【正文】 分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，即氣體的壓力降低到，溫度降低到，氣體的流動速度增加到(如圖37).圖37 渦輪機中氣流參數(shù)的變化 Parameter change of air in the turbine 由于氣流在工作輪中是向心流動的，所以工作輪葉片之間的通道也是呈漸縮的形狀，氣體在通道中繼續(xù)膨脹，在工作輪出口處壓力下降到凡，溫度降低到兀，此時氣體的絕對速度下降到。 由發(fā)動機進氣管中排出的氣體具有壓力、溫度，并以速度經(jīng)進氣渦殼流入噴嘴環(huán)。進氣渦殼的作用引導發(fā)動機的排氣均勻地進入渦輪。由于車用內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速范圍很大，從而要求壓氣機高效率區(qū)的流量范圍不宜過窄，為此在增壓器研制中常采用具有無葉擴壓器的壓氣機或采用一種具有后彎式的工作輪使之更符合氣流在工作流道中的流動規(guī)律，以增大高效率的工作范圍。當壓氣機工作輪轉(zhuǎn)速升高時，流量與壓比均有所增加，但轉(zhuǎn)速過高將受到材料機械應力及軸承可靠工作的限制。將各種轉(zhuǎn)速下的喘振點連接在一起，就可確定喘振線，壓氣機只能在喘振線右邊的范圍內(nèi)工作。圖35 離心式壓氣機的特性曲線 Performance curve of centrifugal pressor從(圖35)的特性曲線可以看出，當空氣沿壓氣機的等轉(zhuǎn)速線從大流量向小流量變化時，壓氣機的壓比與效率最初有所提高，隨著流量減少到某值，壓比與效率達到最高，在這以后，流量繼續(xù)減少，壓比與效率反而略有下降。 （31）絕熱效率說明了在消耗于轉(zhuǎn)動壓氣機的機械功中有多少是有用部分，表明壓氣機流通部分的完善程度。實際壓氣機工作過程完善的程度，經(jīng)常是以它與理想壓氣機相比較來平定?？傊?，空氣流經(jīng)壓氣機的這些流道時，完成一系列功能轉(zhuǎn)換，二將渦輪機傳給壓氣機工作輪的大部分機械功能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膲毫δ?。葉片的存在迫使空氣不能沿對數(shù)螺線自然運動，而使其沿著此角向增大的方向偏移，因而在相同的直徑下，可以獲得較大的擴壓比，減少了氣流運動的軌跡長度和摩擦損失，提高了擴壓器效率。它的流動軌跡較長，擴壓比較緩慢。 擴壓器通常由無葉擴壓器與葉片擴壓器組成(如圖34)。 在工作輪出口處氣流的方向由出口速度三角形決定(如圖33),該方向也就是空氣流入擴壓器時的入口方向。為了減少流動損失，需要將葉片前沿部分順空氣流入的方向彎曲成某一角度，使與氣流人口角基本一致。(如圖32)空氣沿收斂的軸向進氣道流入時，氣流略有加速。(圖31)為徑流式渦輪增壓器的結構圖，它是由離心式壓氣機和徑流式渦輪機這兩個主要部分，以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)所組成。3廢氣渦輪增壓的原理 渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機內(nèi)不同的流通方向，可分為徑流式渦輪與軸流式渦輪兩大類。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機的渦輪增壓器。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術，提高發(fā)動機的進氣量，補償因進氣不足而損失的功率。這可使重型柴油機排放的NO降低80%，微粒減少90%，比油耗改善16%。若把自然吸氣柴油機改成同樣排量的增壓柴油機，因其空氣供應充足，碳煙和CO的排放會大幅度減少，加之燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學反應更趨強烈，HC化合物的排放也會降低，但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，會使平均有效的NO、排放量增加。對汽油機來說，由于過量空氣系數(shù)接近于1，增壓對汽油機排放的影響局限于節(jié)能部分。（3）環(huán)保 渦輪增壓器能夠使發(fā)動機節(jié)能，必將降低發(fā)動機有害氣體和CO的排放量。因此，可以用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動機來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動機，從而達到節(jié)能和節(jié)油的目的。因此，采用渦輪增壓技術，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動機的整體尺寸，這對發(fā)動機及車輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。由于不像機械增壓時壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢越來越明顯。廢氣渦輪增壓已經(jīng)成為車用發(fā)動機廣泛采用的主要增壓方式。近20年，隨著渦輪增壓技術的普及、深入，有關渦輪增壓方面的新技術、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)。這種設計減小了渦輪遲滯，提高了汽車的可操縱性，發(fā)動機響應更迅速，更直接。1992年，其發(fā)動機擁有270匹馬力，它比同排量自然吸氣發(fā)動機要增加20匹馬力。 