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摘 要：文章在介绍废气涡轮增压器的构造原理基础上，分析了汽油增压发动机存在的问题，并据此提出了汽油机增压爆燃的改进措施。
关键词：汽油机；废气涡轮增压器；改进措施
中图分类号：TK403.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）9-0010-02
由于废气涡轮增压器在改善汽油发动机动力性能、经济性能及排放品质上的巨大贡献而在国内汽油车上广泛使用，一般而言，加装增压器后的发动机在其结构和尺寸不变的情况下，功率及扭矩要增大20%～50%。如帕萨特 1.8 T发动机，相当于2.4发动机的动力，降低比油耗5%左右，增压后进气温度提高，混合气可以适当变稀，从而可以使CO和HC的排放量有所降低。整机动力性能、经济能及排放品质得到改善。
1 废气涡轮增压器的构造原理
1.1 构造
涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器，涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。
1.2 工作原理
涡轮增压器工作原理如图1所示。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它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管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
2 增压发动机存在的问题
汽油机采用增压技术与柴油机相比通常存在以下问题。
2.1 汽油机增压易发生爆燃
增压使压缩终了混合气的温度、压力趋于升高，实际上相当于压缩比的提高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比ε较低，因而造成膨胀不充分，致使排气温度较高，热效率下降。所以，增压汽油机的增压比一般小于2；功率增幅不超过40%～50%；燃油经济性难以改善。
2.2 汽油机增压热负荷大
汽油机混合气的浓度范围窄（过量空气系数α=0.85～1.1），燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大；同时，汽油机又不能通过提高气门重叠角（α+δ）加大扫气来冷却受热零件（如气门、燃烧室等），造成汽油机在增压后的热负荷偏高。汽油机增压后热负荷大又促使爆燃倾向的发生。
2.3 汽油机与增压器匹配困难
与柴油机相比，汽油机的转速比柴油机高，转速范围宽，从低速到高速混合气质量流量变化大。当节气门突然开大时，很容易造成涡轮增压器反应滞后。增压器响应滞后造成动力响应的滞后，即所谓“滞后响应”，由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7 s，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。另外，汽油机增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏，并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。
3 汽油机增压爆燃的改进措施
要解决汽油机增压存在的障碍，首先要在不影响汽油机其它性能的条件下防止爆燃和控制增压压力。引起汽油机爆燃的原因是由于压缩机温度Ta过高，末端混合气受已燃混合气的加热和辐射，自身温度、压力升高，在火焰前锋未到达前达到自燃点而发生自燃现象。因而一切能够使压缩机温度Ta降低的方法均可以达到限制爆燃的目的。其具体措施有：
3.1 增压中冷
增压后增压器出口温度（进入气缸的进气温度）Tk与非增压汽油发动机进气温度（接近大气温度）相比要高很多。
涡轮增压器吸进的空气经压缩温度增高了，在流动时与进气管壁摩擦还会进一步增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试，若使进气温度冷却至60 ℃，即使压缩比ε=8～11，发动机仍然不会发生爆燃。同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。
3.2 叶轮叶片
由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5 mm以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。
可调叶片式涡轮增压系统能够在发动机整个范围内调整进气增压的压力。当发动机转速低时，叶片开度减少，减少废气流通截面，使废气流速增加，提高废气涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速高时，叶片开度增大，增加废气流通截面，使废气流速降低，维持废气涡轮转速在正常范围内，保证进气压力的稳定。可调叶片式涡轮增压器通过改变涡轮的流通截面来实现与发动机在各个车速工况下的最佳匹配，使发动机的性能达到最佳。
3.3 双涡轮增压
针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。
并联涡轮指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的，它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。例如V6发动机，可每三个气缸一个小增压器。这种小尺寸增压器的主要优点是其转动惯量较小，即使驾驶员通过加速踏板施加最轻微的作用力，也会立即产生压力。因此不会再感觉到以前涡轮增压发动机典型的涡轮效应滞后现象。
串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转速时转扭大，加油反应快，高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。
3.4 增压压力的控制
有的发动机在节气门前和中间冷却器后各安装一个进气压力传感器，节气门前的压力传感器监控增压压力、控制增压压力。中间冷却器后的压力传感器监控进气量。
同时为了限制涡轮最高转速，使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值，排气旁通阀，是目前涡轮系统中最常见的泄压装置，一般又被称为连动式排气泄压阀。直接配置在涡轮上，利用一支连杆来控制涡轮排气中的阀门，当涡轮压缩空气端的增压值达到限定的程度，进气压力便会推动排气旁通阀的连杆，使涡轮排气侧内的旁通阀门开启，部分废气不经涡轮叶轮直接排到排气管。这样减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，涡轮叶轮转速降低，同时带动压气机叶轮转速降低。因此排气旁通阀既是限制涡轮最高转速的装置，也是使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值（不会长时间过高）的装置。
4 结 语
汽油机的增压技术是一门新技术，随着电子控制技术不断发展及新型材料的不断出现，其热负荷与爆燃及高转速等技术问题，不断会得到更好解决，使汽油机动力性得到进一步提高，成为发展的方向。
参考文献：
[1] 魏炜，李明海.涡轮增压技术在汽油发动机上的应用[J].中国高新技术企业，2010，（25）.
[2] 唐建生.现代汽油发动机涡轮增压器探析[J].硅谷，2012，（13）.
[3] 马明芳.电控废气涡轮增压系统的结构与工作原理[J].汽车运用，2008，（7）.
[4] 汤定国.汽车发动机构造与维修[M].北京：人民交通出版社，2005.
