發(fā)動機增壓 《汽車》發(fā)動機資源池

發(fā)動機知識:發(fā)動機增壓

I、基礎知識：

一、增壓的可行性及特點

二、增壓的衡量指標

三、發(fā)動機增壓的種類

II、廢氣渦輪增壓

一、理論基礎

(-)廢氣能量的利用

(二)增壓空氣的中冷

二、壓氣機構造

三、離心式壓氣機工作原理

四、離心式壓氣機工作特性

五、渦輪機構造與工作原理

in、增壓的特點及與內燃機匹配

一、對車用增壓器的要求

二、增壓器與內燃機的匹配

w、車用內燃機增壓的特殊問題及改善措施

一、車用內燃機增壓的特殊問題

二、增壓內燃機優(yōu)化措施

I、基礎知識：

一、增壓的可行性及特點

內燃機的有效功率為：

式中：Pme---平均有效壓力（kPa）；

Vs---工作容積（n?）；

i----內燃機全缸數；

n----內燃機轉速（r/min）；

T一一沖程數。

要提高內燃機的單機功率，可通過提高內燃機的平均有效壓力Pme來實現。要提高平均

有效壓力Pme,通過控制過量空氣系數，提高充氣效率和增加進入氣缸的充氣密度，可以實

現提高內燃機的動力性。

內燃機采用進氣增壓，就是提高進入氣缸的充量密度的有效途徑，使進入氣缸的新鮮氣

量增加，這就可以燃燒更多的燃料，使平均有效壓力提高，從而提高有效功率。

增壓技術在柴油機上得到了廣泛的應用，汽油機增壓的許多問題也已經得到了成功的解

決。增壓發(fā)動的特點是：

1）功率相同時，發(fā)動機的空間尺寸減小，重量輕，對于提高發(fā)動機的經濟性更有意義。

2）在達到額定輸出功率時，摩擦損耗相對較小，在部分負荷時，增壓發(fā)動機的工況更接

近最大效率設計工況點。

3）通過增壓器的合理設計，可以將轉短特性改進為低速高轉矩，這對車用內燃機很有利。

4）隨行駛地區(qū)海拔高度升高而導致的功率下降（海拔每上升1000m功率下降10%）,可

通過增壓來彌補。

5）通過增壓可以使排放降低。對于增壓汽油機，通過最合適的燃燒室形狀設計和在渦輪

機內的后燃，可以降低HC值；在低負荷范圍可降低NOx,當然在高負荷時NOx會有所升高。

對于柴油機，增壓后NOx略有上升，但由于空氣過量，煙度有所下降。

6）降低噪聲。柴油機增壓后，由于混合器工作溫度升高，著火延遲期縮短，燃燒過程變

得柔和，對直噴式柴油機更為有利。另外，通過換氣管內的波動削平和消聲，也使噪聲減小;

表面輻射噪聲也有所下降。

7）經濟性得到改善。由于增壓后平均有效壓力提高，機械損失相對減少，在高負荷區(qū)，

機械效率得到提高；在低負荷區(qū)，由于進、排氣阻力和換氣損失增加，經濟性受到影響。在

相同功率時，增壓機比非增壓機的排量要小，機械損失也相對減小。因此，增壓機比非增壓

機的比油耗要小、等油耗的經濟運行區(qū)擴大；另一方面，排量不變時降低轉速，機械損失也

減小，熱效率得到提高。

8）增壓機的主要零部件的機械負荷和熱負荷增加。

二、增壓的衡量指標

衡量指標主要有增壓度和增壓比。

1、增壓度

增壓度4）是指內燃機在增壓后的標定功率和增壓前的標定功率的差值，與增壓前標定功

率的比值。增壓度表明增壓后功率增加的程度。

式中一增壓后、增壓前的標定功率。

增壓度取決于所采用的增壓系統(tǒng)，采用中冷可使

增壓度提高。汽油機的增壓度受到爆燃的限制。柴油

機的增壓度受燃燒最高壓力的限制，通常以降低壓縮

比來補償。

現代四沖程柴油機的增壓度可達3以上，而車用

柴油機的增壓度不高，一般只有0.1—0.6左右。因

為車用柴油機要同時考慮車輛的動力性、經濟性、排

放和成本等多方面要求。

2、增壓比

增壓比是指增壓器出口壓力與環(huán)境條件下大氣

壓力（或增壓器進口壓力）的比值，簡稱壓比，用錯誤!未找到引用源。表示。

Pb

式中錯誤!未找到引用源。一增壓器出口壓力；

錯誤!未找到引用源。一環(huán)境條件下大氣壓力。

通常錯誤!未找到引用源。＜0.15MPa為低增壓；0.15MP〈錯誤!未找到引用源。＜0.25MPa

為中增壓；0.25MPa〈錯誤!未找到引用源。＜0.35MPa,錯誤!未找到引用源。＞0.35MPa為超

高增壓。

三、發(fā)動機增壓的種類

按增壓的工作原理，內燃機增壓可分為：機械式增壓、容積式（進氣管）增壓、氣波增壓、

廢氣渦輪增壓及復合增壓。

II、廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓在1905年由瑞士人（Bechi）提出，20世紀20年代開始用于柴油機。近年

來，汽油機增壓也頗受重視，應用增多。

一、理論基礎

1、廢氣能量的利用

為了說明四行程汽油機廢氣能量利用情況，將其理論示功圖表示在圖右上。圖中3—a

為吸氣過程，進氣壓力為入錯誤!未找到引用源。；a-c-z-b是壓縮、燃燒、膨脹過程；b-5-4

是排氣過程，由于廢氣渦輪的存在，排氣背壓為錯誤!未找到引用源。；2-3-a-0為壓縮進入

氣缸所需之能量，由于錯誤!未找到引用源。3-a-5-4為充量更換正功；i—g'—3—2為壓

縮掃氣空氣所需之能量，故壓氣機消耗的總能量為i-g,-a-o?

