基于节能减排要求的废气涡轮增压器改进对策

梁恩胜

（江苏海事职业技术学院，江苏南京211170）

基于节能减排要求的废气涡轮增压器改进对策

梁恩胜

（江苏海事职业技术学院，江苏南京211170）

随着油气能源的逐渐匮乏，人们环保意识的逐步提高，发动机增压技术已经成为了降低能源消耗、减少排放污染有效的措施之一。首先剖析涡轮增压器的结构和工作原理，然后对涡轮增压器的使用寿命、涡轮迟滞问题和爆震现象进行分析，并提出了这三个常见问题的改进方法，为日后增压器的研究提供一些参考。

节能减排；废气涡轮增压器；涡轮迟滞；爆震

随着现在油气资源的大量使用，汽油价格不断上涨，各个国家以及国际上对尾气排放越来越严格的控制，为了降低汽车的油耗，并减少尾气排放，涡轮增压器在汽车上的使用已经变得越来越多。但很多人对涡轮增压器的作用并不是很了解，而且现在的涡轮增压器使用寿命、涡轮迟滞及爆震等问题仍然客观存在，所以对增压器得安全性、稳定性等仍有一些顾虑。本文通过对涡轮增压器的结构和工作原理进行剖析，并对涡轮增压器的使用寿命、涡轮迟滞和爆震这三个常见问题进行分析，并提出了相应的改进对策，以期为日后增压器的研究提供一些参考。

1 涡轮增压器的工作原理

废气涡轮增压器是通过对汽油机废气的再利用，在相同的单位时间内，把更多的可燃混合气挤入燃烧室。在几乎没有任何额外能量损耗的条件下，为汽油机提升30%到40%的动力，甚至更高。从汽油机中排出的废气推动涡轮排气端的叶轮，再带动另一端的压气机叶轮，从而吸进从空气滤清器中送来的空气，由叶片压缩后再通过管径越来越小的压缩通道进行二次压缩，有的装有中冷器，对被压缩的空气进行冷却，防止汽油机爆震，最终注入燃烧室内燃烧，燃烧后的废气排出再重复以上的动作[1]。

2 涡轮增压器的改进对策

2.1 涡轮增压器的使用寿命与制造材料的改进

涡轮增压器需要持续在高温条件下进行工作。柴油机增压器的工作温度一般在600℃左右，汽油机增压器的工作温度则要达到800~900℃，某些特种车辆增压器工作温度要高达900~950℃.随着客户对汽油机性能要求的不断提高，增压器的工作温度还有可能进一步提高。所以对涡轮增压器材料的要求首先就是要耐高温，要有很好的抗氧化性，材料的抗氧化性好坏在高温工作条件下会直接影响到增压器的使用寿命。因为增压器壳体形状很复杂，制造材料还必须拥有良好的铸造性能。

一般来说，增压器的外壳包括中间体以及一些框架部分都是采用铸铁，球墨铸铁具有良好的铸造工艺性能，较好的力学性能和抗氧化性能，它的热疲劳强度也是铸铁中的佼佼者，因此它是目前制造涡轮增压器的主要材料，其中还要加入硅、镍等合金元素，进一步加强增压器的强度。

叶片在涡轮增压器的驱动组件中占有非常重要的位置，汽油机在高速旋转地工作时产生的离心力和较为恶劣的高温工作条件使涡轮叶片要承受较大的拉应力和热应力，因此，增压器叶片必须具有足够好的屈服强度、抗拉强度以及高的抗高温蠕变、高温氧化及燃气腐蚀性能，现在较为常用的材料有铸铝，合金钢，钛合金等[2]。

增压器的核心部件是轴承，轴承虽小却是整个涡轮增压器的生命，大部分增压器的损坏问题都是出在轴承上。浮动轴承的轴承壁一般采用锡铅青铜合金制造，表面会再镀上一层铅锡合金或金属铟作为保护。其他的轴承部分一般采用合金钢制造。滚珠轴承是现在研究的热点，它相比浮动轴承能更好的提高动力，也用滚珠代替了原本的机油润滑，但制造工艺成本也更高。它主要包含滚珠、外环、内环和保持器四个部件。滚珠和内环、外环通常用高铬钢制成，而保持器要求的硬度比滚珠和环要低，一般采用中碳钢、铝合金或者高分子材料就可以制成[3]。

