废气涡轮增压器可变技术的分析与研究
废气涡轮增压器可变技术的分析与研究[20191208101147]
摘 要
根据涡轮增压器组成，结构特点，从能量转换角度阐明了径流式涡轮机、离心式压气机的工作原理，对抑制爆燃的降低压缩比及可变压缩比技术等进行了分析，剖析了采用进或排气旁通和变截面涡轮来实现增压比的调节的机理，对应用脉冲增压与可变截面涡轮减小反应滞后的原因进行了论述。对汽油机涡轮增压新技术开发研究的主要方向作了展望。
关键字:涡轮增压压缩比可变技术爆燃
目 录
1. 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究的目的和意义 1
2. 说明 3
2.1 车用增压系统按其机构形式的分类 3
2.2废气涡轮增压系统 4
2.3 新技术的应用 5
2.4 小结 5
3. 废气涡轮增压器的构造及工作原理 6
3.1 废气涡轮增压器的构造 6
3.1.1 径流式涡轮机 6
3.1.2 压气机 7
3.2 涡轮增压器的工作过程 9
3.3 小结 9
4. 汽油机增压的主要技术障碍分析 10
4.1 主要技术障碍的分析 10
5. 废气涡轮增压器可变技术的分析与研究 11
5.1 可变涡轮增压技术 11
5.2 可变废气涡轮增压器与发动机的匹配性能 11
5.3 可变涡轮增压技术的分类 13
5.4 反应滞后现象分析 13
5.4.1 脉冲增压系统 13
5.4.2 采用双涡轮技术 14
5.4.3 采用低惯性转子 14
5.4.4 辅助增压 14
5.5 对增压比的控制 15
5.6 小结 16
6. 可变增压涡轮技术的应用 17
6.1先进的可变涡轮增压器 17
6.2可变废气涡轮增压系统在柴油机上应用情况介绍 17
7. 展望 19
结束语 22
参考文献 23
致谢 24
1.前言
1.1研究背景
我们都知道现代车用高速柴油机，汽油机的重要发展应用之一便是涡轮增压技术的可变分析与研究。其中升功率是发动机的一个重要的强化指标，它的提高有两种方式，即提高平均有效压力或提高标定转速，但是提高标定转速会增加运动件的惯性力使其机械效率下降，同时会增加机件磨损，所以两种方法相比提高平均有效压力的可行性更高。增压技术是提高发动机平均有效压力的有效方式，因此装配涡轮增压发动机的汽车，比装配相同排量自然吸气式发动机的汽车动力更强，排放更好，同时由于发动机的重量减轻使得汽车的整备质量下降，还有利于汽车获得更好的使用经济性性能。
早在20世纪20年代赛车就开始采用机械增压，后来逐渐过渡到废气涡轮增压，从1986年以来几乎所有的赛车都安装了废气涡轮增压器。70年代以来，世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压技术的研究工作，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和汽车在高原地区功率的恢复等特殊领域，且随着科学技术的进步，利用EGR抑制NOx的生成量和三元催化降低有害成分并增压的发动机越来越普及，和普通的非增压发动机相比，该技术使得增压汽油机的排放得到了改善。自80年代中期以来，国外汽油机增压技术发展迅猛，随着中冷器技术、复合增压技术、电辅助涡轮增压、可变气门正时技术及电子控制技术在发动机上共同的应用，汽油机的性能已经得到了较大提高。
1.2研究的目的和意义
众所周知，汽油机增压已有相当长的发展。比如：2005年问世的由大众集团生产的世界上首台新型涡轮增压的直喷汽油发动机，而这款2.0 L FSI(Fuel Stratified Injection，燃料分层喷射)发动机普遍适用于大众集团生产制造的诸多车型，像奥迪A3，A4，A6和高尔夫GTI等。2.0 L FSI被评为“2005年最有影响力的发动机”。这款发动机充分结合了涡轮增压，FSI拥有性能高和油耗低的特点。
但是目前汽油机的废气涡轮增压的技术状况还不完善，仍然有许多需要改进的地方。比如:易发生爆燃、汽油机增压热负荷大、汽油机与增压器匹配困难等。这些技术问题限制了废气涡轮增压技术在汽油机上的应用。
本课题拟对汽油机废气涡轮增压技术从结构、工作原理等方面进行较为全面的阐述；对现有的降低压缩比、对增压比进行控制、减小增压后的“反应滞后”、采用增压中冷技术等进行分析和研究；明确存在的优点、不足；确定改进的方向或提出进一步的改进措施及建议等，为其推广应用奠定初步的基础。
2. 说明
2.1车用增压系统按其机构形式的分类
发动机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧的燃料量的限制，燃料量又受到每个循环内气缸所能吸入空气量的限制。如果空气能在进入气缸前得到压缩而使其密度增大，则同样的气缸工作容积可以容纳更多的新鲜充量，因而就可以多供给燃料，得到更大输出功率。这就是增压的基本目的。
1)发动机技术增压的优势有：
(1)比质量小、升功率大；
(2)降低造价、提高材料利用率；
(3)排放降低；
(4)有利于高原等稀薄条件工作。
2)发动机增压技术的代价：
(1)热负荷与机械负荷大；
(2)低速时转矩受影响；
(3)加速响应性差；