关键词：汽油机；废气涡轮增压器；改进措施
中图分类号：TK403.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）9-0010-02
由于废气涡轮增压器在改善汽油发动机动力性能、经济性能及排放品质上的巨大贡献而在国内汽油车上广泛使用，一般而言，加装增压器后的发动机在其结构和尺寸不变的情况下，功率及扭矩要增大20%～50%。如帕萨特 1.8 T发动机，相当于2.4发动机的动力，降低比油耗5%左右，增压后进气温度提高，混合气可以适当变稀，从而可以使CO和HC的排放量有所降低。整机动力性能、经济能及排放品质得到改善。
1 废气涡轮增压器的构造原理
1.1 构造
涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器，涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。
1.2 工作原理
涡轮增压器工作原理如图1所示。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它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管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
2 增压发动机存在的问题
汽油机采用增压技术与柴油机相比通常存在以下问题。
2.1 汽油机增压易发生爆燃
增压使压缩终了混合气的温度、压力趋于升高，实际上相当于压缩比的提高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比ε较低，因而造成膨胀不充分，致使排气温度较高，热效率下降。所以，增压汽油机的增压比一般小于2；功率增幅不超过40%～50%；燃油经济性难以改善。
2.2 汽油机增压热负荷大
汽油机混合气的浓度范围窄（过量空气系数α=0.85～1.1），燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大；同时，汽油机又不能通过提高气门重叠角（α+δ）加大扫气来冷却受热零件（如气门、燃烧室等），造成汽油机在增压后的热负荷偏高。汽油机增压后热负荷大又促使爆燃倾向的发生。
2.3 汽油机与增压器匹配困难
与柴油机相比，汽油机的转速比柴油机高，转速范围宽，从低速到高速混合气质量流量变化大。当节气门突然开大时，很容易造成涡轮增压器反应滞后。增压器响应滞后造成动力响应的滞后，即所谓“滞后响应”，由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7 s，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。另外，汽油机增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏，并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。
3 汽油机增压爆燃的改进措施
要解决汽油机增压存在的障碍，首先要在不影响汽油机其它性能的条件下防止爆燃和控制增压压力。引起汽油机爆燃的原因是由于压缩机温度Ta过高，末端混合气受已燃混合气的加热和辐射，自身温度、压力升高，在火焰前锋未到达前达到自燃点而发生自燃现象。因而一切能够使压缩机温度Ta降低的方法均可以达到限制爆燃的目的。其具体措施有：
3.1 增压中冷
增压后增压器出口温度（进入气缸的进气温度）Tk与非增压汽油发动机进气温度（接近大气温度）相比要高很多。
涡轮增压器吸进的空气经压缩温度增高了，在流动时与进气管壁摩擦还会进一步增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试，若使进气温度冷却至60 ℃，即使压缩比ε=8～11，发动机仍然不会发生爆燃。同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。
3.2 叶轮叶片
由于汽油发动机转速范围宽，空气流量变化大，因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片，一般有12～30片叶，呈放射线状曲线排列，叶片厚度在0.5 mm以下，采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理，质量越轻，叶轮的启动就越灵敏，涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。
可调叶片式涡轮增压系统能够在发动机整个范围内调整进气增压的压力。当发动机转速低时，叶片开度减少，减少废气流通截面，使废气流速增加，提高废气涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速高时，叶片开度增大，增加废气流通截面，使废气流速降低，维持废气涡轮转速在正常范围内，保证进气压力的稳定。可调叶片式涡轮增压器通过改变涡轮的流通截面来实现与发动机在各个车速工况下的最佳匹配，使发动机的性能达到最佳。
3.3 双涡轮增压
针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。
并联涡轮指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的，它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。例如V6发动机，可每三个气缸一个小增压器。这种小尺寸增压器的主要优点是其转动惯量较小，即使驾驶员通过加速踏板施加最轻微的作用力，也会立即产生压力。因此不会再感觉到以前涡轮增压发动机典型的涡轮效应滞后现象。
串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转速时转扭大，加油反应快，高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。
3.4 增压压力的控制
有的发动机在节气门前和中间冷却器后各安装一个进气压力传感器，节气门前的压力传感器监控增压压力、控制增压压力。中间冷却器后的压力传感器监控进气量。
同时为了限制涡轮最高转速，使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值，排气旁通阀，是目前涡轮系统中最常见的泄压装置，一般又被称为连动式排气泄压阀。直接配置在涡轮上，利用一支连杆来控制涡轮排气中的阀门，当涡轮压缩空气端的增压值达到限定的程度，进气压力便会推动排气旁通阀的连杆，使涡轮排气侧内的旁通阀门开启，部分废气不经涡轮叶轮直接排到排气管。这样减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，涡轮叶轮转速降低，同时带动压气机叶轮转速降低。因此排气旁通阀既是限制涡轮最高转速的装置，也是使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值（不会长时间过高）的装置。
4 结 语
汽油机的增压技术是一门新技术，随着电子控制技术不断发展及新型材料的不断出现，其热负荷与爆燃及高转速等技术问题，不断会得到更好解决，使汽油机动力性得到进一步提高，成为发展的方向。
参考文献：
[1] 魏炜，李明海.涡轮增压技术在汽油发动机上的应用[J].中国高新技术企业，2010，（25）.
[2] 唐建生.现代汽油发动机涡轮增压器探析[J].硅谷，2012，（13）.
[3] 马明芳.电控废气涡轮增压系统的结构与工作原理[J].汽车运用，2008，（7）.
[4] 汤定国.汽车发动机构造与维修[M].北京：人民交通出版社，2005.