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废气涡轮增压器的基本原理及改进措施

文档作者：李仕存白海文档来源： 1．郑州城市职业学院汽车工程系 2．广西师范大学职业技术师范学院		点击数：	更新时间： 2026年01月23日
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上一篇：废气涡轮增压器损坏的原因及应对措施

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设计研究
汽车实用技术
AUTOMOBILE Af]PLIED TECHNOLOGW
20l 5年第8期
20l 5 NO．8
废气涡轮增压器的基本原理及改进措施
李仕存 ，白海
(1．郑州城市职业学院汽车工程系，河南郑州452370；2．广西师范大学职业技术师范学院，广西桂林541004)
摘要：废气涡轮增压系统有利于改善发动机的动力性、经济性和排放品质等综合性能，因此得以广泛的使用。在
对废气涡轮增压器进行设计的过程中，针对其工作过程中存在响应延迟及压缩空气温度过高的问题，提出一定的改
进措施，最后分析了当前废气涡轮增压器设计制造的发展趋势。
关键词：涡轮增压器；设计；问题；改进措施
中图分类号：U464．1 文献标识码：A 文章编号：1671—7988(2015)O8—20—03
Basic Principle and Improvement M easures of Exhaust Turbocharger
Li Shicun ．Bai Hai
(1．Department ofAutomotive Engineering，City University ofZhengzhou，Henan Zhengzhou 452370；
2．School ofTechnology and Education，Guangxi Normal University,Guangxi Guilin 541004)
Ab~raa：Exhaust turbocharging system has been widely used because it is propitious to improve combination property of
engme，such as power,economy and emission quality．In process of desi in岛some improvement me~ es，which are
aimed at the response delay and high temperature of compression air of exh aust turbocharger in the working process，have
been put forward．Finally,the trends ofdesign an d manufacturing ofthe exhaust turbocharger have been analyzed．
Keywords：turboeharger；design；problem；improvement measures
CLC NO．：U464．1 Document Code：A Article ID：1671—7988(2015)08—20-03
引言
随着人们环境保护和节约能源意识的不断增强，世界各
国加强了对机动车和非道路移动机械尾气排放的监管和治理
⋯
。废气涡轮增压系统可以全面改善发动机的动力性、经济
性和排放品质，因此得到了广泛的应用。作为废气涡轮增压
系统的重要部件，涡轮增压器在工作过程中存在响应延迟及
压缩空气温度过高的现象，如何通过一定的措施予以改善，
成为其设计制造中需要重点解决的问题。
1、发动机增压技术的原理及类型
根据发动机的有效功率公式 ：
=
×l0—3 ‘公
作者简介：李仕存，就职于郑州城市职业学院汽车工程系，主要从
事汽车运用及液压与液力传动的研究。
式中尸删—— 平均有效压力(Mea)；
— — 工作容积(L)：
— — 发动机的转速(r／min)；
j——气缸数；
zI——冲程数；
可知提高发动机功率的方法有：
(1)改变发动机的结构参数，例如通过增加气缸数f，
增大气缸直径D 和活塞行程S，减少冲程数f等；