在發(fā)動機排氣門打開時，氣缸中燃氣狀態(tài)為b如果讓這些燃氣在理想的內燃機或渦輪機

中不出現任何損失的完全膨脹到大氣壓力時，燃氣所具有最大作功能力為1-b-f（示功圖上

面積）它就是理論上有可能從廢氣中取得并用以作功的最大能量。

廢氣能量的利用與增壓系統(tǒng)的型式有關，一般廢氣渦輪增壓型有恒壓增壓系統(tǒng)和變壓增

壓系統(tǒng)（也稱脈沖增壓系統(tǒng)）兩種型式。

（a）恒壓系統(tǒng)（b）變壓系統(tǒng)

圖8-3廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種拓本型式

廢氣的全部能量E可以分為兩個部分：一部分為氣缸內氣體由壓力錯誤!未找到引用源。

膨脹到渦輪前氣體壓力錯誤！未找到引用源。的膨脹能錯誤！未找到引用源。，對應面積為

5-b-e-5o另一部分是氣體在渦輪內由壓力錯誤!未找到引用源。膨脹到大氣壓力錯誤!未找

到引用源。的膨脹能互錯誤!未找到引用源。，對應面積為e-f-i-g-e,其中包括i-g-4-2-i

面積所表示的掃氣空氣在渦輪中所作的功。

對于恒壓增壓系統(tǒng)是使所有氣缸的廢氣進入一個容量足夠大的排氣總管，以維持管中恒

定的壓力錯誤!未找到引用源。，見圖?，F在分析一下在恒壓增壓系統(tǒng)中渦輪作功的能量來源。

根據上述分析，渦輪作功來源由三個部分組成：1）面積i-g-4-2是掃氣空氣所給予的；

2）面積2-4-5T是活塞推出廢氣所作的功；3）真正從廢氣中取得的能量為面積l-5-e-f；因

此，廢氣所擁有的可用能量為1-b-f,而對恒壓增壓系統(tǒng)中面積為5-b-e-5的可用能量損失

掉了。這是因為廢氣從氣缸流入大容量的排氣總管時，排氣門處產生節(jié)流、渦流等損失。如

果排氣管處在絕熱的情況下，則動能錯誤!未找到引用源。的一部分轉變?yōu)闊崮?，使廢氣的

容積增加了AVle-e'）同時渦輪前的溫度升高，這樣渦輪功的面積將增加一個

e-e'-f'-f,這就是從損失5-b-e中的復熱回收部分。錯誤!未找到引用源。越高，則復熱

回收的比例越大。

變壓增壓系統(tǒng)是把排氣系統(tǒng)的容積作的盡量小，使壓力脈沖和動能損失盡量小。為此，

可用一個渦輪或幾個禍輪，安裝在盡量靠近相應的氣缸，同時把多缸機的排氣管分作幾個單

獨的支管以排除氣缸排氣的相互干擾，這時除可利用定壓廢氣能量錯誤!未找到引用源。外,

還可利用錯誤!未找到引用源。的一部分。這是因為排氣容積小且變化小，節(jié)流損失小。另

外排氣管截面較細，管中流速較高，部分動能也可以在渦輪中加以利用。通常用錯誤!未找

到引用源。表征脈沖增壓較恒壓增壓可多利用的廢氣能量程度，則

式中K一一能量錯誤!未找到引用源。的利用系數。

下圖示出了及f隨增壓比錯誤!未找到引用源。（錯誤!未找到引用源。一壓氣機出口

壓力，錯誤!未找到引用源。一壓氣機進口壓力）的變化關系。當錯誤!未找到引用源。大

于2.5時，錯誤!未找到引用源。值的變化較緩，說明脈沖增壓所得到的能量增益不大。

2、增壓空氣的中冷

根據式（8—1）可知要想提高發(fā)動機的功率則需提高進氣壓力加（增壓），但隨著錯誤!未

找到引用源。的提高則進氣溫度錯誤!未找到引用源。也隨之升高，它不但限制了發(fā)動機功

率的進一步提高，而且還將引起排氣溫度升高，熱負荷增加。為此，將從壓氣機出來的高溫

氣體經過在壓氣機與進氣門之間設置的中冷器1使空氣冷卻降溫后再送入到發(fā)動機氣缸中，

這樣增壓使錯誤!未找到引用源。增加，中冷使錯誤!未找到引用源。下降，從而使發(fā)動機

的功率得到更大的提高。其系統(tǒng)布置及工作路線如圖所示。根據一般車用汽油機的產品統(tǒng)計

可知：采用廢氣渦輪增壓其功率可提高30%—40%,增壓后中冷又可提高20%—30%左右。

因此在高性能車用發(fā)動機中都采用增壓中冷型式。

二、壓氣機構造

下圖為單級車用廢氣渦輪增壓器。左側為壓氣機，它由進氣道、壓氣機葉輪擴壓器和壓

氣機殼等組成。

1.進氣道

進氣道的作用是將氣流有秩序地導入壓氣機的工作葉輪進行壓縮。軸流式壓氣機進氣氣

流沿軸向進人工作輪，空氣進入工作輪時的損失較小，這種結構常用于小型增壓器。

2.壓氣機葉輪

葉輪的作用是在其旋轉時，使空氣在離心力的作用下，受到壓縮并甩向葉輪外緣，使空

氣的溫度、壓力和流速都增加。

葉輪的構造如下圖所示。其結構形式有半開式、開式和星形。

半開式葉輪葉片和輪盤相連，具有一定的強度和剛度，小型增壓機應用較多。

開式葉輪只有輪鼓和葉片，葉片兩端是敞開的，摩棕流動損失大，效率低，易引起振動,

目前較少采用。

星形葉輪是在半開式的基礎上發(fā)展起來的。這種結構能承受較高轉速，適用于高增壓機。

3.擴壓器和出氣蝸殼

擴壓器的作用是使流經葉輪后的氣流速度降低，從而進一步增加氣體的靜壓力。擴壓器

的型式有兩種：一種是入口小出口大的無葉擴壓器（縫隙式擴壓器）；另一種是葉片式擴壓器

兩種。

出氣蝸殼的作用是收集氣體，并將其引入增壓器的進氣管，同.時繼續(xù)壓縮氣體，使從

擴壓器出來的氣體再一次降低流速，以提高氣體的靜壓力。

圖8-4廢氣渦輪增建器

1一國鼠機死體2—壓氣機葉輪3-搞冷機亮體

4一憫輪5-支座6—獷壓器

氣速,增到量的和隨

氣高

，。流到找流比比率

降和升達未比壓壓效

形!

下力度，壓增增和

斂溫誤

有壓缸的。，比

收及錯

B為賂，氣機小時壓

壓力速

式度絳和氣減小增

才多壓轉

形溫外管壓漸減，

片道、、4

的葉和輪氣為2.逐量小

券）氣度量0

b力葉進稱比流減

樂進密流2

壓到的，2.壓機續(xù)

擴I！因的八0

其甩機系增氣繼

6壓,氣0

-），燃源關2.，壓

V并空0量

8葉4

換縮，內用化性勢當流

無—S

圖交引變I特趨，；

）8壓能入0

?量

熱，送到的彎下值

圖壓6流

1.

見有用為氣找量0比下速大

沒作流呈轉最

參轉空未4感

（!1.

界的分將氣0機線定達

輪誤氣

外力部后空2曲一率

葉與心然錯隨1壓，在效

大0式

入比。加。、

量離能，。率0心

進壓1

充受動速源效0離增大比

向增的越壓

時流其降用和87

鈾此氣壓是比0-量比增

將引0

形道，使，增數壓8流壓，

式星?到6

氣加，器參0圖著增時

形）輪理續(xù)性找增0

c一進動作，值

粒3增壓繼未的隨

式原特4

葉沿有轉擴，工!機0，高某

片0

機升作氣略輪人后作要誤氣看越到

氣）葉。

b-工空度葉進殼工主錯壓線速小

壓2示

式機，速于后渦機的率，曲轉減

5盤所

-開時，由入機效下速，量

匏氣然氣7

s8半壓作時，。進壓氣熱速—轉關流

）一

圖?I式工道后長。式壓絕轉8等有當

器氣輪增低。式和同圖中速；

心壓進葉的降的心心。不如圖轉加

離增經入大速目離離源在，從與增

、流進較流的、用性小率

三流流有而壓四引特大效

之又降低。當流量減小到一定值后，氣體進入工作葉輪和擴壓器的角度偏離設計工況，造成

氣流從葉片或擴壓器上強烈分離，同時產生強烈脈動，并有氣體倒流，引起壓氣機工況不穩(wěn)

