第五章 涡轮增压技术

1、第五章第五章 涡轮增压技术涡轮增压技术 第一节概述第一节概述 第二节新奥迪第二节新奥迪A4 2.0TFSI废气涡轮增压技术废气涡轮增压技术 第三节宝马第三节宝马N54发动机双涡轮增压技术发动机双涡轮增压技术 第四节第四节 涡轮通流面积控制涡轮通流面积控制 第五节第五节 废气涡轮增压电子控制废气涡轮增压电子控制 补、机械增压系统补、机械增压系统 1.类型类型2螺旋式增压器螺旋式增压器(Screw Superchargers)：这个形式的增压器是基本：这个形式的增压器是基本型的派生出来的，而且也长得很像，但它们的吸气压缩方式却截然型的派生出来的，而且也长得很像，但它们的吸气压缩方式却截然不同。当空

2、气被吸入增压器时，被螺旋状叶片强压入进气歧管内。不同。当空气被吸入增压器时，被螺旋状叶片强压入进气歧管内。 机械增压器机械增压器4第一节概述第一节概述 一、涡轮增压技术一、涡轮增压技术 1.1.涡轮增压技术的特点涡轮增压技术的特点 2.2.增压技术分类增压技术分类 二、涡轮增压技术的发展二、涡轮增压技术的发展 1.1.可变增压涡轮叶片几何技术（？）可变增压涡轮叶片几何技术（？） 2.2.涡轮增压中冷技术涡轮增压中冷技术 3.3.双涡轮增压技术双涡轮增压技术 4.4.涡轮增压涡轮增压+ +机械增压技术机械增压技术 三、涡轮增压技术的实际应用三、涡轮增压技术的实际应用 1.1.萨博萨博SaabSa

3、ab的低涡轮增压技术的低涡轮增压技术 从从2020世纪世纪7070年代末开始，萨博年代末开始，萨博SaabSaab的增压技术一直领先。的增压技术一直领先。 SaabSaab的动力分流技术和的动力分流技术和Trionic8Trionic8发动机管理系统。发动机管理系统。 Trionic8Trionic8发动机管理系统在低转速时使涡轮增压器提前工发动机管理系统在低转速时使涡轮增压器提前工作，同时提前打开节气门，以便增压器迅速进入运行状态。作，同时提前打开节气门，以便增压器迅速进入运行状态。对来自加速踏板的信号进行独立编程处理。对来自加速踏板的信号进行独立编程处理。 其其2.0L2.0L低涡轮增压发

4、动机，在转速低涡轮增压发动机，在转速5300r5300rminmin时输出时输出155kw155kw的功率，几乎相当于的功率，几乎相当于3.0L3.0L自然吸气发动机。自然吸气发动机。 2.2.大众大众TSITSI涡轮增压技术涡轮增压技术 TSITSI发动机通过电子系统根据不同转速对废气涡轮以及机发动机通过电子系统根据不同转速对废气涡轮以及机械增压器介入工作时间进行控制，发挥这两种增压技术的械增压器介入工作时间进行控制，发挥这两种增压技术的各自优势，最终实现在宽转速范围的最大动力输出。各自优势，最终实现在宽转速范围的最大动力输出。 以国外销售的大众以国外销售的大众1.4TSI1.4TSI发动机

5、为例发动机为例( (国产国产1.4TSI1.4TSI发动机发动机取消了机械增压取消了机械增压) )，最大功率在，最大功率在6000r/min6000r/min时达到时达到125kW125kW，最大转矩在最大转矩在175O-4500r/min175O-4500r/min的范围内达到的范围内达到240N240N m m，相当于，相当于一台一台2.3L2.3L自然吸气发动机的动力输出。在燃油消耗上，则自然吸气发动机的动力输出。在燃油消耗上，则比比2.3L2.3L自然吸气发动机降低自然吸气发动机降低20%20%。 具体来说，具体来说， TSITSI的涡轮是根据以下逻辑进行动作的涡轮是根据以下逻辑进行动