(2)提高发动机的转速n和活塞的平均运行速度：
(3)提高气缸内的平均有效压力 。
发动机增压技术，即利用增压器对空气或可燃混合气进
行压缩，然后送入发动机气缸的过程。经过增压，每次循环
进入气缸内的新鲜充气量的密度有所增大，使实际充气量增
加，从而提高了缸内的平均有效压力，最终达到提高发动机
功率，并改善经济性能的目的。
发动机增压系统分为机械增压系统、废气涡轮增压系统、
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21 汽车实用技术 2015年第8期
气波增压系统、复合增压系统。其中， 目前应用最为广泛的
当属废气涡轮增压系统。它充分利用发动机排出废气的动能
来实现增压的目的，其增压器与发动机没有机械连接，压气
机的运转则是通过由发动机废气驱动的涡轮来带动的。
2、废气涡轮增压器的基本结构以及工作原理
废气涡轮增压器分为轴流式和径流式两种。轴流式废气
涡轮增压器主要由单级离心式压气机与单级轴式涡轮机组成
为机组，径流式废气涡轮增压器主要由单级离心式压气机与
径流式涡轮机组成 。 。涡轮机和压气机共同组成了转子，它
~l']-者的工作轮是装在同一根转轴上的，转子运转的动力来
源于发动机排出废气的动能。
废气涡轮与压气机通常装成一体，便称为废气涡轮增压
器，其结构简单，工作可靠。废气涡轮增压器是利用发动机
排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮
的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，
在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸，其基本工作原理
如图1所示。一般来说，柴油机通过合理地加装废气涡轮增
压系统后，气缸内的压力可达180~200kPa，或300kPa左右，
可提高功率20％~30％ ，降低比油耗5％左右，有利于改善
发动机的动力性、经济性和排放性，因此得到了广泛的应用。
图1 废气涡轮增压器的基本工作原理
阔
3、废气涡轮增压器存在的问题及改进措施
3．1涡轮延迟
涡轮增压器在使用中常常会产生延迟现象。当急加速踩
下油门时，发动机的转速不会立即增加，而是需要几秒钟的
反应时间，这样就产生了延迟感 ，即踩下油门后，要先等
涡轮转速上升，然后车辆才会加速前进。
由于涡轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，因此可
以通过减少旋转件的重量，进而减小其惯性的方法来解决。
这样就使涡轮和压缩机能够更快地加速，从而更快地产生增
压。减小涡轮增压器的尺寸是减小涡轮及压缩机惯性的一个
有效方法。虽然小型涡轮增压器在发动机低转速时能更快地
产生增压，但在发动机处于高转速、更多空气进入时，却无
法产生更多的增压。另一方面，发动机高速运转时，会有更
多的尾气经过涡轮，且存在使涡轮转速过快的危险性。
大型涡轮可以在发动机高速运转时产生较多的增压，由
于其涡轮和压缩机偏重，从而导致加速缓慢，也会产生较严
重的涡轮延迟。
具体可以采取如下的方法来降低涡轮延迟：
多数涡轮增压器都有一个废气泄放阀，它使排出的废气
绕过涡轮叶片。废气泄放阀能感知增压压力，如果压力过高，
废气泄放阀就会指示涡轮旋转太快，此时废气泄放阀使一部
分尾气经过涡轮叶片，从而降低涡轮叶片的转速。因此，对
于小型涡轮增压器，可以通过采用废气泄放阀的方式，防止
发动机高速运转时涡轮旋转过快。
一些涡轮增压器采用高级材料制造出的高精度滚珠轴承
代替液压轴承来支承涡轮轴，用以应对涡轮增压器的速度和
温度 。涡轮轴旋转时，这类高精度的滚珠轴承承受的摩擦
力比大多数涡轮增压器液压轴承中的摩擦力要小。同时还允
许使用略小、略轻的轴。这样涡轮增压器加速时更快，进一
步降低了涡轮延迟。
有些涡轮增压器使用陶瓷涡轮叶片，因为它比钢制涡轮
叶片要轻。同样，这也能使涡轮能更快地加速，达到降低涡
轮延迟的目的。
有些发动机采用两个并联的不同尺寸的涡轮来代替一
个较大的涡轮。其中，较小的涡轮可以较快地加大转速，
降低涡轮迟时，而较大的涡轮能在发动机高速旋转时，产生
更多增压。
3．2进气膨胀
空气被压缩时，温度就会升高， 由于热胀冷缩的原理，
空气会发生膨胀。通过废气涡轮增压，空气在进入发动机前
