導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 機(jī)械安全論文>>正文

廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施

文檔作者：李仕存白海文檔來(lái)源： 1．鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程系 2．廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2026年01月23日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大小： 215.87 KB 共3頁(yè)	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共3頁(yè)]

本文件共3頁(yè)，如需編輯使用，請(qǐng)下載。

注：預(yù)覽效果可能會(huì)出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問(wèn)題，下載是正常的。

	文件大小：215.87 KB 共3頁(yè) 文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會(huì)員免費(fèi)）

下一篇：對(duì)叉車(chē)用渦輪增壓柴油機(jī)的技術(shù)要求及其降…

上一篇：廢氣渦輪增壓器損壞的原因及應(yīng)對(duì)措施

文本預(yù)覽

僅提取頁(yè)面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

設(shè)計(jì)研究
汽車(chē)實(shí)用技術(shù)
AUTOMOBILE Af]PLIED TECHNOLOGW
20l 5年第8期
20l 5 NO．8
廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施
李仕存 ，白海
(1．鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程系，河南鄭州452370；2．廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西桂林541004)
摘要：廢氣渦輪增壓系統(tǒng)有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放品質(zhì)等綜合性能，因此得以廣泛的使用。在
對(duì)廢氣渦輪增壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)其工作過(guò)程中存在響應(yīng)延遲及壓縮空氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，提出一定的改
進(jìn)措施，最后分析了當(dāng)前廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)制造的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；設(shè)計(jì)；問(wèn)題；改進(jìn)措施
中圖分類(lèi)號(hào)：U464．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671—7988(2015)O8—20—03
Basic Principle and Improvement M easures of Exhaust Turbocharger
Li Shicun ．Bai Hai
(1．Department ofAutomotive Engineering，City University ofZhengzhou，Henan Zhengzhou 452370；
2．School ofTechnology and Education，Guangxi Normal University,Guangxi Guilin 541004)
Ab~raa：Exhaust turbocharging system has been widely used because it is propitious to improve combination property of
engme，such as power,economy and emission quality．In process of desi in島some improvement me~ es，which are
aimed at the response delay and high temperature of compression air of exh aust turbocharger in the working process，have
been put forward．Finally,the trends ofdesign an d manufacturing ofthe exhaust turbocharger have been analyzed．
Keywords：turboeharger；design；problem；improvement measures
CLC NO．：U464．1 Document Code：A Article ID：1671—7988(2015)08—20-03
引言
隨著人們環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源意識(shí)的不斷增強(qiáng)，世界各
國(guó)加強(qiáng)了對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)和非道路移動(dòng)機(jī)械尾氣排放的監(jiān)管和治理
?
。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可以全面改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)
性和排放品質(zhì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。作為廢氣渦輪增壓
系統(tǒng)的重要部件，渦輪增壓器在工作過(guò)程中存在響應(yīng)延遲及
壓縮空氣溫度過(guò)高的現(xiàn)象，如何通過(guò)一定的措施予以改善，
成為其設(shè)計(jì)制造中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