定，導致壓氣機振動，并發(fā)出異常響聲，稱為喘振。將各轉速下的喘振點連接起來；構成一

條喘振邊界線。喘振線的左邊為不穩(wěn)定區(qū)域，壓氣機只能在喘振線右側工作，即小供氣量時，

不能達到高增壓比。

從特性曲線中的等效率曲線來看，中間是高效率區(qū)。高效率區(qū)一般比較靠近喘振邊界線，

從中心向外，效率逐漸下降，特別在大流量低增壓區(qū)，效率下降很多。

五、渦輪機構造與工作原理

徑流式渦輪機主要由進氣渦殼，工作輪及出氣道等組成（參見圖8—4）。

進氣渦殼把發(fā)動機與增壓器連接起來，并使發(fā)動機的廢氣均勻地進入渦輪。在渦殼與工

作輪問裝有導向葉片（吸嘴環(huán)），其作用是將廢氣的壓朗有效地轉換為動能，使氣流具有一定

的方向和較均勻地高速進入工作輪。高速運動的氣流沖擊著渦輪機的工作輪，使其高速旋轉，

并帶動壓氣機工作。

m、增壓的特點及與內燃機匹配

一、對車用增壓器的要求

與車用內燃機相匹配的渦輪增壓器應滿足以下要求：

D盡量小的轉動質量。車用機變工況多，起動性、加速性必須良好，因而增壓器轉子的

轉動慣量要小。

2）最佳的渦輪轉速比。渦輪的效率與其速比有密切關系。速比最佳時，渦輪效率最高。

變工況時，由于轉速和進口廢氣狀態(tài)變化，速比也發(fā)生變化，使禍輪效率下降。在葉輪尺寸

較小的情況下，只有提高溫輪機的轉速。一般中等噸位的車用發(fā)動機增壓器的轉速，在每分

鐘10幾萬轉以上，轎車則可達25萬轉以上。

3）寬廣的壓氣機高效區(qū)。車用內燃機流量變化范圍較寬，而壓氣機的效率和壓比隨工況

變化會明顯下降，高效區(qū)很窄。

4）較強的變工況適應性。車用內燃機工況變化大，導致渦輪噴嘴環(huán)出口的氣流速度發(fā)生

變化，則葉輪入口相對速度的方向和大小均發(fā)生變化，而入口導向葉片的幾何角度不變，氣

流將偏離最佳設計方向，使產生的沖擊損失較大，影響渦輪效率。這種現象在有葉噴嘴上反

映敏感，在無葉噴嘴上卻比較遲鈍。所以，車用增壓器宜采用無葉噴嘴渦輪，以增強工況的

適應性。另外，為了滿足車用內燃機低速下轉矩和排放指標的要求，近年來還采用變截面增

壓器。

二、增壓器與內燃機的匹配

要使增壓器獲得良好的性能，渦輪增壓器與發(fā)動機必須很好地匹配：

1）在標定工況，必須達到預期的增壓壓力和空氣流量，以保證有足夠的過量空氣，使燃

燒完善。同時，要求渦輪前的徘氣溫度不能超過預定值，以保證熱負荷和機械負荷不致過高。

2)低工況時，保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求。

3)增壓器對運轉范圍的適應能力較強，渦輪機應允許在較寬廣的范圍運轉較大，高效率

區(qū)在整個工作范圍不發(fā)生喘振和渦輪機阻塞現象。

IV、車用內燃機增壓的特殊問題及改善措施

一、車用內燃機增壓的特殊問題

1.柴油機增壓的特殊問題

(1)熱負荷增加增壓柴油機進氣的溫度是壓氣機出口溫度的函數，比非增壓機高至少

60-80℃o由于壓縮初溫升高，致使各工作循環(huán)的溫度相應上升。同時，循環(huán)供油量增加后,

轉變?yōu)橛杏霉Φ臒崃亢蛽p失的熱量都隨著增加，表現于機油溫度、冷卻水溫度及排氣溫度顯

著提高。

對于渦輪增壓器來說，也存在熱負荷過大問題，有關的零部件會因熱負荷大而加速損壞。

隨著增壓速度的提高，熱應力的問題將會更加突出。

(2)機械負荷增加隨著進氣壓力的增高，柴油機的燃燒最高壓力也要增大。進氣壓力

每增加0.IMPa,燃燒最高壓力就增加0.868MPa,壓力升高率劇增，柴油機的機械負荷增

加很多。

(3)低速和加速排氣冒煙柴油機在低速運轉時，由于慣性作用，空氣增壓較差，柴油

棚，杯低諫區(qū)是官油燃燒，易冒黑煙。在加速時，由于慣性使壓氣機供氣滯后，也會出現冒

煙現象。

2.汽油機的特殊問題

汽油機增壓以后，除了熱負荷增加和機械負荷增加外，由于汽油機工況變化范圍更大，

并采用點燃式著火方式，增壓所帶來的問題更為特殊。

(1)爆燃傾向加大汽油機增壓后，由于熱負荷的增加，進、排氣溫度升高，加上不能

加大掃氣來冷卻受熱零件，使熱負荷更高。如果不改變壓縮比和使用高辛烷值的汽油，爆燃

的傾向加劇。

(2)汽油機速度變化范圍大。整個速度范圍內的功率差別大，使渦輪增壓器的匹配更難。

(3)瞬態(tài)響應更差。由于汽油機增壓直接影響空氣和燃油量，因此，對速度變化的瞬態(tài)

響應更差。

二、增壓內燃機優(yōu)化措施

由于廢氣渦輪增壓可以明顯地提高發(fā)動機的動力性能，降低比油耗及排放污染，徑小于

100mm的汽車發(fā)動機也越來越多地采用增壓技術。為獲得較為理想的效果，動機必須采取相

應的措施，才能完善其性能。

1.增壓柴油機的優(yōu)化措施

（1）降低熱負荷降低熱負荷的主要措施有增加冷卻掃氣量、溫度等?，F代缸降低壓縮

空氣溫度和排氣

1）適當增大進排氣門的疊開角，每增加10°疊開角，可降低排氣溫度5匕左右。但疊開

角過大，會發(fā)生活塞與氣門相碰現象。

2）增大氣門登開期內進、排氣管壓差，每增加壓差O.OIMPa,每循環(huán)每氣缸可增加掃氣

量0.02g。增大壓差的主要途徑是合理設計進、排氣歧管，增大進排氣門的時間（截面）。

3）增壓中間冷卻，壓縮空氣每降低燃燒最高溫度可降低2—3（。因此，對增壓空

氣進行中間冷卻，冷卻后的壓縮空氣進入進氣管。中間冷卻使發(fā)動機進氣密度進一步提高，

在不增加熱負荷的情況下，可提高功率12%—15%,同時還有利于降低NOx的排放。

4）強化冷卻系統(tǒng)。改善機油冷卻條件和曲軸箱通風，增大機油散熱器散熱面積；改善冷

卻系工作條件，適當調整水泵容量，提高水泵轉速，增大散熱水箱散熱面積，增大風扇直徑

等。

5）改善供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)。柴油機增壓后，循環(huán)供油量增大。適當調整供油系統(tǒng)、合

