对发动机增压装置的思考

周华卫

（海警第六支队，山东 烟台264119）

多年来，为了提高发动机的技术性能，业界在各方面不断创新，取得了重大技术突破。在众多的技术应用当中，增压技术的推广和应用无疑是发动机甚至是内燃机发展史上的一个飞跃。然而，增压装置在发动机的日常应用当中故障率较高，需要注意观察温度、压力等数据变化，精心维护保养。笔者结合多年实际工作经验，阐述心得，供大家参考。

1 增压装置的基本原理和分类

众所周知，发动机是靠燃油在气缸内燃烧，产生热能推动活塞往复运动，再通过连杆带动曲轴转动来产生功率的。燃油在气缸中燃烧需要空气，吸入气缸的空气量就直接限制了燃油的燃烧率，进而影响发动机产生的功率。因此，想方设法增加燃烧室的进气量，使更多的燃油能在燃烧室内燃烧，就成为增加发动机输出功率的一项重要措施。在此理论基础上，增压装置就应运而生。从目前的技术条件来看，增压装置是发动机在尽可能少增加质量的情况下增加输出功率最有效的机械装置。

1.1 发动机增压装置的概念

发动机增压装置简单来说其实就是一种附属在发动机机体上的空气压缩机，将压缩空气输送到燃烧室内，来增加发动机的进气量，从而增加发动机的功率。与此同时，由于燃油的燃烧效率得到了提高，发动机更加省油，废气排放量进一步降低。

1.2 发动机增压装置的种类

机械增压：机械增压装置的动力来源是发动机的输出功率。通过传动齿轮使发动机曲轴带动增压器的转子旋转，从而将空气压缩，使其进入气道。其优点是，因增压器的涡轮转子与发动机的曲轴相连，所以它们的转速一致或者成比例关系，因此不会出现滞后现象，增压器与发动机的匹配非常流畅，而且结构简单，工作可靠。缺点是由于需要发动机的曲轴带动增压器运转，因此需要消耗发动机的部分功率。另外，随着压缩空气压力的提高，对柴油机功率的消耗量也随之提高，增压效果并不明显。因此只有对压缩空气压力要求不高的发动机才会选择机械增压方式。

废气涡轮增压：目前市面上的发动机普遍采用废气涡轮增压方式。废气涡轮增压器不与发动机的功率输出端相关联，因此不会消耗发动机的功率。它的原理是，发动机排出的废气具有相当大的推力，充分利用这部分推力来推动增压器涡轮室内的涡轮，与涡轮同轴的叶轮将由空气滤清器管道送来的新鲜空气压缩送入气缸。由于废气排出速度与发动机转速成正比例关系，涡轮和同轴的叶轮也就与发动机的转速成正比例关系。当发动机的转速上升，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大，燃油的燃烧率也就随之增大，也就能充分燃烧更多的燃料，提供更大的功率。废气涡轮增压器主要由两个主要部分组成：一个是涡轮机，另一个是压气机。废气通过涡轮机的喷嘴环吹向涡轮，推动涡轮旋转，从而带动同轴的压气机叶轮旋转，实现增压。废气涡轮增压技术需要注意的问题是增压器与发动机的排气管相连，由于发动机排气温度较高，所以压缩空气和增压器的工作温度都很高。一般都会设置冷却装置来降低增压空气温度。降低增压空气温度可达到以下两个目的：①提高进入气缸的空气量。原因是根据空气的特性，温度较低时，空气密度较大。②降低整个机体的温度。

气波增压：气波增压器主要是由燃气定子、空气定子和特殊机构形状的转子组成，转子通过皮带与柴油机曲轴相连，需要消耗部分发动机功率，并且受到安装位置的限制。气波增压气主要是利用发动机燃气的能量在转子形成的狭长气道内将空气压缩，完成增压。这种系统增压性能好、加速性好但是整个装置比较笨重，发出的噪声比较大，因此实际采用的比较少。

复合增压：将废气涡轮增压和机械增压两种技术组合使用的增压装置。大功率发动机上多采用这种增压装置。由于复合增压装置的结构过于复杂，维修保养的费用较大，目前采用这种增压方式还没有得到广泛使用。

