大，生产成本高。

涡轮增压（3）二级涡轮增压技术

二级涡轮增压技术，就是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器，实现增压器与发动机在更大工况范围的良好匹配的一种技术。如图5所式该涡轮增压系统由一大一小两个涡轮增压器串联搭配而成。在发动机低速时，只有一个质量小的涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，改善发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。当发动机转速较高时，质量大的涡轮增压器开始介人工作，提高进气量，保证发动机的动力输出。

二级涡轮增压技术在提高发动机动力性和加速性的同时，可以改善涡轮迟滞现象，但与单级系统相比，在部分负荷时采用二级增压系统增压比下降快，使得发动机低负荷性能恶化。此外，二级涡轮增压器结构复杂，制造成本较高。

涡轮增压（4）电辅助涡轮增压技术

如图6所示，电辅助涡轮增压系统主要增加了电动机/发电机、电路控制单元、电池、高功率逆变电源和一些传感器。其中，电控单元和电池可与发动机共用。在发动机低速时，电控单元发出控制信号，电机启动驱动压气机工作，电池中储存的电能转化为压气机的动能，增压进气压力，改善发动机的加速性和低速转矩问题。当发动机转速上升到一定程度，压气机能够提供足够的空气时，电机就可以关闭或脱开。当发动机在高速大负荷工况时，电控单元发出控制信号起动发电机，回收涡轮能量中的一部分，通过发电机转化为电能储存在蓄电池中心。电辅助技术改善了发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题，降低了燃油消耗率，扩大了发动机的高效、经济区域。但由于辅助电机加人使得转动惯量增加，对电机转子结构和增压器轴提出了很高的要求。

汽油机涡轮增压系统是由涡轮增压器和中冷器两部分组成，通过涡轮增压器压缩空气，由中冷器对压缩后的空气进行冷却。涡轮增压器由涡轮室和增压器组成。涡轮室的进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在通往进气歧管的进气管路上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴钢性联接。中冷器是涡轮增压系统的一部分。空气被高比例压缩后温度会升高，容积率反而降低。所以，增压后的空气在进入汽缸前要对其进行冷却。原理是在发动机和涡轮增压器之间加装一个散热器（称作中央冷却器，简称中冷器），结构类似于水箱散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，管道外有常温空气高速流过（有的采用循环水冷或冷却风扇），达到降温的目的（可以将压缩空气的温度从150℃降到50℃左右），在提高发动机功率输出的同时，降低了发动机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低了发动机的排气温度、热负荷和 NO_x的排放。

涡轮增压器结构原理

首先说说涡轮增压器的大概结构原理，废气涡轮增压器主要由泵轮和涡轮组成，当然还有其他一些控制元件。泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。以前，涡轮增压器大都用在柴油发动机上，因为汽油和柴油的燃烧方式不一样，因此发动机采用涡轮增压器的形式也有所区别。 汽油发动机不同于柴油发动机，它进入气缸的不是空气，而是汽油与空气的混合气，压力过大容易爆燃。因此，安装涡轮增压器必须要避免爆燃，这里涉及两个相关问题，一个是高温控制，另一个是点火时间控制。

强制性增压后，汽油机压缩和燃烧时的温度和压力都会增加，爆燃倾向增加。另外，汽油机排气温度比柴油机高，而且不宜采用增大气门重叠角（进、气排门同时开启的时间）方式来加强排气的降温，降低压缩比又会造成燃烧不充分。还有，汽油机的转速比柴油机高，空气流量变化大，很容易造成涡轮增压器反应滞后。针对汽油机使用涡轮增压器出现的一系列问题，工程师有针对性地一一做了改进，使汽油机也能用上废气涡轮增压器。

涡轮增压器中冷器

温度增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃，同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。

涡轮增压器叶轮

由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5毫米以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。

涡轮增压器爆燃传感器

除了降低温度来减少爆燃的可能外，还要采用爆燃传感器，它的作用就是在产生爆燃之时，传感器感到不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ECU（电子控制单元）控制系统，将点火定时稍推迟一点，不产生爆燃的时候再恢复正常点火定时。

涡轮增压器其他

由于轿车汽油机的转速比柴油机高，空气流速快而且变化范围大，因此它的涡轮增压器有更高的要求。现代轿车发动机已普遍采用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，涡轮增压器在汽油机上的应用也会日益普遍。

轿车用的废气涡轮增压器都采用单入口涡轮外壳，也就是说只利用废气排气的压力能量，不需使用其它的辅助能量。由于轿车发动机的转速范围大，因此废气涡轮增压器必须要有调节装置，以使发动机能在一定转速范围内获得比较恒定的增压压力。另外，汽油机是点燃式点火，它的压缩比是有一定范围限制的，过高就会引发爆燃。因此，还要有爆燃检测及控制机构，随时调整点火提前角。

轿车的废气涡轮增压器一般安装在排气管附近，涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接，同步旋转。

当不需要增压时，例如怠速或者有爆燃先兆时，一部分排气会通过旁通阀泄出而不进入涡轮增压器。当发动机转速每分钟达到2000转时，电磁阀就会关闭旁通阀让排气流指向涡轮一侧，使涡轮转动。另外还有一种设计，就是调节涡轮叶片的角度，通过阻力的改变来调节涡轮的转速，从而改变增压量。

对空气进行冷却可以使空气收缩增大密度，在同等容积下塞进更多空气，还可以防止爆燃。因此轿车的涡轮增压器都安装有中间冷却器，这种中间冷却器一般用空气冷却，安装在发动机散热器前面、旁边或者单独一个位置，利用汽车迎面气流或者自身风扇冷却。

涡轮增压器的关键零件是轴承。这种根据润滑形式命名的轴承被称为“全浮式轴承”，工作转速极高，工作环境恶劣。因此，保证润滑是非常重要的事情。如果因油压低导致机油供给缓慢，就会损坏轴承从而导致涡轮增压器失效。在正常的发动机启动是不会发生此类故障的，但如果发动机更换机油和机油过滤器后第一次启动，就会产生机油供给缓慢现象，使轴承缺乏机油润滑。在这种情况下，启动后要怠速运转3分钟左右，不可直接将转速提升到涡轮增压器启动转速。同样，在高速及上坡后也不要使发动机立即停止，要使发动机继续怠速运行1分钟左右，使仍继续空转的涡轮增压器轴承不会缺油。因此，使用涡轮增压器汽车的司机，一定要遵循厂家的指示操作，还要十分注意机油的质量，不宜将涡轮增压器汽车视同一般汽车进行操作。