理組織燃燒過程，對降低熱負荷很有作用。可以通過縮短供油時間、強化燃撓室中油氣的混

合，適當降低供油提前角，使滯燃期縮短，工作柔和。

（2）降低機械負荷的措施

1）適當降低壓縮比，可以降低燃燒最高壓力，從而對降低機械負荷有利。

2）適當減小供油提前角，使燃燒的最高壓力下降，既減小了熱負荷，又緩解了機械負荷。

3）調整渦輪增壓器，適當增大噴嘴環(huán)面積，使增壓器轉子轉速下降，壓氣機出口壓力降

低，柴油機最大爆發(fā)壓力減小，機械負荷減小。還可適當增大壓氣機及渦輪的渦殼來調整壓

縮比、流量及效率范圍，以優(yōu)化匹配。

4）優(yōu)化供油系統(tǒng)。

5）采用特殊結構，如：可變壓縮比增壓系統(tǒng)、變截面增壓器、低溫高增壓系統(tǒng)、冒煙*

限制器等。

2.增壓汽油機的優(yōu)化

汽油機增壓的主要問題是爆燃傾向加劇，應有效地消除草成小爆燃。

1）采用辛烷值高的燃料或降低壓縮比。

2）采用廢氣再循環(huán)，降低燃撓最高溫度和壓力。

3）燃燒室設計更緊湊。

4）采用中間冷卻技術，降低充氣溫度。

5）選擇適當的增壓度。

首先來介紹一下渦輪的歷史，說到渦輪增壓技術，它已經有100多年

歷史了。在1905年AlfredBuchi博士就申請了第一款渦輪增壓器的

專利-動力驅動的軸向增壓器。而世界上最早的由廢氣驅動的渦輪增

壓器出現在上個世紀的1912年，已經快有100年的歷史了，最出的

機械化批量生產出現在第二次世界大戰(zhàn)時期的1944年，是當時的參

戰(zhàn)國美國首先將其運動到軍用戰(zhàn)斗機上的。到了1961年，小轎車開

始試探性地安裝增壓器，但因為瞬間產生的巨大壓力和熱量，使安裝

后效果并不理想。而世界上最早將源于航空領域的渦輪增壓器技術應

用到民用汽車領域的汽車制造商就是Saab薩博，Saab薩博作為通

用汽車最具個性化特色的品牌，來自瑞典、成立于1937年，SAAB就

是“瑞典飛機公司”(SvenskaAeroplanAktiebolaget)的字頭縮寫，

全球第一款渦輪增壓汽車發(fā)動機更是出自薩博之手，1977年問世的

Saab薩博99汽車，使汽車發(fā)動機在應用渦輪增壓技術上，真正開始

走向成熟，它的到來同時宣告了汽車產業(yè)一個新時代的誕生。渦輪增

壓技術改寫了“排量大小決定功率”的傳統(tǒng)概念。憑借近70年制造

飛機的技術和經驗，薩博造就了具有獨特的北歐風格、從造型到性能

都充滿個性的運動型轎車。渦輪增壓發(fā)動機不僅在功率和扭矩的性

能數據上有出色的表現，更能在日常使用中享受到同排量車無法匹敵

的動力輸出。Saab薩博9-3Vector2.0TS就是這么一款車，裝備了

2.0升強渦輪增壓發(fā)動機的Saab薩博9-3Vector2.0TS可以在5300

轉時輸出驚的155kW的功率，這一指標幾乎已經趕上普通轎車3.0排

量的自然進氣發(fā)動機。也就是說在某一程度上，這款四缸發(fā)動機的產

品所產生的功率與普通六缸發(fā)動機是等效的，這樣帶來的優(yōu)點很明

顯，不僅不需要為了追求高速率來花更多的費用購買大排量汽車，并

且發(fā)動機工作時噪音更小，而且采用分量較輕的發(fā)動機對降低整車重

量、減少油耗更是大有益處。其實渦輪增壓發(fā)動機有這么多的優(yōu)點，

但它的核心部分簡單說就是一個氣泵，從發(fā)動機排出來的廢氣來驅動

渦輪增壓器一側的葉片，當這一側的葉片加快旋轉速度時，另一側的

葉片也在同步加速，從而大大增加了進入發(fā)動機燃燒室的進氣量。雖

然原理簡單但實際上它是很復雜和精密的，不僅需要內部配件的嚴密

配合，渦輪增壓器還要與發(fā)動機嚴密匹配，否則就會降低發(fā)動機的效

率甚至造成損壞。

什么增壓器？簡單地說，它就相當于一個鼓風機，將更多新鮮空氣壓

入發(fā)動機的燃燒室，改善燃燒效率，從而在不改變發(fā)動機工作容積的

情況下提高動力輸出。一臺發(fā)動機上既然可以存在機油泵、汽油泵、

水泵、轉向助力泵等用來“搬運”各種液體的設備，為什么不可以再

增加一個“空氣泵”呢？不過這聽起來好像很淺顯，將其從理論變?yōu)?/p>

現實的過程可就曲折多了。

其實早在內燃機剛剛發(fā)明不久后19世紀末期，德國人就產生了

類似的念頭。不過嚴格來說，最早的機械增壓器應該是在20世紀最

初十年內由美國人查德維克開發(fā)出來的，而第一個由廢氣驅動的渦輪

增壓器則是由瑞士人AlfredBuchi博士于1909年研究出來的。渦輪

增壓器的英文名稱Turbocharger也是為了與Supercharger有所區(qū)

