涡轮增压系统

涡轮增压系统（turbocharge System）^[1]，是一种通过利用内燃机废气剩余能量来提高内燃机进气量的装置。^[2]涡轮增压系统主要由涡轮机壳体、压气机壳体、中间壳体、涡轮等组成。^[3]涡轮增压系统可以在发动机工作效率不变的基础上，增加其输出的功率。^[4]按照其技术类别主要可以分为：机械增压技术、气波增压技术、废气涡轮增加技术、电机增压技术等。其中，由于废气涡轮增压技术的能效比突出，得到较为广泛的运用。^[5][6]

1926年，瑞士工程师布希提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量驱动压缩机，对发动机进行增压。^[7]2006年，新一代的涡轮增压系统出现，解决了涡轮散热的问题，如大众1.4TIS发动机，不但性能好，燃油的损耗也少。^[8][9]

涡轮增压系统的出现极大地推动了内燃机的发展，涡轮增压技术对于提高内燃机的功率和效率、降低燃油消耗、减少环境污染等方面都具有重要意义。涡轮增压被广泛应用于现代汽车和商用车辆中。^[2]

1926年，瑞士工程师布希提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量驱动压缩机，对发动机进行增压。^[7]

1947年，德国埃贝施帕赫尔(Eberspacher)公司开始生产车用径流式涡轮增压器。^[10]

20世纪50年代以后，废气涡轮增压技术开始逐步应用于汽车内燃机，大大提高了发动机性能，成为内燃机发展史上的重大突破。^[7]

1954年9月27日，由于有发展工业柴油机用涡轮增压器的良机，艾雷赛奇工业部应运而生，专门从事涡轮增压器的设计和制造，艾雷赛奇工业部后来被称为盖瑞特汽车公司。^[11]

1961年，小轿车开始试探性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。^[11]

20世纪70年代以来，石油危机使能源问题异常突出，各国对节省能源、提高效率的重视促进了涡轮增压技术的长足发展。随后，世界各国日益重视环境保护与可持续发展问题，使涡轮增压器在汽车发动机领域获得了新的发展。^[10]

1977年，北欧瑞典的Saab萨博公司首次将涡轮增加器应用到汽车生产中，使涡轮增压汽车发动机技术得以发展。^[12][11]

1985年末，盖瑞特汽车公司的母公司信号公司与联合公司合并，成立了联信公司。1986年，联信公司购买了劳托·马斯特公司它在售后服务市场上供应所有种类的涡轮增压器。^[11]

2006年，新一代的TSI系列涡轮直喷发动机系统出现，解决了涡轮散热的问题，如大众1.4TIS发动机，不但性能好，燃油的损耗也少。^[8][9]

2019年，沃尔沃展出了一款全新的Drive-E2.0T发动机，装备3个涡轮增压器，马力至少也有450 匹，这一指标几乎已经赶上普通汽车的6.0排量发动机。^[5]

涡轮增压的英文名为Turbo， 其主要作用是提高发动机的进气量， 从而达到提高发动机的功率和扭矩的目的。同等排量的发动机在使用涡轮增压技术后，其功率和扭矩可增加30%以上。但耗油量并未增加多少，这就提高了燃油经济性，降低了尾气的排放。^[13]

涡轮增压装置相当于一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气量，一般都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器送来的空气，使之增压进入气缸，增压的空气提高了化学能的利用率，相应增加了发动机的输出功率，涡轮增压系统装置主要由涡轮室和增压器组成，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连， 排气口连在排气管上， 增压器的进气口与空气滤清器管道相连， 排气口接在进气歧管上，涡轮与叶轮分别装在涡轮室和增压器内，两者同轴刚性联接，组成一个整体的涡轮增压装置。当发动机转速升高，废气排出速度与涡轮转速也同步升高，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力与密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机转速，就可以增加发动机的输出功率。^[13]