2.2 涡轮迟滞现象分析及处理方法

涡轮迟滞时间是指当油门全开后，涡轮的增压压力从最小值升高到最大值所需要的时间。汽油机在低转速时，产生的废气量很少，不足以带动涡轮旋转。所以，需要等到汽油机转速提高之后，产生较多的废气，有足够的推动力时，涡轮才能启动。涡轮迟滞大预示着其可能突然发力，对于平常驾驶将难于掌握，有时驾驶者来不及对车辆的突然加速做出反应甚至有可能造成车祸的危险。针对这一问题，目前有两个解决的方向：第一，改善低速时的排气气流；第二，减少涡轮对排气气流的需求量，就是说产生的废气量不多时增压器也能正常工作。

第一个方向是采用安装双涡管的配置，通过两组排气管来对应不同的气缸，以保证排气气流更好地相互衔接和减少干扰，从而改善排气的气流。第二个方向则是改变涡轮，尽可能的缩小涡轮，让很少的废气也可以带动涡轮，汽油机低转速下，涡轮增压器也会启动，迟滞就会大大缓解。有的增压器则采用双涡轮的配置，使用两个涡轮后，单个涡轮的尺寸就相对缩小了，也就可以达到缓解迟滞的目的了。

2.3 爆震问题及其对策

爆震是汽油机上最为常见的问题之一，发生时会引起发动机抖动，噪音加大，严重时车身也会感觉到明显的抖动。它主要是由于点火角过于提前，燃烧室积碳，汽油机温度过高，空燃比不正确，燃油辛烷值过低或是清洁度不够。爆震会造成汽油机的动力下降，而油耗和噪音加大，排放出有害气体；最严重的是敲缸，会造成汽油机的损坏。目前普通汽油机的发生爆震问题的基本上已经很少了，但在涡轮增压汽油机上这个问题仍然存在。

现在涡轮增压器汽油机爆震问题最简单和直接的解决方法就是降低增压后空气的温度。所以中冷器在涡轮增压器上的作用就显得尤为重要了，因为中冷器的作用就是降低经过增压后的空气的温度，以此来降低高温给汽油机带来的负担。如果未经冷却的经过增压后的空气直接被送入燃烧室燃烧，就会导致汽油机的燃烧室温度过高，造成爆震。而且通过测试发现，增压后的空气温度每下降10℃，汽油机的功率就能提高3%到5%.

3 结束语

在地球能源消耗日益严峻的情况下，涡轮增压器在节省燃油的同时，还可以提升汽油机动力。另一方面，各种污染越来越严重，很多汽车公司也面临着更严格的排放法规，而涡轮增压器正可以很好地降低尾气排放，还能稳定汽油机，减少噪音。相信在不久的将来，增压器的制造和维护的费用将会越来越低，缺陷也会不断得到改善，效率将会越来越高，可以为人类带来更多的帮助。

[1]班效金.某汽油机涡轮增压器的匹配研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[2]张占贵.涡轮增压器叶片加工方法的比较[J].机械工程与自动化，2012，174（10）：58-59.

[3]陆刚.车用内燃机增压器陶瓷涡轮的研发与应用[J].汽车与配件，2012，914（1）：44-45.

Based on the Requirement of Energy Conservation and Emissions Reduction of Exhaust Gas Turbocharger Improvement Countermeasures

LIANG En-sheng
（Jiangsu Maritime Institute Department of Marine Engineering，Nanjing Jiangsu 211170，China）

As the oil and gas energy scarcity gradually，the gradual improvement of the people environmental protection consciousness，engine technology has become the lower energy consumption，one of the effective measures to reduce exhaust emissions. At first，this paper analyzes the structure and working principle of the turbocharger and the service life of the turbocharger and turbo lag problem and detonation phenomenon is analyzed，and puts forward the improved method of the three common problems，provides some

for the research of supercharger in the future.

energy conservation and emission reduction；exhaust-gas turbocharger；turbo lag；detonation

U464.135

A

1672-545X（2016）09-0082-02

2016-06-05

梁恩胜（1980-），男，河南信阳人，讲师，硕士，主要研究方向为轮机工程。