王旭景

（德州市農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局，山東 德州 253013）

渦輪增壓技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的一種方式，目前已被廣泛采用。通過(guò)渦輪增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓使得燃料在汽缸內(nèi)得到更加充分的燃燒，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能，所以渦輪增壓技術(shù)符合了當(dāng)前節(jié)能減排的社會(huì)趨勢(shì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加裝渦輪增壓器已經(jīng)成為現(xiàn)在一項(xiàng)很重要的技術(shù)，因此，無(wú)論現(xiàn)在還是未來(lái)，對(duì)渦輪增壓技術(shù)的研究和渦輪增壓器的設(shè)計(jì)都具有非常重要意義。當(dāng)前世界對(duì)渦輪增壓技術(shù)的研究已相當(dāng)先進(jìn)，國(guó)內(nèi)對(duì)于渦輪增壓器也一直不斷地在深入的研究與推廣。國(guó)內(nèi)對(duì)大中型排量的發(fā)動(dòng)機(jī)基本已經(jīng)完成了普及，而對(duì)于小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在國(guó)內(nèi)技術(shù)尚有不足。隨著能源危機(jī)日益臨近，節(jié)能減排也越來(lái)越被人們所重視，因此，對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行渦輪增壓器的設(shè)計(jì)與安裝必將會(huì)得到人們的重視，針對(duì)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行渦輪增壓器的設(shè)計(jì)，具有非常重要的實(shí)際意義。

1 廢氣渦輪增壓器的作用

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不需要有大改變的情況下，可以使功率增加20%～30%，高增壓的效果更明顯甚至能達(dá)到100%；排出的廢氣能量可進(jìn)一步利用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高3%～4%；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可以增大轉(zhuǎn)矩，提高車輛裝載質(zhì)量，減少排氣噪聲，對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要意義。

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)都具有良好的性能。主要是增強(qiáng)掃氣效果提高進(jìn)氣效率，改善低工況性能，減少有害排放物。

2 廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)原理

渦輪增壓器實(shí)際上是對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，通過(guò)壓縮空氣增加進(jìn)氣的密度來(lái)增加進(jìn)氣量。然后利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的動(dòng)能來(lái)推動(dòng)廢氣渦輪，渦輪又通過(guò)中間軸來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)的工作葉輪，葉輪對(duì)空氣濾清器管道送來(lái)的空氣做功，使之壓力加大進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，排氣口排出的廢氣的速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪會(huì)把更多的空氣壓入氣缸，氣缸內(nèi)進(jìn)入的空氣壓力和密度增大可以讓更多的燃料在空氣量比較充足的環(huán)境中燃燒，燃料量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速做出響應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也會(huì)變大。廢氣渦輪增壓器中的壓氣機(jī)多采用離心式壓氣機(jī)，壓氣機(jī)出口壓力可達(dá)1.40-3bar，甚至可達(dá)到 5bar。

離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)一般由進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)蝸殼等部件組成。

2.1 進(jìn)氣道

進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)多采用軸向，氣流沿軸向直接進(jìn)入壓氣機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且流動(dòng)損失小。這種結(jié)構(gòu)在中、小型渦輪增壓器使用較多。

進(jìn)氣道的作用主要是導(dǎo)向，將進(jìn)氣口進(jìn)來(lái)的空氣導(dǎo)向壓氣機(jī)工作葉輪。漸縮形進(jìn)氣道能夠降低流動(dòng)損失，分為徑向進(jìn)氣道和軸向進(jìn)氣道兩種基本形式：本設(shè)計(jì)采用軸向進(jìn)氣道；徑向進(jìn)氣道的氣流開(kāi)始是沿半徑方向進(jìn)入進(jìn)氣道，然后再沿軸向進(jìn)入壓氣機(jī)工作葉輪，這種方式流動(dòng)損失較大，所以當(dāng)軸承外置的大型渦輪增壓器或其他裝置（空氣濾清器）的空間布置受限時(shí)，才采用這種形式。