1、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的原理及類(lèi)型
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率公式 ：
=
×l0—3 ‘公
作者簡(jiǎn)介：李仕存，就職于鄭州城市職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程系，主要從
事汽車(chē)運(yùn)用及液壓與液力傳動(dòng)的研究。
式中尸刪—— 平均有效壓力(Mea)；
— — 工作容積(L)：
— — 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r／min)；
j——?dú)飧讛?shù)；
zI——沖程數(shù)；
可知提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法有：
(1)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如通過(guò)增加氣缸數(shù)f，
增大氣缸直徑D 和活塞行程S，減少?zèng)_程數(shù)f等；
(2)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和活塞的平均運(yùn)行速度：
(3)提高氣缸內(nèi)的平均有效壓力 。
發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)，即利用增壓器對(duì)空氣或可燃混合氣進(jìn)
行壓縮，然后送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的過(guò)程。經(jīng)過(guò)增壓，每次循環(huán)
進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充氣量的密度有所增大，使實(shí)際充氣量增
加，從而提高了缸內(nèi)的平均有效壓力，最終達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)
功率，并改善經(jīng)濟(jì)性能的目的。
發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)分為機(jī)械增壓系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)、
學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
21 汽車(chē)實(shí)用技術(shù) 2015年第8期
氣波增壓系統(tǒng)、復(fù)合增壓系統(tǒng)。其中， 目前應(yīng)用最為廣泛的
當(dāng)屬?gòu)U氣渦輪增壓系統(tǒng)。它充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的動(dòng)能
來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓的目的，其增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有機(jī)械連接，壓氣
機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)則是通過(guò)由發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪來(lái)帶動(dòng)的。
2、廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理
廢氣渦輪增壓器分為軸流式和徑流式兩種。軸流式廢氣
渦輪增壓器主要由單級(jí)離心式壓氣機(jī)與單級(jí)軸式渦輪機(jī)組成
為機(jī)組，徑流式廢氣渦輪增壓器主要由單級(jí)離心式壓氣機(jī)與
徑流式渦輪機(jī)組成 。 。渦輪機(jī)和壓氣機(jī)共同組成了轉(zhuǎn)子，它
~l']-者的工作輪是裝在同一根轉(zhuǎn)軸上的，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力來(lái)
源于發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的動(dòng)能。
廢氣渦輪與壓氣機(jī)通常裝成一體，便稱(chēng)為廢氣渦輪增壓
器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)
排出的具有一定能量的廢氣進(jìn)入渦輪并膨脹做功，廢氣渦輪
的全部功率用于驅(qū)動(dòng)與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪，
在壓氣機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸，其基本工作原理
如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)通過(guò)合理地加裝廢氣渦輪增
壓系統(tǒng)后，氣缸內(nèi)的壓力可達(dá)180~200kPa，或300kPa左右，
可提高功率20％~30％ ，降低比油耗5％左右，有利于改善
發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1 廢氣渦輪增壓器的基本工作原理
闊
3、廢氣渦輪增壓器存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施
3．1渦輪延遲
渦輪增壓器在使用中常常會(huì)產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。當(dāng)急加速踩
下油門(mén)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)立即增加，而是需要幾秒鐘的
反應(yīng)時(shí)間，這樣就產(chǎn)生了延遲感 ，即踩下油門(mén)后，要先等
渦輪轉(zhuǎn)速上升，然后車(chē)輛才會(huì)加速前進(jìn)。
由于渦輪的慣性作用對(duì)油門(mén)驟時(shí)變化反應(yīng)遲緩，因此可
以通過(guò)減少旋轉(zhuǎn)件的重量，進(jìn)而減小其慣性的方法來(lái)解決。
這樣就使渦輪和壓縮機(jī)能夠更快地加速，從而更快地產(chǎn)生增
壓。減小渦輪增壓器的尺寸是減小渦輪及壓縮機(jī)慣性的一個(gè)
有效方法。雖然小型渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)能更快地
