浅析涡轮增压技术

【摘 要】目前大部分的家庭轿车上都装配有涡轮增压系统，本文主要论述涡轮增压系统的概念及发展历程，以及不同增压系统的优缺点，并重点阐述了废气涡轮增压和电机涡轮增压这种目前应用较为广泛的增压系统。

【关键词】涡轮增压；废气增压；电机增压

1 增压的概念及发展历程

涡轮增压，其英文名字为Turbo，当我们在车辆尾部看到Turbo或者T这样的字母，表明该车采用的发动机就是涡轮增压发动机。

涡轮增压（Turbo Boost），是一种利用内燃机（Internal Combustion Engine）运作所产生的废气驱动空气压缩机（Air-compressor）的技术。

涡轮增压器最早应用于飞机引擎上，其发明者是瑞士工程师比希。直到1961年通用汽车公司才将涡轮增压器装在其生产的某种车型上。而20世纪70年代才真正成为涡轮增压器的一个转折点，当时装配增压发动机的保时捷911问世。但真正让涡轮增压技术焕发青春的是瑞典SAAB萨博公司，它在1977年推出的SAAB99车型将涡轮增压技术传播的更广，不过当时的涡轮增压器仅装配在小车的汽油发动机上面。直到80年代中期，欧美的卡车制造商才将涡轮增压技术应用在柴油机上，而国产车则是最近这几年才开始流行带涡轮增压器车型的。

2 涡轮增压的分类

涡轮增压从工作方式上大致可以分为以下几种类型：

（1）废气涡轮增压系统。发动机与增压器没有任何机械上的关系，其压气机主要利用发动机的废气来驱动涡轮维持动力。一般情况下，增压压力能达到 180～ 200kpa，甚至 300kpa，通过增设空气冷却装置给高温压缩空气实施冷却。从而应用发动机排出的废气达到增压目的。这种增压系统目前应用最为广泛。

其主要优点是：提高的功效比机械增压要大。

主要缺点：因油门的开启速度略快于发动机的动力输出速度，所以存在“涡轮迟滞”；另外发动机尾气从汽缸中被排出后需要推动涡轮，使废气在排气管道运动的过程中遇到阻碍，增加了排气背压，影响汽缸排气的顺畅性。

（2）机械增压系统。通过发动机的曲轴和皮带相连，发动机工作时，曲轴输出动力来增压器转子的旋转，空气被加压后吹到进气道中。

主要优点：由于发动机转速和增压器转子的转速是速度同步的，所以不会存在超前或滞后现象，发动机动力输出流畅而且稳定。

主要缺点：摩擦力大，动力消耗厉害，增压效率低。

（3）气波增压系统：是利用高压废气的脉冲气波来迫使空气压缩。

优点：增压性能好、加速性好。

缺点：整个增压装置比较笨重，不适合安装在体积较小的轿车里面。

（4）电机增压

其技术与废气涡轮增压技术相类似。与气动增压（汽波增压/废气增压）及机械增压的主要区别在于：增压的动力来源不同。气动增压是利用尾气增压，机械增压利用发动机的动力增压，电机增压则利用的是车载电池来带动电机—空气压缩器。目前此技术已经被应用于家庭轿车上。

优点：（1）与气动增压方式相比其运行性能更加稳定。

（2）原理及构造更加简单，改装方便。

（3）经济性价比高，可以节省很大的成本。

缺点：（1）增压功率相对较低。与机械增压和涡轮增压相比，因为车载电池的功率限制，一般增压只能增幅12%～16%。

（4）缩短车载电池的使用寿命。

（5）N2O增压（氮氧增压）

氮氧增压是将一氧化二氮（N20）强制灌入引擎中，一氧化二氮受热之后会分解成两个氮分子和一个氧分子，分解出来的氧分子就可以增加混合气中氧的浓度，使引擎产生更大的动力。

其与其他增压方式的是：氮氧增压是直接通过燃烧介质来增压的，而其他技术则是通过改变空气密度来实现增压的

优点：增压效率稳定，效率高，增压幅度大。

缺点：工作稳定性差。长时间使用会加快发动机寿命下降或者爆缸，会使车辆的零部件在超负荷工作状态下加速疲劳导致损坏。

（6）复合增压系统。在发动机上采用废气涡轮增压器的同时应用机械驱动式增压器。当然还有其他增压方式，如气波增压、惯性增压等。

从上述内容可以看出，涡轮增压的方式有很多种，不过目前车上使用较为广泛的两种增压方式分别为废气涡轮增压和电机增压，接下来本文就这两种增压方式进行讲解。

3 废气涡轮增压系统

3.1 定义

废气涡轮增压是进气增压的一种方式，增压器（增压过程中采用的压气面）是由发动机工作时排出的废气来带动的。利用发动机排出废气的惯性冲力来推动涡轮室内涡轮的旋转，，同时涡轮又带动同轴的叶轮旋转，由叶轮来压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压后进入气缸。当发动机转速增加时，废气排出的速度与祸轮的转速也同步增加，这样叶轮就可以压缩更多的空气进入气缸，使空气的压力和密度增大，因而可以燃烧更多的燃料，相应地增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后发动机功率及扭矩要增大20%～30%。

3.2 工作原理

涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气驱动涡轮旋转， 涡轮通过一根轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连。从而带动压缩机同步旋转，压缩机把经过空气滤清过滤的空气压缩到气缸中。在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。由于压缩机是一种离心泵，在它叶片的中心位置将空气吸入，在旋转的过程中将空气甩到外面。

涡轮增压器的一个主要问题是：当踩下油门时，发动机不能立即增压，而是需要几秒时间才能使涡轮提升转速，然后才能产生增压。这样就产生了增压延时，为了减少涡轮延时可以通过减少旋转件的重量来实现。这样就可以使涡轮机和压缩机能够更快地增压。 其中比较有效的方法是减少涡轮增压器的尺寸。

4 电机增压系统

4.1 定义

电动机械增压器与传统的机械空气压缩机没有任何关系，其提高动力输出的方式是通过向发动机气缸燃烧室内导入更多的空气和燃油。简单来说就像一个风扇，把可用空气加压后流入发动机进气系统。

4.2 工作原理

电动机械增压器是利用了一个开关磁阻电动机，该电机的转速每分钟可达上万转，直流电动机利用电能发挥其效用，其电能来自于蓄电池，由于直流电动机的使用，与由废气驱动的涡轮相比，电动机械增压器的涡轮增压器启动更迅速。 和普通涡轮增压器的工作方式相同，电动机械增压器也是压缩经空气滤清器过滤后的空气，然后再输送到气缸中完成更强劲的燃烧做功冲程。与常规进气增压系统存在的最大不同点是，电动机械增压器中的电动机使压缩机加速的旋转，而不是作用在排放废气上。

5 结论

本文通过对涡轮增压系统的发展历程回顾，并分析不同增压技术的优缺点，并重点阐述了废气涡轮增压技术和电机增压技术这两种常用的增压技术，旨在为想了解涡轮增压系统知识的人提供一定的参考。

【参考文献】

[1]蒋德明，编.内燃机的涡轮增压[M].机械工业出版社，1986.

[2]宋守信，编.内燃机增压技术[M].同济大学出版社，1993.

[3]王應红.发动机废气涡轮增压[D].太原理工大学，2004.

[责任编辑：薛俊歌]

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