65066部隊(duì)軍官訓(xùn)練教研室 黃安華 霍楓

65066部隊(duì)后勤部 楊世軼

The charging Technology is a means to utilize the energy,to save the energy and to reduce the emission.This paper has discussed the structure characteristics,working principle,advantages and disadvantages and the applications of the Turbocharging,Supercharging,Variable Geometry Turbocharging,Twin Turbocharging and the Turbocharging+Supercharging technologies.This paper has also pointed out the development direction of the future charging technology.

0 引言

與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)在其結(jié)構(gòu)和尺寸不變的情況下，功率和扭矩可提高20%～50%，如排量是1.8L的渦輪增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率接近甚至超過了2.4L的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，（與2.4L自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)相比）油耗明顯降低，污染物排放也顯著減少。在當(dāng)前國家節(jié)能減排的大背景下，新能源還不能完全替代傳統(tǒng)能源的情況下，內(nèi)燃機(jī)采用增壓技術(shù)無疑是提高傳統(tǒng)能源利用效率、節(jié)約能源的最佳選擇之一。

目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的增壓技術(shù)路線主要有五條：一是采用（單）渦輪增壓；二是采用機(jī)械增壓；三是采用可變截面渦輪增壓；四是采用雙渦輪增壓；五是采用機(jī)械增壓+渦輪增壓。不管是采用哪種增壓技術(shù)，其工作原理大致是相同的，只是其匹配和工作性能有所差異，其工作原理都是：把發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的空氣壓縮后再引入氣缸，壓縮后的空氣密度更大，單位體積所含的氧分子更多，按照理論空燃比混合，需要噴入更多的燃油，這樣就能在排量不變的情況下得到密度和質(zhì)量更大的可燃混合物，經(jīng)過燃燒后就能獲得更多的熱能，從而轉(zhuǎn)換出更大的動(dòng)力。另外，由于進(jìn)入的空氣量充足，其燃燒也更為徹底。

1 渦輪增壓

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

渦輪增壓（Turbo Charge）是目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用最多的一種增壓技術(shù)，如果在汽車上標(biāo)有Turbo或者T，即表明該車發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常在其后端安裝有一個(gè)廢氣渦輪增壓器。廢氣渦輪增壓器實(shí)質(zhì)是一個(gè)空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量。它主要由隔熱板、渦輪、噴嘴環(huán)、渦輪機(jī)外殼、轉(zhuǎn)子軸、全浮軸承、中間殼體、擴(kuò)壓室、壓氣機(jī)葉輪、壓氣機(jī)外殼等機(jī)件組成。渦輪室進(jìn)氣口與排氣岐管相連，排氣口接在排氣管上；壓氣機(jī)室進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進(jìn)氣岐管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和壓氣機(jī)室內(nèi)，二者用轉(zhuǎn)子軸剛性聯(lián)接，轉(zhuǎn)子軸兩端由兩個(gè)浮動(dòng)軸承支承。廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，排出的具有一定壓力的高溫廢氣沿著排氣岐管進(jìn)入渦輪室內(nèi)喇叭口形的噴嘴環(huán)上，提高噴射速度后按一定的方向噴射到渦輪上，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉(zhuǎn)速就越高，最高可達(dá)200 000r/min以上。廢氣通過渦輪直徑的中心部位流出，再經(jīng)過排氣管和消聲器排出機(jī)外。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)壓氣機(jī)葉輪也以相同的速度旋轉(zhuǎn)，將經(jīng)過空氣濾清器過濾的新鮮空氣吸入壓氣機(jī)室內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將吸入的空氣甩向葉輪邊緣，增加空氣的速度和壓力后，使其進(jìn)入形狀為進(jìn)口小出口大的擴(kuò)壓室，使空氣流速降低而壓力增大，再繼續(xù)通過斷面由小逐漸變大的環(huán)形壓氣機(jī)外殼，使壓力繼續(xù)升高，最后高壓氣流（180—200KPa）通過進(jìn)氣岐管進(jìn)入氣缸中。這樣就大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)，進(jìn)而增大氣缸內(nèi)的噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更大的功率和扭矩。

1.2 主要優(yōu)點(diǎn)

一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩可提高20%～100%，這樣小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，而且發(fā)動(dòng)機(jī)變得更輕，油耗更低，燃燒更徹底，排放的廢氣污染物也相對(duì)較少。另外，它不額外地消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使用經(jīng)濟(jì)性較好。

1.3 主要缺點(diǎn)