產(chǎn)生增壓，但在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速、更多空氣進(jìn)入時(shí)，卻無(wú)
法產(chǎn)生更多的增壓。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)有更
多的尾氣經(jīng)過(guò)渦輪，且存在使渦輪轉(zhuǎn)速過(guò)快的危險(xiǎn)性。
大型渦輪可以在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較多的增壓，由
于其渦輪和壓縮機(jī)偏重，從而導(dǎo)致加速緩慢，也會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)
重的渦輪延遲。
具體可以采取如下的方法來(lái)降低渦輪延遲：
多數(shù)渦輪增壓器都有一個(gè)廢氣泄放閥，它使排出的廢氣
繞過(guò)渦輪葉片。廢氣泄放閥能感知增壓壓力，如果壓力過(guò)高，
廢氣泄放閥就會(huì)指示渦輪旋轉(zhuǎn)太快，此時(shí)廢氣泄放閥使一部
分尾氣經(jīng)過(guò)渦輪葉片，從而降低渦輪葉片的轉(zhuǎn)速。因此，對(duì)
于小型渦輪增壓器，可以通過(guò)采用廢氣泄放閥的方式，防止
發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)渦輪旋轉(zhuǎn)過(guò)快。
一些渦輪增壓器采用高級(jí)材料制造出的高精度滾珠軸承
代替液壓軸承來(lái)支承渦輪軸，用以應(yīng)對(duì)渦輪增壓器的速度和
溫度 。渦輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這類(lèi)高精度的滾珠軸承承受的摩擦
力比大多數(shù)渦輪增壓器液壓軸承中的摩擦力要小。同時(shí)還允
許使用略小、略輕的軸。這樣渦輪增壓器加速時(shí)更快，進(jìn)一
步降低了渦輪延遲。
有些渦輪增壓器使用陶瓷渦輪葉片，因?yàn)樗蠕撝茰u輪
葉片要輕。同樣，這也能使渦輪能更快地加速，達(dá)到降低渦
輪延遲的目的。
有些發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩個(gè)并聯(lián)的不同尺寸的渦輪來(lái)代替一
個(gè)較大的渦輪。其中，較小的渦輪可以較快地加大轉(zhuǎn)速，
降低渦輪遲時(shí)，而較大的渦輪能在發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生
更多增壓。
3．2進(jìn)氣膨脹
空氣被壓縮時(shí)，溫度就會(huì)升高， 由于熱脹冷縮的原理，
空氣會(huì)發(fā)生膨脹。通過(guò)廢氣渦輪增壓，空氣在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前
就因壓縮摩擦生熱而產(chǎn)生了膨脹。增壓度是表示發(fā)動(dòng)機(jī)增壓
后功率增長(zhǎng)程度的物理量，其表達(dá)式如(公式2)所示：
： 旦：旦：
N p
(公式2)
式中 、 分別為增壓前后的充氣密度，由此可知，增
壓度的大小取決于充氣密度的提升程度。對(duì)于增壓后的充氣
密度而言，又有：
(公式3)
根據(jù)(公式2)和(公式3)可知，充氣密度的提高，除了
通過(guò)提高進(jìn)氣壓力外，還可以通過(guò)降低進(jìn)氣溫度得以實(shí)現(xiàn)。
因此，為了提高增壓效果，需要增設(shè)空氣中間冷卻器來(lái)對(duì)高
溫的壓縮空氣進(jìn)行冷卻。進(jìn)氣中冷不但可以提高充氣密度，
而且可以相對(duì)地降低排氣溫度，這對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷也
是有利的。
中間冷卻器或進(jìn)氣冷卻器的外觀像散熱器一樣，不同之
處在于，空氣同時(shí)從中間冷卻器的內(nèi)部和外部經(jīng)過(guò)。經(jīng)渦輪
吸入的空氣通過(guò)密封管路流經(jīng)冷卻器，然而，由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻
風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)流經(jīng)它外部的散熱片。
學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
2015年第8期 李仕存等：廢氣渦輪增壓器的基本原理及改進(jìn)措施 22
這樣，壓縮空氣在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前，會(huì)受到中間冷卻器
的冷卻作用，從而使更多的壓縮空氣進(jìn)入氣缸，并進(jìn)一步提
升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力 。也就是說(shuō)，如果渦輪增壓器在337 kPa
的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，中間冷卻器就會(huì)使壓縮空氣的壓力降到比
337 kPa更低，這些空氣密度更高，含有的空氣分子的數(shù)量比
溫度較高的同等壓強(qiáng)的空氣要多。
4、廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)制造的發(fā)展趨勢(shì)
4．1采用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)
在國(guó)外，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓縮機(jī)和渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)
算、流場(chǎng)分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)開(kāi)
展了很多年。早在2O世紀(jì)60年代中后期，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就
已開(kāi)始運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行徑流渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)與三元流場(chǎng)的