涡轮增压系统主要由涡轮机壳体、压气机壳体、中间壳体、涡轮、泵轮、浮动轴承、排气旁通阀和执行器等组成。涡轮和泵轮装配在同一根轴上，通过两个浮动轴承分别安装于涡轮壳体和压缩壳体内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等。^[3]由于废气涡轮增压技术的能效比突出，得到较为广泛的运用，以废气涡轮增压系统为例介绍。^[5][6]

废气涡轮增压系统主要由压气机叶轮、涡轮机涡轮、止推轴承、压气机蜗壳、涡轮机蜗壳构成，当涡轮增压器由于涡轮叶轮和压气机叶轮的尺寸和重量等存在微小的差异，因此会产生不均匀的离心力和惯性力。这些力会导致叶轮在轴向方向上产生相应的运动，从而产生轴向力。此外，由于涡轮增压器工作时叶轮旋转的高速气流与叶轮表面的摩擦，也会产生轴向力。轴向力分析是涡轮增压器设计和制造过程中非常重要的一环，可以提高涡轮增压器的工作效率和性能，降低故障率和维修成本，同时还可以减少噪音和振动，对提高车辆的舒适性有着重要意义。^[2]

压气机叶轮与涡轮叶片连接在一起，共同形成涡轮增压器。压气机叶轮通常采用钛合金等材料制造，以保证其强度和耐高温性能。它上有许多呈类洋葱状的叶片，随着涡轮发动机排出的气体流经，层层加速旋转，将气体压缩后送入发动机燃烧室，实现增压效果。压气机叶轮是压缩气体的核心件，它通过利用发动机排出的废气来驱动旋转，把空气压缩，进而增加发动机吸气量，提高发动机功率。在涡轮增压器中，压气机叶轮和涡轮叶片是相互配合工作的，它们共同将空气压缩并输送到发动机的燃烧室中。^[14][15]

涡轮是涡轮增压器的重要组成部分，其根据工质在叶栅中的速度、流动方向、驱动对象等 可以分为 不同种类。 按照工质在叶栅中的速度分类可以分为亚音涡轮与超音涡轮；按照流动方向可以分为轴流式涡轮和向心式涡轮；按驱动对象分类可以分为高压涡轮、低压涡轮、燃气涡轮以及动力涡轮。涡轮叶轮的稳定性对于整个涡轮增压器的可靠性有着重要意义。叶轮在工作时，由于工作环境较为恶劣，它会产生轴向方向的气动力、热应力等作用力。 在实际运转中很容易出现叶轮轴向气体窜动，在设计增压器时如果没有考虑到轴向力，则会使增压器在工作时产生故障， 因此分析瞬态条件下的涡轮内部流体流动机理以及轴向力对于涡轮增压器的设计有着十分重要的现实意义。^[2]

涡轮增压器的止推轴承是一种特殊的轴承，它主要负责承受轴向载荷，如推力轴承。止推轴承通常由两个止推垫片或更多止推垫片和若干滚动体组成，这些滚动体通常由铁质或铜质保持架组合成整体。止推轴承的设计和制造需要满足高精度和高稳定性的要求。例如，一些高性能的止推轴承可能会采用特殊的合金钢制成，这些钢材必须耐磨且能承受高负荷运转带来的高温等问题。此外，作为精密部件，止推轴承的受热变形率也需要很好地控制。^[16][17]

在涡轮增压器中，止推轴承是用来平衡压气轮与涡轮之间的压力差，以保证整个系统的可靠运行。由于涡轮增压器在工作时转速非常高，往往达到每分钟十几万转，因此，止推轴承也需要承受极高的离心力。^[16][17]