6、作的的: : 1)1)在低转速时，由于废气涡轮的迟滞效应，大部分的在低转速时，由于废气涡轮的迟滞效应，大部分的增压压力都由机械增压器产生。发动机低转速响应性增压压力都由机械增压器产生。发动机低转速响应性更好，废气涡轮增压器的起动更加平顺。更好，废气涡轮增压器的起动更加平顺。 2)2)当转速达到当转速达到1500r/min1500r/min时，两个增压器同时产生作用，时，两个增压器同时产生作用，总增压值达到总增压值达到250kPa250kPa。随着转速的提高，废气涡轮增。随着转速的提高，废气涡轮增压器使发动机获得更大的动力，而机械增压器由于摩压器使发动机获得更大的动力，而机械增压器由于摩擦的增大

7、，增压效果逐渐降低。擦的增大，增压效果逐渐降低。 3)3)当转速超过当转速超过35OOr/min35OOr/min时，发动机管理系统控制电磁时，发动机管理系统控制电磁离合器分离，使得机械增压器退出工作，减少摩擦损离合器分离，使得机械增压器退出工作，减少摩擦损耗。此时，废气涡轮增压器完全提供发动机的增压压耗。此时，废气涡轮增压器完全提供发动机的增压压力。力。第二节新奥迪第二节新奥迪A4 2.0TFSI废气涡轮废气涡轮增压技术增压技术 一、新奥迪A42.0TFSI废气涡轮增压技术 新奥迪A42.0TFSI采用的是旁通阀式废气涡轮增压器，在这种新型发动机上，汽油直喷技术与废气涡轮增压技术相结合，因而

8、发动机体积很小，但动力性极佳。为了满足涡轮增压器提出的更加苛刻的条件，其缸体依然采用铸铁材质，这样能承受更高的缸内燃烧温度；水冷系统能更好的解决涡轮增压器的冷却问题，延长增压器的正常使用寿命；涡轮增压器与排气歧管制成一体，体积更紧凑。转子的工作转速高达每分钟数万转至二十多万转，需要有转子的工作转速高达每分钟数万转至二十多万转，需要有单独的润滑油供应管路，并为浮动轴承提供油膜支撑。单独的润滑油供应管路，并为浮动轴承提供油膜支撑。涡轮增压器的润滑：涡轮增压器的润滑：首页返回章返回节 排气歧管的结构与点火顺序相关，根据各缸的点火顺序，相应缸的废气到达排气管道的分离筋处，分离筋可使得废气的气流均匀地作

9、用到涡轮上。分离筋还可阻止废气压力膨胀后进入其他气缸内。这样就可保持所需要的涡轮转速，并可优化涡轮增压器的响应特性。 在发动机超速运行状态时，如果节气门关在发动机超速运行状态时，如果节气门关闭了，由于存在着增压压力，会在压缩室闭了，由于存在着增压压力，会在压缩室内产生一个背压。这个背压会显著降低压内产生一个背压。这个背压会显著降低压缩机转子的转速，导致增压压力下降。为缩机转子的转速，导致增压压力下降。为了避免出现这种情况，发动机控制单元使了避免出现这种情况，发动机控制单元使涡轮增压器循环空气阀涡轮增压器循环空气阀N249N249工作，该阀打工作，该阀打开一个旁通通道，从而将压缩空气经压缩开一个

10、旁通通道，从而将压缩空气经压缩机转子再引回到压缩机循环的进气一侧，机转子再引回到压缩机循环的进气一侧，这样就可保持所需要的涡轮转速。当节气这样就可保持所需要的涡轮转速。当节气门打开时，涡轮增压器循环空气阀门打开时，涡轮增压器循环空气阀N249N249关关闭，又会立即形成增压压力。闭，又会立即形成增压压力。N249 废气旁通控制废气旁通控制 装有废气旁同阀的增压系统主要是为解装有废气旁同阀的增压系统主要是为解决废气涡轮增压汽车柴油机的低速扭矩决废气涡轮增压汽车柴油机的低速扭矩特性变差的问题，同时又要兼顾低速响特性变差的问题，同时又要兼顾低速响应和高速功率之间的矛盾。应和高速功率之间的矛盾。 旁通