就因压缩摩擦生热而产生了膨胀。增压度是表示发动机增压
后功率增长程度的物理量，其表达式如(公式2)所示：
： 旦：旦：
N p
(公式2)
式中 、 分别为增压前后的充气密度，由此可知，增
压度的大小取决于充气密度的提升程度。对于增压后的充气
密度而言，又有：
(公式3)
根据(公式2)和(公式3)可知，充气密度的提高，除了
通过提高进气压力外，还可以通过降低进气温度得以实现。
因此，为了提高增压效果，需要增设空气中间冷却器来对高
温的压缩空气进行冷却。进气中冷不但可以提高充气密度，
而且可以相对地降低排气温度，这对于降低发动机热负荷也
是有利的。
中间冷却器或进气冷却器的外观像散热器一样，不同之
处在于，空气同时从中间冷却器的内部和外部经过。经涡轮
吸入的空气通过密封管路流经冷却器，然而，由发动机冷却
风扇吹出的冷风流经它外部的散热片。
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2015年第8期 李仕存等：废气涡轮增压器的基本原理及改进措施 22
这样，压缩空气在进入发动机之前，会受到中间冷却器
的冷却作用，从而使更多的压缩空气进入气缸，并进一步提
升发动机的动力 。也就是说，如果涡轮增压器在337 kPa
的压力下运转，中间冷却器就会使压缩空气的压力降到比
337 kPa更低，这些空气密度更高，含有的空气分子的数量比
温度较高的同等压强的空气要多。
4、废气涡轮增压器设计制造的发展趋势
4．1采用现代化的设计方法和制造技术
在国外，运用计算机进行压缩机和涡轮的空气动力学计
算、流场分析以及结构设计的涡轮增压器的设计方法已经开
展了很多年。早在2O世纪60年代中后期，一些发达国家就
已开始运用计算机进行径流涡轮的空气动力学与三元流场的
分析，随后又运用计算机进行离心式压气机的空气动力学计
算、三元流场分析、叶轮及叶型设计、强度分析和性能预测
等。目前， 国外主要增压器生产企业都已拥有先进的
CAD／CAM，CFD和CAT系统，为了进行3．D粘性流动的建
模以及验证分析，这些生产企业还利用了有限元法以及先进
的激光测试技术。
近年来，增压器加工制造技术的发展也很快。早在20
世纪70年代末，国外在铸造小型后弯压气机叶轮时，已采用
“硅橡胶”技术：世界各大增压器生产企业于2O世纪8O年
代初期，先后推出了带有后弯压气机叶轮的新型增压器；KKK
公司采用五轴数控铣床对锻铝后的弯叶轮进行铣削加工，该
叶轮不但强度比铸铝好，而且在轮盘通道上保留有铣削刀痕，
可以减少二次流，有利于其性能的改善 。
4．2新材料的应用
将密度小、高温强度及抗氧化性好的钛铝合金材料运用
于涡轮增压器，可以减小涡轮的转动惯量，进而改善响应迟
滞特性，避免增压柴油发动机发生加速瞬间冒黑烟的现象。
与此同时，工程师正在紧锣密鼓地研制其它一些新型的轻质
合金材料。
另外，在增压器涡轮的材料方面也可以开发使用陶瓷材
质。由于陶瓷涡轮的质量较钢制涡轮要轻，同时能够将涡轮
箱的壁厚设计得比较薄，因而在满足包容性不变的前提条件
下，可以减轻增压器的质量。陶瓷涡轮与转轴的连接是陶瓷
涡轮技术需要解决的主要问题。
4．3可变截面涡轮增压器
通过采用涡轮增压器设置废气泄放阀的方式，可以改善
车用高速柴油机的低工况性能，但对应的高工况经济性不很
理想。为了提高涡轮增压器的经济性能，近十几年来，科研
工作者对可变喷嘴环截面涡轮增压器进行了大量研究，并取
得了很大的进步。
可变截面涡轮增压器可以根据增压柴油机外界负荷的变
化来调整喷嘴环叶片的角度，使进入涡轮叶片的气流参数发
生变化，进而导致压气机出口的增压压力发生变化，达到涡
轮增压器与柴油发动机在各种工况下实现优良匹配的目的。
可调涡流截面的导流叶片可在低转速、低排气量的工况下实
现关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统的涡轮增压器
相比，这极大地改善了低转速时的相应时间和加速性能，降
低了涡轮延迟。
5、结论
由于废气涡轮增压器在工作过程中存在响应延迟以及压
缩空气温度过高的现象，在设计时只有考虑到这些影响因素，
并通过相应的措施进行改进，才能达到提高发动机功率并改
善经济性能的目的。
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