涡轮增压器的压气机蜗壳与压气机叶轮一起工作，将空气压缩并输送到发动机的燃烧室中。压气机蜗壳的主要功能是收集从压气机叶轮中压缩的空气，并将其输送到发动机的进气系统中。它通常采用铝合金或钛合金等轻质材料制造，以减轻整个增压系统的重量。在涡轮增压器中，压气机蜗壳与压气机叶轮相连，随着发动机的运转而高速旋转。当空气进入压气机蜗壳时，它会沿着蜗壳的形状进行旋转，同时受到离心力的作用被压缩。压缩后的空气通过蜗壳内的通道被输送到发动机的进气歧管中，以增加发动机的进气量。^[18][19]

涡轮机蜗壳主要用于收集并引导涡轮机转子叶片压缩后的气体。涡轮机蜗壳一般由两个半壳组成，通过螺栓连接在一起，形成一个完整的蜗壳。涡轮机蜗壳的主要功能是引导压缩后的气体在涡轮机内流动，并将气体均匀地分配到涡轮机转子叶片上。在蜗壳的内壁上通常会安装有导流叶片或导流器，以进一步控制气体的流动方向和速度，确保气体能够均匀地进入涡轮机转子叶片的工作区。^[20][21]

按照其技术类别主要可以分为：机械增压技术、气波增压技术、废气涡轮增加技术、电机增压技术等。其中，由于废气涡轮增压技术的能效比突出，得到较为广泛的运用。^[5][6]

机械增压技术通过发动机的曲轴和皮带相连，发动机工作时，曲轴输出动力来增压器转子的旋转，空气被加压后吹到进气道中主要优点：由于发动机转速和增压器转子的转速是速度同步的，所以不会存在超前或滞后现象。发动机动力输出流畅而且稳定主要缺点：摩擦力大、动力消耗厉害、增压效率低。^[6]

气波增压系技术是利用高压废气的脉冲气波来迫使空气压缩优点：增压性能好、加速性好。缺点：整个增压装置比较笨重，不适合安装在体积较小的轿车里。^[6]

发动机与增压器没有任何机械上的关系其压气机主要利用发动机的废气来驱动涡轮维持动力。一般情况下增压压力能达到180~ 200kpa，甚至 300kpa，通过增设空气冷却装置给高温压缩空气实施冷却。从而应用发动机排出的废气达到增压日的。这种增压系统日前应用最为广泛。^[6]

其主要优点是：提高的功效比机械增压要大主要缺点.因油门的开启速度略快于发动机的动力输出速度。所以存在“涡轮迟滞”：另外发动机尾气从汽缸中被排出后需要推动涡轮,使废气在排气管道运动的过程中遇到阻碍。增加了排气背压,影响汽缸排气的顺畅性。^[6]

其技术与废气涡轮增压技术相类似。与气波增压及机械增压的主要区别在于增压的动力来源不同。气波增压是利用尾气增压，机械增压利用发动机的动力增压，电机增压则利用的是车载电池来带动电机一空气压缩器。目前此技术已经被应用于家庭轿车上。优点：(1)与气动增压方式相比其运行性能更加稳定；(2)原理及构造更加简单，改装方便；(3)经济性价比高，可以节省很大的成本。缺点：(1)增压功率相对较低。与机械增压和涡轮增压相比,因为车载电池的功率限制，一般增压只能增幅 12%~16%(2)缩短车载电池的使用寿命。^[6]

涡轮增压系统的出现极大地推动了内燃机的发展，涡轮增压技术对于提高内燃机的功率和效率、降低燃油消耗、减少环境污染等方面都具有重要意义。涡轮增压被广泛应用于现代汽车和商用车辆中。^[2]

涡轮增压技术的确可以提升动力，但它也有一些缺点。根据涡轮增压的原理， 由于叶轮的惯性作用对油门的骤时变化反应迟缓，动力输出会有迟滞现象，当瞬间加速时会有提不上速度的感觉。另外，涡轮增压并不是随时都在起动，一般涡轮增压大多在发动机转速2500～3000r/min 以上才介入工作，而我们日常行车多在2000r/min左右， 除非上高速公路或常需突然加速， 否则完全发挥增压作用的机会并不很多。^[13]