2 废气涡轮增压器常见故障及其原因

由于废气涡轮增压器使用的较为普遍，所以着重介绍这种增压器的常见故障及处理方法。

2.1 喘振

增压器工作时，当空气流量由于各种原因减小到一定程度，在压气机叶片通道和扩压气叶片通道中，气流都可能会产生附面层分离，从而出现气流压力不稳定的现象，使增压器发出嘶鸣声和剧烈震动。此现象称为增压器喘振，这种现象对增压器损伤很大。

引起喘振的主要原因如下：①空气通道脏堵。包括压气机叶轮和扩压器叶片，喷嘴环和涡轮叶轮等在内的任何一个地方出现脏堵，都会使空气流量减少，引起增压器喘振。处理措施是经常检查清洗关键部位。②发动机急加速急减速。当发动机的转速急剧变化时，由于增压器的涡轮是由废气提供动力，所以转速变化会相对发动机滞后，从而引起增压器喘振的发生。应在发动机的工作过程中尽量避免急加速急减速的操作。③各缸负荷不均。个别气缸发生故障或者调整不当，会使各个气缸的排出废气量不均衡，造成废气涡轮所得排气能量不均，使增压器内气流波动产生喘振。

2.2 压力下降

引起压力下降的原因有：①空气滤清器滤芯粘满尘土而阻塞，进气不畅，导致压力下降，此时应清洁或更换空气滤芯。②空气通道脏污。油污灰尘粘附在增压器的叶轮和扩压器的通道上，就会气流不畅，造成增压器压力下降。为避免这种现象，就要定期拆洗增压器。③涡轮积碳。燃油燃烧不充分、涡轮轴漏油等原因会造成涡轮积碳，运转不良。排除方法是防止烧机油，定期拆洗涡轮机。④增压器密封不好。废气或者空气泄漏，都会导致增压压力的降低。排除方法是更换密封件。⑤调节阀失灵。压力调节阀故障会使增压压力值较低时就放掉了较多的废气，致使增压压力降低。此时应检修调节阀。

2.3 压力上升

引起压力上升的原因有：①排气温度过高。如果喷油系统故障发生喷油滞后、着火滞后期过长等现象，会使排气温度过高，造成涡轮转子超速，增压器压力过高。应及时对喷油系统予以检修。②气门漏气或者配气机构故障，也会使排气温度过高，造成增压压力上升。此时应检修气门和配气机构。③增压压力调节阀故障，无法使多余的废气旁通，造成增压压力上升，此时应检修或更换压力调节阀。④喷嘴环故障、变形或者积碳脏堵，使增压压力上升。此时应检修或更换喷嘴环。

2.4 异响

增压器在工作过程中声音不正常，除了喘振，可能还由不正常的摩擦所致。基本上是叶轮与壳体、轴承与止推片、轴承与密封环等之间的摩擦。原因可能是叶片变形、有异物进入、转子平衡被破坏等。平时在使用过程中应多注意听增压器的工作声音，一旦感觉不正常，应及时检修，防止出现更大的故障。

3 发动机增压技术的发展趋势

增压器现在已经成为发动机的一个重要部件，从当前国内外发动机的发展趋势看，节能减排、高压缩比、新型材料、可靠性好已经成为成为增压器在今后的发展方向。

混流涡轮是提高增压器效率的一个重大技术突破，因为混流涡轮能在相同轮径的情况下，比径流涡轮流通能力大大提升。现在已经有多家增压器公司已经采用了混流涡轮来提高增压器性能。

可变喷嘴截面增压器也是一个发展趋势。可变喷嘴截面增压器与电控技术结合，能够实现发动机与增压器在各种工况下的最佳匹配。

对增压器轴承的研究将是未来的一大课题。从统计来看，涡轮增压器轴承发生故障的概率极大，提高轴承的使用寿命，主要从轴承的材料和冷却方式入手。

陶瓷涡轮增压器在今后将得到广泛应用。因陶瓷材料耐热性能好、质量轻，所以非常适合运用在小型涡轮增压器上，特别是汽油机发动机上。但是陶瓷也存在着耐冲击性差、加工困难等缺点，从这方面来看，氮化硅陶瓷材料性能最好。