渦輪增壓器最大的缺點(diǎn)是渦輪遲滯。因?yàn)闇u輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器需要靠排氣能量驅(qū)動(dòng)，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣能量往往比較小，此時(shí)有可能無法驅(qū)動(dòng)增壓器，而且增壓渦輪越大，渦輪就越難以被驅(qū)動(dòng)，造成的結(jié)果就是，當(dāng)渦輪增壓器不工作（低轉(zhuǎn)速，1500～2500r/min以下）時(shí)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力甚至?xí)∮谝慌_(tái)同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，由于渦輪增壓器葉輪的慣性作用，葉輪對(duì)油門的驟時(shí)變化反應(yīng)滯后，通常會(huì)出現(xiàn)加速后動(dòng)力提升跟不上，而且在增壓器介入工作時(shí)動(dòng)力輸出有突兀感。其次是廢氣渦輪增壓器的工作溫度較高（600℃左右），對(duì)潤滑條件和使用要求也較高，同時(shí)較高的工作溫度會(huì)提高進(jìn)氣溫度，降低充氣密度，所以多數(shù)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了加裝冷卻器的方法來降低工作溫度，此技術(shù)稱之為渦輪增壓中冷技術(shù)。

1.4 應(yīng)用情況

渦輪增壓最早應(yīng)用在柴油機(jī)上，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在汽油機(jī)上的應(yīng)用也越來越多。盡管渦輪增壓技術(shù)還存在著很多的缺點(diǎn)，但其較高的工作效率使得各大汽車生產(chǎn)廠家對(duì)此項(xiàng)技術(shù)趨之若鶩，目前幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都有渦輪增壓版的車型，國內(nèi)最為推崇該項(xiàng)技術(shù)的是一汽大眾公司，如奧迪A4L2.0TFSI、寶來1.8T、速騰1.4TSI、邁騰1.8TSI等，此外常見的自主品牌渦輪增壓版車型有上汽榮威750（550）1.8T、MG61.8T、中華駿杰（尊馳）1.8T、長城哈弗2.5T、2.8T、華泰圣達(dá)菲C91.8T、奇瑞威麟V5 1.9TDDI、瑞麒G52.0T等。

2 機(jī)械增壓

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

機(jī)械增壓（Super Charge）與渦輪增壓的原理是一致的，只是其驅(qū)動(dòng)力的來源不同，渦輪增壓器的動(dòng)力來源是發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣，而機(jī)械增壓器的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力，它通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸相連接，以曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)的扭力帶動(dòng)增壓器工作。因而其結(jié)構(gòu)與渦輪增壓器也有所不同，目前常用的羅茲式機(jī)械增壓器主要由皮帶輪、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子等機(jī)件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在橢圓形的壓氣機(jī)殼體中裝兩個(gè)繭形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間保有極小的間隙而不直接接觸。兩轉(zhuǎn)子借由螺旋齒輪連動(dòng)，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)的皮帶輪連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時(shí)即放開電磁離合器以停止增壓。電磁離合器的開合則由計(jì)算機(jī)控制以達(dá)到節(jié)油的目的。

2.2 主要優(yōu)點(diǎn)

一是在低轉(zhuǎn)速時(shí)便可獲得增壓。只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，機(jī)械增壓器就可進(jìn)入工作狀態(tài)，即可獲得增壓效果，解決了渦輪增壓器只有達(dá)到了一定轉(zhuǎn)速時(shí)才能增壓和發(fā)生渦輪遲滯的問題。二是動(dòng)力輸出自然平緩。機(jī)械增壓的動(dòng)力輸出與曲軸轉(zhuǎn)速成線性，即隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，其動(dòng)力輸出也隨之增強(qiáng)，機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的操作感覺與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)極為相似，動(dòng)力輸出呈線性。三是工作溫度變化不大。機(jī)械增壓器的工作溫度為70～100℃之間，與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，使用保養(yǎng)沒有多大區(qū)別。

2.3 主要缺點(diǎn)

最主要的缺點(diǎn)是機(jī)械增壓增壓效率較低。機(jī)械增壓器由曲軸驅(qū)動(dòng)，始終在消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，盡管隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增壓壓力提高，但是增壓器本身的運(yùn)動(dòng)阻力又隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而增大，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的負(fù)荷增大，為此，機(jī)械增壓必須在增壓值與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷間取得平衡，以避免高增壓帶來的負(fù)面效應(yīng)。所以，機(jī)械增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)效率沒有渦輪增壓高。通常機(jī)械增壓的進(jìn)氣壓力一般為30～120kPa，很難突破150kPa，而渦輪增壓早已突破220kPa 的超高壓境界。