低值增壓是近些年來發(fā)展的一種新的發(fā)動機增壓技術。另一種是串聯(lián)式雙渦輪增壓，它由兩個不同尺寸的渦輪構成，低轉(zhuǎn)速時只采用小尺寸的渦輪，高轉(zhuǎn)速時才啟動大尺寸的渦輪（此時是兩個渦輪同時工作），這種設計的好處是讓發(fā)動機的輸出更線性。一種是并聯(lián)式的雙渦輪，它擁有兩個小直徑的渦輪增壓器，渦輪高低轉(zhuǎn)速，兩個渦輪都是同時運轉(zhuǎn)的。V型發(fā)動機和水平對置發(fā)動機更適合使用這種渦輪增壓，每一個增壓器可以通過一列氣缸的排氣驅(qū)動。 對于2500cc以上的大排量發(fā)動機來說，通常會采用兩個較小的渦輪增壓器取代一個較大的渦輪增壓器。這些電控卸壓閥的開閉都是通過ECU來直接控制的。例如：。早期的卸壓閥是純機械的，控制不是很精確。Waste gate是一個安裝在進氣管上的閥門，一旦壓力超過臨界值，此閥門打開，可以釋放出多余的高壓氣體，確保發(fā)動機不受損害。這樣在高轉(zhuǎn)速的時候，發(fā)動機的進氣壓力非常高，如果進氣壓力過高，發(fā)動機就很容易產(chǎn)生暴燃，這種暴燃是對發(fā)動機有損害的。（2）早期的渦輪增壓發(fā)動機是純機械的將空氣壓縮和送入燃燒室。這些改進顯著提高了渦輪增壓器的響應性，改善了渦輪遲滯。到了80年代，渦輪增壓的公路性能進一步被改進。由于冷空氣的密度大，所以在相同條件下，這種設計可以提高發(fā)動機的進氣密度，因此發(fā)動機工作效率更高。隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高，例如突破3500轉(zhuǎn)以后，渦輪增壓器突然介入，這個時候的產(chǎn)生的動力將陡增。即便采用了這些保護發(fā)動機的設計，當時的渦輪增壓發(fā)動機仍然比自然吸氣式發(fā)動機的可靠性差。早期的渦輪增壓器，其渦輪遲滯非常嚴重，發(fā)動機要保持在3500轉(zhuǎn)以上才能獲得充沛的動力，在低轉(zhuǎn)速時發(fā)動機動力輸出非常弱。 （1）渦輪遲滯是渦輪增壓發(fā)動機面臨的最大難題。當時，這個車有一個讓人很難容忍的缺點，那就是在低轉(zhuǎn)速的時候動力非常差，甚至還比不上一臺同等排量的自然吸氣式發(fā)動機，這種強烈的渦輪遲滯使得這臺發(fā)動機的動力輸出很不流暢。這種技術的優(yōu)勢很明顯，它可以利用發(fā)動機排出廢氣產(chǎn)生的能量，來大幅度提高發(fā)動機的動力輸出。渦輪增壓是目前全世界汽車廠商運用最為廣泛的發(fā)動機增壓技術。由于裝在汽油機上爆震傾向大大增強，而且汽油機的轉(zhuǎn)速和功率范圍寬，系統(tǒng)比較復雜，所以目前應用較少，只有少數(shù)高級轎車安裝，但是隨著技術的不斷提高，應用會越來越廣。此外，由于燃燒壓力升高率降低，發(fā)動機工作柔和，噪聲比較小?；蛘哒f1臺小排量的發(fā)動機經(jīng)增壓后，可以產(chǎn)生較排量發(fā)動機相同的功率。針對不同的車用發(fā)動機，使用不同的增壓方式才能達到最佳的匹配。增壓發(fā)動機在高速四沖程柴油機領域內(nèi)平均有效壓力最高可達= ，最低油耗率在絕熱發(fā)動機上可達163g/(kWh)，在車用發(fā)動機上實際達到的較好水平是=，=197210g /(kWh) 。2發(fā)動機增壓技術應用現(xiàn)狀及特點 目前普遍使用的增壓器轉(zhuǎn)速范圍為60000120000r/min，最高的轉(zhuǎn)速如三菱重工生產(chǎn)的TD02渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以達260000r/min，個別的如法國小型渦輪公司生產(chǎn)的TCS14型增壓器增壓比接近5，它用于低壓縮比的超高增壓發(fā)動機。 （2）與機械增壓相比，渦輪增壓時熱負荷問題較嚴重。 （4）渦輪增壓后排氣噪聲相對減少，排氣煙度及排氣中有害成分也減少，故對減少污染是有利的。 （2）由于廢氣能量的收回發(fā)動機經(jīng)濟性會明顯的提高，一般由于廢氣能量的回收能提高經(jīng)濟性3%4%，再加上相對地減少了機械損失及散熱損失，提高了發(fā)動機機械效率和熱效率，使發(fā)動機渦輪增壓后油耗率降低5%10%。由于不像機械增壓時增壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢越來越明顯。廢氣渦輪增壓是將發(fā)動機排出的部分能量轉(zhuǎn)化為機械能，從而帶動同軸的壓氣機葉輪旋轉(zhuǎn)，壓氣機將壓縮后的空氣充入氣缸實現(xiàn)增壓。另外，機械增壓器與發(fā)動機容易匹配，結構也比較緊湊。同時小功率發(fā)動機的增壓度不高，這正是機械增壓器的適用范圍。渦輪增壓器己經(jīng)難以勝任，于是又重新啟用機械增壓。在增壓器發(fā)展歷程中，早期多采用機械增壓，后來被渦輪增壓取代。一般不超過0. 17MPa，否則壓氣機功率消耗過大，使整機的機械效率下降，導致燃油消耗率增加。機械增壓器由發(fā)動機曲軸經(jīng)齒輪增速器驅(qū)動或經(jīng)同步齒形帶及電磁離合器驅(qū)動。（3） 發(fā)動機廢氣能量驅(qū)動增壓器，分廢氣渦輪增壓和氣波增壓兩種。一般劃分的范圍為: 低增壓0. 18MPa (=0. ) 中增壓=0. 180. 25MPa (=0. 91. 5MPa) 高增壓=0. 250. 35MPa (=1. 42. 2MPa) 超高增壓 0. 35MPa ()發(fā)動機增壓按其增壓方式可分為四類:（1） 用專門增壓裝置的增壓，包括慣性增壓、動力增壓、諧波增壓等。于是為了增強增壓效果，特別是在高增