分?？上г诋敃r，這一概念并未被多數人所接受。

直到數年后，能為發(fā)動機帶來更多動力的增壓器才開始逐步進入

實用階段。1925年，兩艘德國船只上首次成功應用了2000馬力的渦

輪增壓柴油機，這也促使Buchi博士的廢氣渦輪增壓器很快在歐洲、

美國和日本獲得了生產權。從20世紀30年代開始，增壓器被大量運

用到船只、有軌機動車及固定式機器。

不過，增丈夫器歸初的廣泛應用卻是在航空工業(yè)。第一次世界大

戰(zhàn)期間，為了讓飛機（當時都是活塞式發(fā)動機）獲得更快的速度和更高

的升限，軍用飛機率先試探性地使用了這兩種不同的增壓裝置。不久

之后爆發(fā)的第二次世界大戰(zhàn)進一步刺激了技術方面的長足進步。最著

名的采用渦輪增壓技術的大概就是二戰(zhàn)末期轟炸柏林的主力轟炸機

型B17“空中堡壘”了，其動力系統(tǒng)安裝了通用電器公司生產的渦輪

增壓器和Garrett生產的冷卻器。而生產航空發(fā)動機的勞斯萊斯則以

機械增壓器著稱，英軍主力戰(zhàn)斗機“噴火”和轟炸機“蘭開斯特”，

以及美軍的P51“野馬”戰(zhàn)斗要等，都裝有二戰(zhàn)期間最出色的勞斯萊

斯“灰背隼”發(fā)動機。

至于在汽車領域的應用，機械增壓器無穎更先得到青睞，產品成

熟也相對早很多。20世紀20-30年代，當價格高昂的渦輪增壓器仍

然只被用在航空領域時，機械增壓器已早就橫掃歐美各大賽道了。那

個年代知名度最高的兩部賽車分別來自AUT0UNI0N（奧迪的前身）和奔

馳。AUT0UNI0N在賽車上安裝了一臺增壓值為1.8巴的兩級機械增壓

6.0升發(fā)動機，壓縮比9.2：1,并以甲醇作為燃料，在5000轉/分時

可輸出520馬力的最大功率，另一部同樣采用兩級機械增壓器的奔馳

M125則能釋放出646馬力。

渦輪增壓器進入汽車愛好者的視野已是數十年以后的事情了。進

入50年代，GRANDPRIX大獎賽規(guī)則進行了修改，使得法拉利的自然

進氣發(fā)動機逐漸在歐洲賽場顯現統(tǒng)治地位，機械增壓器開始從賽場上

引退，并從此大量進入了高性能改裝車市場。由于沒有功率限制，很

多公司陸續(xù)生產了更強力的機械增壓器，而唯一對這種裝置的制約可

能就是價格了。

60年代對機械增壓器貢獻最大的應屬美國。隨著小型化機械增

壓器的大批出現和可以直接安裝到發(fā)動機上的便利性，追求大功率的

車迷對V8發(fā)動機進行改裝后往往都會再安上一個夸張的機械增壓

器。這期間最具代表性的可能就是McCulloch和Frenzel等企業(yè)了。

進入70年代后，為了能在NASCAR比賽中與雪佛蘭的V8發(fā)動機一爭

高下，福特請McCulloch為其專門設計機械增壓器，而400米直線競

速也推動了增壓發(fā)動機風靡美國市場。

很明顯，渦輪增壓器的使用歷史遠沒有機械增壓器那么輝煌顯

赫。直到20世紀50年代，航空燃氣輪機的出現帶動了耐熱材料的發(fā)