11、阀的开启或关闭由旁通阀的开启或关闭由ECUECU根据增压压力根据增压压力和其他有关信息进行控制。和其他有关信息进行控制。首页返回章返回节 辅助水泵辅助水泵V51V51 辅助水泵辅助水泵V51V51在发动机热机关闭后还可工作在发动机热机关闭后还可工作15min15min，这样冷却液就可再循环一段时间。，这样冷却液就可再循环一段时间。该泵将温度较低的冷却液逆着其流动方向该泵将温度较低的冷却液逆着其流动方向传送。于是辅助水泵吸入的冷却液就从散传送。于是辅助水泵吸入的冷却液就从散热器经涡轮增压器流到发动机缸体，然后热器经涡轮增压器流到发动机缸体，然后再流回散热器，从而消除停滞的热量。该再流回散热器，从

12、而消除停滞的热量。该泵运行时间的长短取决于冷却液温度和机泵运行时间的长短取决于冷却液温度和机油温度。油温度。第三节宝马第三节宝马N54N54发动机双涡轮增压技术发动机双涡轮增压技术 一、宝马一、宝马N54N54发动机双涡轮增压技术发动机双涡轮增压技术 宝马宝马N54N54发动机增压器最高转速可达发动机增压器最高转速可达200000r200000rminmin，废气入口温度高达，废气入口温度高达10501050。因此因此N54N54发动机的增压器不仅与发动机润滑发动机的增压器不仅与发动机润滑系统相连，而且还集成在发动机的冷却循系统相连，而且还集成在发动机的冷却循环回路内。环回路内。 N54N54

13、发动机还装有电动冷却液泵，可在发动发动机还装有电动冷却液泵，可在发动机熄火后排出增压器内的余热，防止轴承机熄火后排出增压器内的余热，防止轴承过热和润滑油结焦。过热和润滑油结焦。1、二、宝马二、宝马N54N54发动机双涡轮增压系统的结构与原理发动机双涡轮增压系统的结构与原理 采用带废气旁通阀的涡轮增压器后，虽采用带废气旁通阀的涡轮增压器后，虽可采用蜗壳面积比较小的涡轮增压器，可采用蜗壳面积比较小的涡轮增压器，但其工作范围相应也变窄了，要同时兼但其工作范围相应也变窄了，要同时兼顾低速喘振线和高速阻塞线比较困难，顾低速喘振线和高速阻塞线比较困难，因此不能把涡轮最佳转速定得太低。因此不能把涡轮最佳转速

14、定得太低。 故它对车用增压柴油机低速性能的改善故它对车用增压柴油机低速性能的改善也是有限的。也是有限的。首页返回章返回节第四节第四节 涡轮通流面积控制涡轮通流面积控制 此外，高速时的放气使废气利用率降低，此外，高速时的放气使废气利用率降低，造成全负荷时燃油耗率增加，影响高工造成全负荷时燃油耗率增加，影响高工况下的经济性。况下的经济性。 所以，尽管带废气旁通阀的涡轮增压系所以，尽管带废气旁通阀的涡轮增压系统是解决废气涡轮增压柴油机低速转矩统是解决废气涡轮增压柴油机低速转矩和瞬态响应性能差的最简单和成本最低和瞬态响应性能差的最简单和成本最低的方案之一，但在大排量重型车用增压的方案之一，但在大排量重

15、型车用增压柴油机上应用较少。柴油机上应用较少。 为克服带废气旁通阀的涡轮增压系统的为克服带废气旁通阀的涡轮增压系统的缺点，可采取改变涡轮通流面积的措施，缺点，可采取改变涡轮通流面积的措施，即在低工况时缩小涡轮通流面积，而在即在低工况时缩小涡轮通流面积，而在高工况时增大涡轮通流面积。这样，就高工况时增大涡轮通流面积。这样，就可在不损害高工况经济性的前提下，扩可在不损害高工况经济性的前提下，扩大低燃油耗率的运行区，增大低速转矩，大低燃油耗率的运行区，增大低速转矩，提高加速性能，降低排放提高加速性能，降低排放( (特别是降低柴特别是降低柴油机的烟度油机的烟度) )和噪声。和噪声。首页返回章返回节 l