2.2 壓氣機(jī)葉輪

空氣進(jìn)入壓氣機(jī)中，壓氣機(jī)的葉輪對(duì)空氣作功，它把廢氣渦輪通過(guò)中間軸傳遞來(lái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膲毫δ芎蛣?dòng)能。壓氣機(jī)葉輪分為導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪兩部分。中、小型渦輪增壓器與大型渦輪增壓器結(jié)構(gòu)形式不同，中小型渦輪增壓器導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪做成一體，大型的是將導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪裝配在一起。其中導(dǎo)風(fēng)輪的作用是使氣流導(dǎo)入葉輪入口，并且對(duì)葉輪的撞擊盡可能的降到最低。根據(jù)葉輪輪盤的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，壓氣機(jī)葉輪可分為開(kāi)式、半開(kāi)式、閉式以及星形等形式。

2.3 擴(kuò)壓器

壓氣機(jī)工作葉輪出口空氣具有較高的速度經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，空氣的速度降低壓力變大，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，所以擴(kuò)壓器效率的高低對(duì)壓氣機(jī)效率有著重要的影響。

車用小型渦輪增壓器經(jīng)常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)，所以廣泛應(yīng)用的無(wú)葉擴(kuò)壓器。無(wú)葉擴(kuò)壓器本質(zhì)上是一環(huán)形空間。無(wú)葉擴(kuò)壓器中氣流流動(dòng)跡線在任意直徑處與切向的夾角基本不變，也就是說(shuō)氣流在環(huán)形通道中基本上是沿對(duì)數(shù)螺旋線的軌跡流動(dòng)。無(wú)葉擴(kuò)壓器流量范圍比較寬，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造方便，成本較低。但其使用過(guò)程中也存在著氣流的流動(dòng)路線比較長(zhǎng)、產(chǎn)生的流動(dòng)損失大、效率低的缺點(diǎn)。

2.4 壓氣機(jī)蝸殼

從壓氣機(jī)出來(lái)的空氣經(jīng)工作輪做功，擴(kuò)壓器轉(zhuǎn)換后仍有較大的速度，在漸漸擴(kuò)張的蝸殼中空氣速度降低，動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能，所以，壓氣機(jī)蝸殼不但具有收集從擴(kuò)壓器出來(lái)的空氣的作用，也有一定的擴(kuò)壓作用。

3 廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢氣渦輪增壓器主要包括安裝在同一軸上的壓氣機(jī)和渦輪以及由中間軸、浮動(dòng)軸承、殼體等組成的中間體。壓氣機(jī)葉輪是高精密度的鋁合金鑄件，并通過(guò)有限元仿真、流線分析等設(shè)計(jì)得到葉片的形狀。為匹配車用發(fā)動(dòng)機(jī)，適應(yīng)車輛寬廣流量范圍，離心式廢氣渦輪增壓器一般都采用后彎式葉輪，無(wú)葉型擴(kuò)壓器。渦輪葉輪與高溫廢氣接觸所以需要用耐熱性高的合金材料，一般是鎳或鈷，并使用精密鑄造法整體鑄造成型。在渦輪殼通過(guò)噴嘴葉片環(huán)或葉片式噴管把廢氣導(dǎo)入渦輪葉輪。目前，一般采用具有噴嘴或噴管性能的蝸殼，即無(wú)噴嘴的渦輪殼。

廢氣渦輪根據(jù)廢氣流向可分為徑流式和軸流式兩類。在徑流式渦輪中，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣沿著與渦輪旋轉(zhuǎn)的中心軸線相垂直的平面徑向流動(dòng)。在廢氣的流量較小時(shí)，它的效率比較高，制造成本也較低，特別適用于一些小流量的廢氣渦輪增壓器。在軸流式渦輪中，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣直接沿渦輪旋轉(zhuǎn)的中心軸線方向流動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流量較大時(shí)，它的效率比較高，所以適用于大流量的廢氣渦輪增壓器。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)做的渦輪增壓器的設(shè)計(jì)，并在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改動(dòng)，優(yōu)化了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能。與自然吸氣的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)相比，裝有渦輪增壓器的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，提速快，動(dòng)力足，同時(shí)也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，也符合消費(fèi)者追求動(dòng)力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。