展和開發(fā)高溫材料的精密鑄件技術的重大革新，對渦輪增壓器的發(fā)展

產生了意義深遠的影響。此外，滑動軸承的發(fā)明也為其進一步發(fā)展打

下了基礎。借助于滑動軸承，目前廢氣渦輪增壓器的轉速普遍能達到

150000-170000轉/分，這是傳統(tǒng)的滾珠軸承難以企及的。

以生產航空渦輪增壓器著稱的Garrett公司最終解決了渦輪增

壓器的技術屏障，推動了渦輪增壓器進入民用汽車市場。不過當60

年代渦輪增壓器第一次使用于雪佛蘭民用車上時，幾乎是以悲劇收場

的，它因可靠性較差很快退出了市場。不過在商用車領域，渦輪增壓

器的發(fā)展歷程倒是相對順利。從50年代，康明斯、沃爾沃和斯堪尼

亞等主要的發(fā)動機制造商開始研究在卡車上運用廢氣渦輪增壓器技

術，而德國工程師kurtBeirer設計出了一臺結構緊湊的廢氣渦輪增

壓器，解決了自身體積過大，并在柴油卡車上得到廣泛運用。

渦輪增壓器真正在民用柴油車上大批使用已經是70年代了，奔

馳300SD和大眾高爾夫增壓柴油版是當時最具代表性的車輛了。使用

渦輪增壓器也突然變?yōu)榉浅r髦的事情，各公司都有起碼一款高配置

的車型使用該裝置，甚至被視為高科技和高檔的象征。那個時代下誕

生了不少即使現在看來仍十分經典的車型，比如1973年款寶馬

2002Turbo,1974年款保時捷911Turbo,以及稍晚的薩博900Turbo

等等，甚至法拉利都推出過幾款渦輪增壓車型。

二十多年后的今天，增壓器已不再單純地用來提升運動性能，同

樣也是改善燃油經濟性和降低排放污染物的有效手段，因為它能直接

有效地優(yōu)化燃燒效率。不過正如你可能了解到的，直到目前炎上，增

壓器在汽油機上的運用遠不如在柴油機上廣泛，因為從技術特性來

看，柴油機更需要增壓器的幫助。

汽油機比柴油機增壓困難的原因

汽油機增壓比柴油機增壓要困難的多，其主要原因是：

1）汽油機增壓后爆燃傾向增加。

2）由于汽油機混合氣的過量氣系數小，燃燒溫度高，因此增壓后汽

油機和渦輪增壓器的熱負荷大。

3）車用汽油機工況變化頻繁，轉速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓

器與汽油機的匹配相當困難。

4）渦輪增壓汽油機的加速性較差。當節(jié)氣門突然開大要求混合氣量

迅速增加時，卻由于增壓器轉子的慣性，使增壓器加速遲緩，發(fā)動機

進氣量的增加將滯后一段時間。完全消除渦輪增壓器對發(fā)動機工況變

化的影響滯后現象比較困難。

采取的措施

1）在電控汽油噴射式發(fā)動機上實行汽油機增壓，解決了發(fā)動機與渦

輪增壓器匹配的困難。應用電控技術可以極其方便地對汽油機增壓系

統(tǒng)進行爆燃控制，放氣控制和排放控制等。

2）應用點火提前角自適應控制，來克服由于增壓而增加的爆燃傾向。

利用裝在發(fā)動機上的爆燃傳感器檢測爆燃信息，并將其傳輸給電控單

元（ECU）,電控單元則發(fā)出指令推遲點火以消除爆燃。待爆燃消除后,

自適應地逐步加大點火提前角，使發(fā)動機在比較理想的狀況下工作。

3）對增壓后的空氣進行中間冷卻。這樣對提高功率，降低油耗，降

低熱負荷和減輕爆燃都十分有利。

4）采用增壓壓力調節(jié)裝置。渦輪增壓發(fā)動機的低轉速轉矩小，加速

性差。為了獲得低速、大轉矩和良好的的加速性，轎車由渦輪增壓的

設計轉速常為標定轉速的40%。但在高轉速時，增壓壓力將會過高，

增壓器可能超速。過高的增壓壓力使汽油機熱負荷過大并發(fā)生爆燃,

為此必須采用增壓壓力調節(jié)裝置，以控制增壓壓力。最為簡單而又十

分有效的這類裝置是進排氣旁通閥或放氣閥。

增壓就是將空氣預先壓縮然后再供入氣缸，以期提高空氣密度、增加

進氣量的一項技術。由于進氣量增加，可相應地增加循環(huán)供油量，從

而可以增加發(fā)動機功率。同時，增壓還可以改善燃油經濟性。實踐證

明，在小型汽車發(fā)動機上采用渦輪增壓或機械增壓，當汽車以正常的

經濟車速行駛時，不僅可以獲得相當好的燃油經濟性，而且還由于發(fā)

動機功率增加，可以得到駕駛人所期望的良好的加速性

第一節(jié)概述

增壓有渦輪增壓、機械增壓和氣波增壓等三種基本類型。實現空氣增

壓的裝置稱為增壓器。各種增壓類型所用的增壓器分別稱為渦輪增壓