16、.l.可变涡轮进口面积可变涡轮进口面积 改变涡轮通流面积的方法有很多，其中改变涡轮通流面积的方法有很多，其中之一是改变涡轮的进口面积。如在蜗壳之一是改变涡轮的进口面积。如在蜗壳中插入一块可移动的板以改变废气的通中插入一块可移动的板以改变废气的通流面积，或将蜗壳中废气通道分成几个流面积，或将蜗壳中废气通道分成几个以改变废气的通流面积等。以改变废气的通流面积等。首页返回章返回节 2.2.可变涡轮喷嘴截面可变涡轮喷嘴截面 在废气涡轮增压汽车柴油机中，比较成熟的改在废气涡轮增压汽车柴油机中，比较成熟的改变涡轮通流面积的方法是采用可变涡轮喷嘴截变涡轮通流面积的方法是采用可变涡轮喷嘴截面，即随发动机负荷和

17、转速的变化，用改变涡面，即随发动机负荷和转速的变化，用改变涡轮喷嘴角度的方法来改变喷嘴有效截面积和叶轮喷嘴角度的方法来改变喷嘴有效截面积和叶轮进气角。轮进气角。 柴油机低工况时，喷嘴有效截面积缩小，改善柴油机低工况时，喷嘴有效截面积缩小，改善涡轮对废气能量的利用；柴油机高工况时，由涡轮对废气能量的利用；柴油机高工况时，由于喷嘴有效截面积增大，可不让涡轮超速或增于喷嘴有效截面积增大，可不让涡轮超速或增压压力过高。压压力过高。 首页返回章返回节 在有叶径流式涡轮增压器中，可以采用在有叶径流式涡轮增压器中，可以采用转动喷嘴叶片的方法来改变喷嘴有效截转动喷嘴叶片的方法来改变喷嘴有效截面积和叶轮进气角。

18、面积和叶轮进气角。 在无叶径流式涡轮增压器中，则可以采在无叶径流式涡轮增压器中，则可以采用在喷嘴出口处用滑动挡板来调节喷嘴用在喷嘴出口处用滑动挡板来调节喷嘴出口面积。出口面积。首页返回章返回节可调叶片式涡轮增压器调整原理可调叶片式涡轮增压器调整原理首页返回章返回节链接第五节第五节 废气涡轮增压辅助电子控制废气涡轮增压辅助电子控制 采用涡轮增压技术后，由于平均有效压力增加，采用涡轮增压技术后，由于平均有效压力增加，发动机爆震倾向增大，热负荷偏高。发动机爆震倾向增大，热负荷偏高。 为了保证发动机在不同转速及工况下都得到最为了保证发动机在不同转速及工况下都得到最佳增压值，防止发动机爆震和限制热负荷，

19、对佳增压值，防止发动机爆震和限制热负荷，对涡轮增压系统增压压力必须进行控制。涡轮增压系统增压压力必须进行控制。 目前对增压压力的控制方案很多，但总的说来，目前对增压压力的控制方案很多，但总的说来，多是采用放气的方法，即调节进入动力涡轮室多是采用放气的方法，即调节进入动力涡轮室的废气。的废气。 首页返回章返回节 实践证明，这种方法比较简单有效。当实践证明，这种方法比较简单有效。当需要增加进气压力时，排气歧管排出的需要增加进气压力时，排气歧管排出的废气进入涡轮增压器，经动力涡轮排出；废气进入涡轮增压器，经动力涡轮排出；随着节气门开度增加和发动机转速的升随着节气门开度增加和发动机转速的升高，动力涡轮

20、的转速就会加快，与动力高，动力涡轮的转速就会加快，与动力涡轮同轴的增压涡轮的转速也同样加快，涡轮同轴的增压涡轮的转速也同样加快，致使进气增压压力增大。如果放气阀门致使进气增压压力增大。如果放气阀门打开，通过动力涡轮的废气数量和气压打开，通过动力涡轮的废气数量和气压就会减小，动力涡轮转速降低，增压涡就会减小，动力涡轮转速降低，增压涡轮的进气增压压力就会减小。轮的进气增压压力就会减小。 首页返回章返回节 由此可见，通过控制放气阀门，改变废由此可见，通过控制放气阀门，改变废气通路走向，使废气进入动力涡轮室或气通路走向，使废气进入动力涡轮室或者旁路排出，就可以实现增压压力的控者旁路排出，就可以实现增压压力的控制。通常，放气阀门由膜片式放气控制制。通常，放气阀门由膜片式放气控制阀控制，而放气控制阀则由阀控制，而放气控制阀则由ECUECU通过增压通过增压电磁阀进行控制。电磁阀进行控制。首