同时由于发动机排出废气的温度非常高，通过增压器的热传导及空气在被压缩的过程中密度也会升高，必然会导致空气温度进一步提高，增压后的高温空气直接进入发动机，会导致发动机燃烧温度过高，增加发动机废气中的污染物含量，造成空气污染，甚至造成爆震及死火的现象。所以如果想要进一步提高进气效率，就要降低进气温度，因此一般还需要在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器，以此来降低发动机的进气温度。^[13]

随着汽车保有量的高速增长，不仅对能源资源造成了巨大的压力，而且汽车尾气对环境的影响越来越大。为了降低汽车油耗，改善废气排放，满足法律法规，各大汽车厂进行了各种探索。废气再循环技术、涡轮增压技术逐渐进入人们的视野。涡轮增压技术主要是利用增压技术将进入燃烧室的空气增压，使得进气量增大，从而提高发动机的功率和热效率，降低发动机的油耗达到节能减排的目的。将涡轮增压技术应用到汽车发动机中是极其必要的，这不仅能够解决内燃机目前存在的现实矛盾，更能够促进内燃机向着更加环保的方向发展。^[5]

涡轮增压技术因其在节能，提高内燃机动力性、经济性，降低废气排放和噪声等方面具有无可比拟的优势而被船用低速机广泛采用，涡轮增压已经成为提高船用低速机功率的最有效措施之，随着大型船舶的主机动力性需求逐渐增高，使得船舶主机的燃油消耗大幅增加。为了更好的平衡船舶主机动力性和经济性，采用高增压比涡轮增压器的低速机得到了广泛应用。^[22]

涡轮增压系统在飞机发动机上的应用主要是在涡扇发动机中。涡扇发动机是在涡喷发动机之后出现的，主要用于现代民航。由于涡扇发动机具有较高的空气流量，使得其性能与涡喷发动机相比有明显提升。在涡扇发动机中，涡轮增压器的作用是将低压空气压缩后输送到高压区域，以便在有限的机身空间内获得最大的推力。^[23][24]

JB/T 11325-2013，内燃机涡轮增压器执行器的技术规范标准规定了内燃机涡轮增压器执行器的技术要求，检验规则、标志、包装和贮存，标准适用于正压气动执行器。^[25]

JB/T 130592017，涡轮增压器热冲击试验方法规定了涡轮增压器热冲击试验的术语和定义、试验条件、试验方法、数

据采集、数据处理。适用于车用、船用、工程机械、农林机械、发电及其他用途的内燃机（包括柴油机、汽油机、天然气发动机等）用增压器。^[26]

ISO 17324：2014《汽车涡轮增压器橡胶软管规范》规定了轿车用涡轮增压器软管的规格和技术要求和规定了商用车辆用大口径软管的要求。^[27]

为了满足现代汽车对燃油经济性和动力性的需求，涡轮增压器正在不断向小型化和轻量化方向发展。通过采用新材料和制造工艺，涡轮增压器的体积和重量都得到了显著减小，从而提高了整个系统的效率。^[28]

为了提高涡轮增压系统的热效率，研究者们正在探索新型的冷却系统和热管理技术。例如，采用先进的热障涂层和高效散热器等技术，可以有效地降低涡轮增压器的热负荷，提高其耐久性和可靠性。^[29]

随着汽车电子技术的不断发展，智能化控制已经成为涡轮增压系统的一个重要发展趋势。通过引入先进的传感器、控制器和执行器，可以实现对涡轮增压系统的精确控制和优化，从而提高发动机的性能和燃油经济性。^[30]

随着电动汽车市场的不断发展，电动涡轮增压技术也受到了越来越多的关注。这种技术采用电动机来驱动涡轮增压器，从而避免了传统涡轮增压器在低速时响应迟滞的问题，提高了发动机的瞬态响应性能。^[31]