器、機械增壓器和氣波增壓器。

機械增壓器由發(fā)動機曲軸經齒輪增速器驅動，或由曲軸齒形傳動帶輪

經齒形傳動帶及電磁離合器驅動。機械增壓能有效地提高發(fā)動機功

率，與渦輪增壓相比，其低速增壓效果更好。另外，機械增壓器與發(fā)

動機容易匹配，結構也比較緊湊。但是，由于驅動增壓器需消耗發(fā)動

機功率，因此燃油消耗率比非增壓發(fā)動機略高。

排氣管

齒輪增速器乜

齒輪驅動齒形帶驅動

機械增壓示意圖

渦輪增壓器由渦輪機和壓氣機構成。將發(fā)動機排出的廢氣引入渦輪

機，利用廢氣所包含的能量推動渦輪機葉輪旋轉，并帶動與其同軸安

裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內增壓后進入氣缸。渦輪增

壓也稱排氣渦輪增壓，渦輪增壓器與發(fā)動機沒有機械的聯系。渦輪增

壓的優(yōu)點是經濟性比機械增壓和非增壓發(fā)動機都好，并可大幅度地降

低有害氣體的排放和噪聲水平。渦輪增壓的缺點是低速時轉矩增加不

多，而且在發(fā)動機工況發(fā)生變化時，瞬態(tài)響應差，致使汽車加速性，

特別是低速加速性較差。

渦輪增壓示息圖

氣波增壓器中有一個特殊形狀的轉子，由發(fā)動機曲軸帶輪經傳動帶驅

動。在轉子中發(fā)動機排出的廢氣直接與空氣接觸，利用排氣壓力波使

空氣受到壓縮，以提高進氣壓力。氣波增壓器結構簡單，加工方便，

工作溫度不高，不需要耐熱材料，也無需冷卻。與渦輪增壓相比，其

低速轉矩特性好，但是體積大，噪聲高，安裝位置受到一定的限制。

目前，這種增壓器還只能在低速范圍內使用。由于柴油機的最高轉速

比較低，因此多用于柴油機上。

氣波增壓示意圖

第二節(jié)機械增壓

一、機械增壓系統(tǒng)

電控汽油噴射式發(fā)動機上所采用的一種機械增壓系統(tǒng)示意圖。圖中機

械增壓器6為羅茨式壓氣機，由曲軸帶輪12經傳動帶和電磁離合器

帶輪11驅動增壓器6工作。空氣經增壓器增壓后再經中冷器7降溫,

然后進入氣缸。當發(fā)動機在小負荷下運轉時不需要增壓，這時電控單

元(ECU)17根據節(jié)氣門位置傳感器3的信號，使電磁離合器斷電，增

壓器停止工作。與此同時，電控單元向進氣旁通閥5通電使其開啟，

空氣經旁通閥及旁通管道進入氣缸。爆燃傳感器9安裝在發(fā)動機機體

上，它將發(fā)動機發(fā)生爆燃的信號傳輸給電控單元，電控單元則發(fā)出相

應的指令減小點火提前角，以消除爆燃。

1-空氣洗酒器；2-空氣流量計；3-節(jié)氣門及節(jié)氣門位置傳感器；4-怠速空氣

控制液；6進氣旁通同；6-機械增壓器；7-中冷器；8-噴油器；9-爆便傳感

器：10-冷卻液溫度傳感器；11-電班離合器帶輪：12-曲軸帶輪：13-氧傳感

器；14-三效催化轉換器：15-分電器；16-點火線圈；17-電控單元（ECU）

電控汽油噴射式發(fā)動機機械增壓系統(tǒng)示意圖

機械增壓器工作原理

自從人類發(fā)明內燃發(fā)動機以來,汽車工程師、追求極速的車手和賽車

設計師們一直都在尋找提升其動力的方法。其中一種方法是建造更

大的發(fā)動機。但大型發(fā)動機也并不總是盡如人意，發(fā)動機越大，重

量就越重，制造和維護成本也就越高。

福特Ranger在發(fā)動機蓋下安裝了機械增壓

器。

另一種方法是提高普通規(guī)格發(fā)動機的效率?？梢酝ㄟ^將更多的空氣

壓入燃燒室來實現這一目的。更多的空氣意味著可以注入更多的燃

油，而更多燃油則意味著更強勁的爆發(fā)力和更大的馬力。安裝機械

增壓器是實現強制進氣的好方法。在本文中，我們將解釋機械增壓

器的概念、工作原理以及其與渦輪增壓器的差異。

機械增壓器基礎知識

機械增壓器是將吸入的空氣加壓到超過正常氣壓的裝置。機械增壓

器和渦輪增壓器均是如此。實際上，“渦輪增壓器”一詞是其正式

名稱“渦輪式機械增壓器”的簡寫。

ksShopper網站供圖

雙螺旋式機械增壓器

這兩種裝置的不同之處在于它們的能量來源不同。渦輪增壓器是借

助排出的巨大氣流來驅動渦輪的。而機械增壓器則由發(fā)動機曲軸通

過傳動帶或傳動鏈帶動的。

普通四沖程發(fā)動機有一個沖程專門用于進氣。這一過程有三個步驟:

