汽油机上的涡轮增压器

汽油机上的涡轮增压器
参加竞赛的跑车或方程式赛车一般在发动机上装有涡轮增压器，以使汽车迸发出更大的功率。发动机是
靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，所产生的功率也会受
到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加
燃料量，提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下
增加输出功率的机械装置。

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。

原理
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。

技术
涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环

境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度最高的是支承
涡轮轴运转的“浮式轴承”，它工作转速可达10万转／分以上，加上环境温度可达六、七百度以上，决非
一般轴承所能承受，由于轴承与机体内壁间有油液做冷却，又称“全浮式轴承”。

缺点
另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是，“滞后响应”，

即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秒，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。

改进
但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情，它是利用发动机的废气工作的，这些废气的能量如果不

加以利用也会白白地浪费掉。因此，自从涡轮增压器面世以来，人们就经常对它进行技术改造，例如提高加
工精度，尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙，以便提高废气能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐
热高，刚度强，重量轻的优点，可以将涡轮增压器做得更加紧凑，体积更少，而且能减少涡轮的“滞后响应”
时间。

在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先
天不足，会发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上，因此许多汽车制造公司都采
用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化。

提高压缩比是提高发动机功率的措施之一。而提高压缩比有两种途径，
一种是采用高顶活塞

及改变曲轴行程或者改变燃烧室形状，这是牵一动百的举措，花费较大；另一是增加进气量的方法，采用强
制性方式加大空气灌输量，就是涡轮增压器的方法，这是一种不改变发动机基本结构，花费较少的做法。在
“涡轮增压器”一文，已经简单介绍了它的构造、原理等方面的知识，现在再谈一谈它的具体形式。

差别以前废气涡轮增压器多用在柴油发动机上，例如载重汽车和大客车上的柴油发动机。现在不少轿车汽油
机上也使用废气涡轮增压器。轿车用的废气涡轮增压器都采用单入口涡轮外壳，也就是说只利用废气排气的
压力能量，不需使用其它的辅助能量。由于轿车发动机的转速范围大，因此废气涡轮增压器必须要有调节装
置，以使发动机能在一定转速范围内获得比较恒定的增压压力。另外，汽油机是点燃式点火，它的压缩比是
有一定范围限制的，过高就会引发爆燃。因此，还要有爆燃检测及控制机构，随时调整点火提前角。

安装轿车的废气涡轮增压器一般安装在排气管附近，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，同步旋转。

调节目前的涡轮增压器的调节装置大都在排气侧进行调节，当不需要增压时，例如怠速或者有爆燃先兆时，
一部分排气会通过旁通阀泄出而不进入涡轮增压器。当发动机转速每分钟达到1800转时，电磁阀就会关闭
旁通阀让排气流指向涡轮一侧，使涡轮转动。另外还有一种设计，就是调节涡轮叶片的角度，通过阻力的改
变来调节涡轮的转速，从而改变增压量。

冷却对空气进行冷却可以使空气收缩增大密度，在同等容积下塞进更多空气，还可以防止爆燃。因此轿车的
涡轮增压器都安装有中间冷却器，这种中间冷却器一般用空气冷却，安装在发动机散热器前面、旁边或者单
独一个位置，利用汽车迎面气流或者自身风扇冷却。

关键涡轮增压器的关键零件是轴承。这种根据润滑形式命名的轴承被称为“全浮式轴承”，工作转速极高，
工作环境恶劣。因此，保证润滑是非常重要的事情。如果因油压低导致机油供给缓慢，就会损坏轴承从而导
致涡轮增压器失效。在正常的发动机启动是不会发生此类故障的，但如果发动机更换机油和机油过滤器后第
一次启动，就会产生机油供给缓慢现象，使轴承缺乏机油润滑。在这种情况下，启动后要怠速运转3分钟左
右，不可直接将转速提升到涡轮增压器启动转速。同样，在高速及上坡后也不要使发动机立即停止，要使发
动机继续怠速运行1分钟左右，使仍继续空转的涡轮增压器轴承不会缺油。因此，使用涡轮增压器汽车的司
机，一定要遵循厂家的指示操作，还要十分注意机油的质量，不宜将涡轮增压器汽车视同一般汽车进行操作。

以前涡轮增压器大都用在柴油发动机上，现在一些汽油发动机也采用涡轮增压器。因为汽油和柴油的燃
烧方式不一样，因此发动机采用涡轮增压器的形式也有所区别。“涡轮增压器之二”一文已经略提过，这里
再阐述一下汽油机涡轮增压器。

汽油发动机不同于柴油发动机，它进入气缸的不是空气，而是汽油与空气的混合气，压力过大容易爆燃。
因此，安装涡轮增压器必须要解决爆燃问题，这里涉及两个相关问题，一个是高温控制，另一个是点火时间
控制。因为强制增压后，汽油机压缩和燃烧时的温度和压力都会增加，使爆燃倾向增大；另外，汽油机排气
温度比柴油机高，而且不宜采用增大气门重叠角（进、气排门同时开启的时间）的方式来加强排气的降温，
降低压缩比又会造成燃烧不充分；还有汽油机的转速比柴油机高，空气流量变化大，很容易造成涡轮增压器
反应滞后。因此，针对汽油机使用涡轮增压器可能出现的一系列问题要一一做改进，才能使汽油机也用上废
气涡轮增压器。

中冷器的作用
涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会增高，空气在流动过程中与进气管壁摩擦还会进一步升温，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，空气的热量通过它而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压
缩比能保持一定比值而不会产生爆燃，同时降低了温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。

叶轮的作用
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，叶片厚度只有0.5毫米以下，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。因为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。

爆燃传感器的作用
除了降低温度来减少爆燃的可能外，还要采用爆燃传感器，它的作用就是在产生爆燃之时，传感器感到
不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ECU（电子控制单元）控制系统，将点火定时稍推迟一点，如果不
产生爆燃再恢复正常点火定时。
总的来说，由于轿车汽油机的转速比柴油机高，空气流速快而且变化范围大，因此它的涡轮增压器有更
高的要求。现代轿车发动机已普遍采用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，涡轮增压器在汽
油机上的应用也会日益普遍。