分析，隨后又運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離心式壓氣機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)
算、三元流場(chǎng)分析、葉輪及葉型設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析和性能預(yù)測(cè)
等。目前， 國(guó)外主要增壓器生產(chǎn)企業(yè)都已擁有先進(jìn)的
CAD／CAM，CFD和CAT系統(tǒng)，為了進(jìn)行3．D粘性流動(dòng)的建
模以及驗(yàn)證分析，這些生產(chǎn)企業(yè)還利用了有限元法以及先進(jìn)
的激光測(cè)試技術(shù)。
近年來(lái)，增壓器加工制造技術(shù)的發(fā)展也很快。早在20
世紀(jì)70年代末，國(guó)外在鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪時(shí)，已采用
“硅橡膠”技術(shù)：世界各大增壓器生產(chǎn)企業(yè)于2O世紀(jì)8O年
代初期，先后推出了帶有后彎壓氣機(jī)葉輪的新型增壓器；KKK
公司采用五軸數(shù)控銑床對(duì)鍛鋁后的彎葉輪進(jìn)行銑削加工，該
葉輪不但強(qiáng)度比鑄鋁好，而且在輪盤(pán)通道上保留有銑削刀痕，
可以減少二次流，有利于其性能的改善 。
4．2新材料的應(yīng)用
將密度小、高溫強(qiáng)度及抗氧化性好的鈦鋁合金材料運(yùn)用
于渦輪增壓器，可以減小渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而改善響應(yīng)遲
滯特性，避免增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生加速瞬間冒黑煙的現(xiàn)象。
與此同時(shí)，工程師正在緊鑼密鼓地研制其它一些新型的輕質(zhì)
合金材料。
另外，在增壓器渦輪的材料方面也可以開(kāi)發(fā)使用陶瓷材
質(zhì)。由于陶瓷渦輪的質(zhì)量較鋼制渦輪要輕，同時(shí)能夠?qū)u輪
箱的壁厚設(shè)計(jì)得比較薄，因而在滿(mǎn)足包容性不變的前提條件
下，可以減輕增壓器的質(zhì)量。陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接是陶瓷
渦輪技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題。
4．3可變截面渦輪增壓器
通過(guò)采用渦輪增壓器設(shè)置廢氣泄放閥的方式，可以改善
車(chē)用高速柴油機(jī)的低工況性能，但對(duì)應(yīng)的高工況經(jīng)濟(jì)性不很
理想。為了提高渦輪增壓器的經(jīng)濟(jì)性能，近十幾年來(lái)，科研
工作者對(duì)可變噴嘴環(huán)截面渦輪增壓器進(jìn)行了大量研究，并取
得了很大的進(jìn)步。
可變截面渦輪增壓器可以根據(jù)增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變
化來(lái)調(diào)整噴嘴環(huán)葉片的角度，使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)
生變化，進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化，達(dá)到渦
輪增壓器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)良匹配的目的。
可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片可在低轉(zhuǎn)速、低排氣量的工況下實(shí)
現(xiàn)關(guān)閉，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力。與傳統(tǒng)的渦輪增壓器
相比，這極大地改善了低轉(zhuǎn)速時(shí)的相應(yīng)時(shí)間和加速性能，降
低了渦輪延遲。
5、結(jié)論
由于廢氣渦輪增壓器在工作過(guò)程中存在響應(yīng)延遲以及壓
縮空氣溫度過(guò)高的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)只有考慮到這些影響因素，
并通過(guò)相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)，才能達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率并改
善經(jīng)濟(jì)性能的目的。
參考文獻(xiàn)
【1]白海，李仕存，孟利清等．電控柴油機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的問(wèn)題
及對(duì)策【J】．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(4)：375．378．
【2】周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)p ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．
【3]陸家祥．柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)【M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，
【4】尹世金．渦輪增壓器的常見(jiàn)故障和維護(hù)[J]．裝備制造技術(shù)，2012
(5)：248—249．
[5】尹超，郭淼．提高車(chē)用渦輪增壓器性能的改進(jìn)措施與創(chuàng)新方案【J】．
汽車(chē)工程師，2010(11)：51．53．
[6】黃安華，霍楓，楊世軼．淺談汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓技術(shù)【J】．汽車(chē)零部
件，2012(3)：23．26．
【7】李昕光，張愛(ài)國(guó)．柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)【J]．黑龍
江科技信息，2008(9)：14．

網(wǎng)友評(píng)論 more

機(jī)械安全論文最新內(nèi)容

01-25