2.4 應(yīng)用情況

與渦輪增壓器相比，機(jī)械增壓目前在汽車上應(yīng)用相對(duì)較少，主要是個(gè)別高檔轎車，如奔馳C200K、路虎攬勝4.2的機(jī)械增壓版等。目前機(jī)械增壓在自主品牌的車型僅有搭載1.6L機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的瑞虎。

3 可變截面渦輪增壓

渦輪遲滯與增壓渦輪的尺寸有關(guān)。增壓渦輪越大，渦輪就越難以被驅(qū)動(dòng)，渦輪遲滯就越明顯；反之如果增壓渦輪很小，遲滯就會(huì)大幅度緩解。而渦輪尺寸又與增壓能量有關(guān)，小尺寸的渦輪雖然可以緩解渦輪遲滯，但是它能提供的增壓值不大，不利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。所以渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)只能采用折中的辦法來設(shè)計(jì)渦輪尺寸。為使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較好的增壓效果，在很多較高級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）。

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的核心是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，它安裝在廢氣進(jìn)口處的渦輪前面。該系統(tǒng)的原理是在普通渦輪增壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加渦輪導(dǎo)向葉片的調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過ECU電子控制單元控制導(dǎo)向葉片的角度，在低速時(shí)縮小導(dǎo)向葉片角度，提高渦輪轉(zhuǎn)速，減緩渦輪遲滯，在高速時(shí)讓導(dǎo)向葉片張開，加大與空氣的接觸面，大幅提升增壓值，從而獲得更大的功率和扭矩。

3.2 主要優(yōu)點(diǎn)

一是增壓效率提高，較好地解決了渦輪遲滯的問題。由于采用了“可變”技術(shù)，渦輪增壓器能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)較低的轉(zhuǎn)速下介入工作，不僅較好地解決了渦輪遲滯的影響，而且大大提高了增壓效率。二是動(dòng)力平順。由于降低了渦輪遲滯，帶VGT的車型在整個(gè)加速段沒有動(dòng)力陡增的情況，舒適性和安全性都有提高。三是油耗低。由于渦輪增壓器切入工作的時(shí)機(jī)提前，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下渦輪增壓器不工作而導(dǎo)致的不充分燃燒帶來的燃料浪費(fèi)，從而大幅度降低油耗，特別是在城市道路狀況下使用的油耗。

3.3 主要缺點(diǎn)

盡管可變截面渦輪增壓系統(tǒng)在一定程度上降低了渦輪的遲滯影響，但仍不能徹底消除。此外“可變” 技術(shù)設(shè)計(jì)、制造難度較大，生產(chǎn)成本較高。

3.4 應(yīng)用與發(fā)展

目前國內(nèi)采用可變截面渦輪增壓技術(shù)的汽車生產(chǎn)廠家還寥寥無幾，應(yīng)用VGT技術(shù)的車型主要有華泰圣達(dá)菲2.0T、中興無限V3、陸風(fēng)SUV X8、X9等。

4 雙渦輪增壓

為解決渦輪增壓器的渦輪遲滯的影響，在很多高級(jí)轎車上還采用了雙渦輪增壓技術(shù)。所謂雙渦輪增壓，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中采用兩個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)，雙渦輪增壓器有兩種安裝方式，一種是并聯(lián)，另一種是串聯(lián)。

4.1 并聯(lián)

4.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

并聯(lián)式雙渦輪增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣系統(tǒng)中平行安裝有兩個(gè)規(guī)格完全相同的渦輪增壓器，每個(gè)渦輪增壓器負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)半數(shù)氣缸工作。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，半數(shù)氣缸的排氣共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪增壓器，兩個(gè)渦輪增壓器同時(shí)工作，在一定程度上緩解了“渦輪遲滯”現(xiàn)象對(duì)汽車低速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率快速增加所造成的不良影響。

4.1.2 主要優(yōu)缺點(diǎn)

與單渦輪增壓器相比，其質(zhì)量較小，因此切入工作的時(shí)機(jī)提前，增壓反應(yīng)變快，在一定程度上降低了渦輪遲滯的影響。由于增裝了一個(gè)渦輪增壓器，也相應(yīng)地增加了安裝難度，結(jié)構(gòu)也變得比較復(fù)雜，而且也不能完全消除渦輪遲滯的影響。為了進(jìn)一步降低渦輪遲滯的影響，一些車型的雙渦輪增壓器采用了雙可變截面渦輪增壓器，這無疑使其結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，成本更高。