1.活塞往下運動。

2.制造真空狀態(tài)。

3.依靠大氣壓將空氣吸入燃燒室。

當空氣被吸入發(fā)動機后，便和燃油混合形成油氣混合物。此混合物能

夠通過燃燒這一化學反應轉換成有用動能?；鸹ㄈㄟ^點燃空氣和

燃油的混合氣體引起此化學反應。當燃油發(fā)生氧化時，會釋放大量

能量。此過程產生的力量集中在氣缸蓋上，這股力量將推動活塞，

使活塞產生往復運動，最終這股動力會傳遞到車輪上。

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一臺安裝了機械增壓器的基本發(fā)動機

向燃燒室注入更多的燃油將會產生更為強勁的燃燒爆發(fā)力。但不能

僅僅向發(fā)動機中增加燃油，因為燃燒燃油需要嚴格數量的氧氣。這

種經過化學反應產生的混合物，空氣和燃油的比例應控制在14:1,

這對發(fā)動機的有效運轉至關重要。所以重點在于：若要注入更多的

燃油，就必須吸入更多的空氣。

這就是機械增壓器的作用。機械增壓器通過將空氣壓縮至正常大氣

壓以上來吸入更多的空氣，而不是通過制造真空狀態(tài)來吸入空氣。這

樣就可以強制更多的空氣進入發(fā)動機，從而導致“增壓”。發(fā)動機

增壓后會吸入更多空氣，從而向燃燒室注入更多的燃油，發(fā)動機的動

力也會增強。機械增壓器平均可提高46%的馬力和31%的扭矩。在

海拔較高的地方，發(fā)動機性能會降低，因為那里的空氣密度和壓力都

比較低，而機械增壓器只有向發(fā)動機提供壓力更高的空氣，才能保證

其運轉狀態(tài)最佳。

渦輪增壓器利用燃燒產生的廢氣向壓縮機提供動力，與之不同的是,

機械增壓器直接從曲軸獲取動力。大部分機械增壓器都通過一條附

屬的傳動帶獲得動力，這根傳動帶纏繞在皮帶輪上，皮帶輪連接在一

個主動齒輪上。而主動齒輪則會旋轉壓縮機齒輪。壓縮機的轉子可

以有多種設計，但它的任務是吸入空氣，將空氣壓入更小的空間，并

注入進氣岐管中。

皮帶輪

主動齒輪

推進器驅動齒輪

內部油齒輪

ProChargerDISC離心式機械增壓器

為了壓縮空氣，機械增壓器必須急速旋轉，甚至比發(fā)動機本身轉得還

要快。將主動齒輪做得比壓縮機齒輪大，就能使壓縮機旋轉得更快。

機械增壓器的轉速每分鐘能高達5-6.5萬轉。

5萬轉的壓縮機能產生大約41-62千帕的壓強。在特定海拔高度，

這會產生比大氣壓高41-62千帕的壓力。而海平面的大氣壓為

1012.8百帕，因此大約會多出50%的空氣被機械增壓器壓入發(fā)動機

中。

空氣受到壓縮會變熱，這意味著空氣密度會降低，同時也會減少爆炸

過程中空氣的膨脹程度。這就無法在火花塞點燃混合氣體后產生足

夠的動力。為使機械增壓器發(fā)揮全部效率，從排氣裝置排出的壓縮

空氣必須在進入進氣歧管前加以冷卻。中間冷卻器的出現解決了這

一問題。中間冷卻器有兩種基本設計：風冷和水冷。它們的工作

原理類似于散熱器，即讓較涼的空氣或水流過導管，帶走熱量。當

熱空氣離開機械增壓器碰到較涼的導管時，它便會冷卻下來。隨著

空氣溫度降低，其密度會變高，這樣就會使密度較高的混合燃氣進入

燃燒室。

機械增壓器的類型

機械增壓器的類型有四種：魯式（Roots）、雙螺旋式。離心式和羅氏

增壓器。它們的主要區(qū)別在于將空氣吸入發(fā)動機進氣歧管的方式不

同。魯式和雙螺旋式機械增壓器使用不同類型的嚙合凸緣，而離心

式機械增壓器使用葉輪吸入空氣。盡管這三種設計都能產生增壓效

果，但在效率上卻有很大差別。各個類型的機械增壓器都有不同的

尺寸，具體選擇哪一種取決于您是只想提升汽車的動力，還是想去參

加賽車運動。

魯式機械增壓器是最老式的一種設計。1860年,Philander和Francis

Roots申請了魯式機械增壓器的設計專利，作為幫助礦井通道通風的

機器。1900年，GottleibDaimler首次在汽車發(fā)動機中安裝了魯式

機械增壓器。

機械增壓器工作原理

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魯式機械增壓器

當嚙合凸緣旋轉時，空氣會被吸入凸緣之間的氣槽中，然后在進氣口

和排氣口之間傳送。大量的空氣將進入進氣歧管，并“累積”起來

產生正壓力。也正因為如此，魯式機械增壓器只不過是鼓風機，而

“鼓風機”