4.1.3 應(yīng)用情況

由于雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車動(dòng)力性能提升和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面所表現(xiàn)出來的突出優(yōu)勢，目前，包括寶馬在內(nèi)的多家汽車廠商都已經(jīng)在各自旗下的車型上采用了雙渦輪增壓的增壓型式。不過這種雙渦輪增壓安裝方式主要應(yīng)用在高級(jí)多缸（直列6缸和V型）發(fā)動(dòng)機(jī)的車型上，典型的代表車型有寶馬X6xDrive35i、寶馬335、 保時(shí)捷911 turbo、 邁巴赫57S/62S、 標(biāo)致6072.2LHDI、賓利歐陸GT極致等，目前國內(nèi)自主品牌的車型還沒有應(yīng)用。

4.2 串聯(lián)

4.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

通常是一大一小兩個(gè)渦輪增壓器串聯(lián)搭配而成。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，只有一個(gè)質(zhì)量小渦輪增壓器工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升以后，質(zhì)量大的渦輪增壓器開始介入工作，進(jìn)入高增壓值的狀態(tài)，提供一個(gè)連貫的強(qiáng)勁動(dòng)力。

4.2.2 主要優(yōu)缺點(diǎn)

這種雙渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，可以改善渦輪增壓的遲滯現(xiàn)象。但也不能完全消除渦輪遲滯現(xiàn)象，畢竟渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。另外，串聯(lián)安裝結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造成本高。

4.2.3 應(yīng)用情況

串聯(lián)安裝方式的雙渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)較少，僅在馬自達(dá)跑車RX-7的13B-REW發(fā)動(dòng)機(jī)上得以應(yīng)用。

5 機(jī)械增壓+渦輪增壓

5.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

鑒于雙渦輪增壓系統(tǒng)和可變截面渦輪增壓系統(tǒng)都不能徹底消除渦輪的遲滯問題，德國大眾汽車公司推出了機(jī)械增壓+渦輪增壓的新型進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，它能夠徹底消除渦輪遲滯的影響，該技術(shù)代表著未來發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展方向。以大眾高爾夫GT1.4TSI為例，其工作原理是：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械增壓器投入工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1500r/min時(shí)渦輪增壓器介入工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過3500r/min時(shí)，機(jī)械增壓器退出工作。

5.2 主要優(yōu)缺點(diǎn)

這種雙增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)很好地發(fā)揮了機(jī)械增壓和渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作全程內(nèi)實(shí)現(xiàn)扭矩和功率的提升，改善了起步加速，也具有充足的后勁，相對(duì)來說動(dòng)力損耗減低到最小，增壓效果最好，如高爾夫GT1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與2.3L自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)功率相當(dāng)，但燃油消耗能降低20%。但是這種雙增壓方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過高，機(jī)械增壓器每5萬公里就需要更換，而且對(duì)燃油品質(zhì)的要求也高，因此，大眾公司出于成本的考慮，在我國生產(chǎn)的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)取消了機(jī)械增壓而僅有渦輪增壓。

5.3 應(yīng)用情況

目前應(yīng)用這種雙增壓技術(shù)的主要是德國大眾汽車公司，應(yīng)用的車型有進(jìn)口版的大眾高爾夫GT、尚酷、CC以及大眾首款硬頂敞篷跑車EOS等。

6 結(jié)束語

綜上所述，單渦輪增壓雖然不能解決渦輪遲滯的弊端，但能夠大幅度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，同時(shí)燃燒徹底，降低排放，由于其技術(shù)開發(fā)難度相對(duì)不大，所以不管是柴油機(jī)還是汽油機(jī)均進(jìn)行了大量的應(yīng)用，隨著技術(shù)成本的不斷降低，將會(huì)有越來越多的中低端車型采用它。機(jī)械增壓很好地解決了渦輪遲滯的毛病，但消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，且使用成本較高，所以單獨(dú)使用該技術(shù)的車型不多?？勺兘孛鏈u輪增壓是對(duì)渦輪增壓的技術(shù)升級(jí)，它較好地解決了渦輪遲滯的不良效應(yīng)，是近期渦輪增壓技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向，但其技術(shù)開發(fā)難度相對(duì)較高，所以主要在一些中高端的車型上得以應(yīng)用，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用該技術(shù)的車型會(huì)越來越多。雙渦輪增壓也是為降低渦輪遲滯而進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)，但其技術(shù)開發(fā)難度大，適用的車型也少，主要在一些豪華型多缸車上采用。機(jī)械增壓+渦輪增壓很好地發(fā)揮了機(jī)械增壓和渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作全程內(nèi)實(shí)現(xiàn)扭矩和功率的提升，增壓效果最好，它將代表著未來發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展方向，目前它主要在德國大眾汽車公司得以大量應(yīng)用，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)有更多的汽車公司和車型使用這種增壓技術(shù)。

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