(4)增压器对发动机性能优化的限制。
3)车用增压系统按照其结构形式的分类如表2-1所示：
表2-1 车用增压系统按照其结构形式的分类
类别 结构或工作原理 用途或特点
机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压器来实习对进气压缩 用于小功率发动机
废气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压 用于柴油机
复合式废气涡轮增压 将废气功力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作
组合式涡轮增压 由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成 在该系统中，除废气涡轮外还有稳压箱，共振器等
气波增压 由驱动轴驱动一个特殊转子，在转子中废气与空气直接接触，利用高压废气的脉冲气波使空气在互相不混合的情况下受到压缩，利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，从而提高进气压力
其中废气涡轮增压系统是目前应用最为广泛的发动机增压装置。
2.2废气涡轮增压系统
废气涡轮增压系统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，带动同轴的叶轮压送由空气滤清管道送来的空气，使之增压进入气缸。由于废气涡轮增压器利用排气能量驱动，与发动机之间没有任何机械传动连接，使得它的机械效率更好。同时它不需要复杂的传动机构，因此成为目前应用最为广泛的发动机增压装置。采用废气涡轮增压，保证了低俗时发动机具有较高的转矩且在标定点附近增压压力不会很高。
废气涡轮机与压气机构成一个整体，称为废气涡轮增压器。它的结构简单并且工作可靠，为了提高功率30%-50%就要在一般自吸式发动机上来进行必要的改装和匹配实验。在排放方面增压机与非增压机相比较，有害气体HC和CO的排放量一般为非增压机的1/3—1/2，NOx排放量也会有明显的下降，尤其是在采用了增压中冷技术之后，为了能够减少有害排放物的同事和非增压机相比较的情况下，因为废气能量可以进一步利用，所以增压发动机的排气噪声也降低了。但是采用废气涡轮增压技术的发动机的低速转矩性能和加速性能会有降低，这就需要通过其它技术来改善。
2.3新技术的应用
通过涡轮增压器的调节，可控制增压比，防止发动机超负荷运行。采用增压中冷技术、可变压缩比技术可以有效抑制爆燃现象，还可减小因防止爆燃而降低压缩比导致的热效率下降等现象。不仅如此，采用可变截面涡轮技术，传统废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象也得到了很好的控制，达到了改善车用增压发动机低速转矩特性的目的。还可改善发动机部分负荷特性和满足高原地区工作发动机功率的恢复。
2.4小结
增压是利用增压器将空气或可燃气体进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸的新鲜充量密度增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性能的目的。
增压的基本类型分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压三种。实现进气增压的装置称为增压器。对应的增压器有机械增压器、废气涡轮增压器、气波增压器。由于机械增压通过发动机的机械联系，完成增压功能，因此仍然消耗发动机的一小部分功率；对于气波增压，因为是概念型增压，离实际应用尚有许多技术问题需要解决；废气涡轮增压则是压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器；涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。因此，废气涡轮增压是利用发动机废气可用能而无需消耗任何有效功，是目前应用最为广泛的发动机增压装置。
3.废气涡轮增压器的构造及工作原理
3.1废气涡轮增压器的构造
废气涡轮增压系统的核心装置-----废气涡轮增压器。
3.1.1径流式涡轮机
径流式涡轮机的构造及工作原理，径流式涡轮机结构如图3-3所示。发动机所排出的废气由蜗壳引导进入喷管。这样从喷管流出的气体的速度就大大的提高了，然后利用带着很大动能的气流去冲击叶轮，使叶轮能够快速旋转。因为推动叶轮旋转的排气的温度会高达700摄氏度左右，叶轮在工作时还要承受巨大的离心作用，所以如果叶轮的质量比较大会加深涡轮增压后的“反应滞后”现象，因此要求叶轮使用耐热、质量轻的材料制造。在这方面，镍基耐热合金钢和质量比较轻的陶瓷材料是不错的选择，需要说明的是：陶瓷材料虽然可以减轻质量但是耐热冲击性能差[4]。
由进气蜗壳、喷嘴叶片环、工作叶轮、出气道等组成的径流式涡轮机具有如下结构特点：
进气蜗壳：周向布置，引导废气均匀地进入涡轮径流式涡轮机。
喷嘴叶片环：周向均匀安装，带有一定倾角的叶片所组成的多个渐缩通道。废气流经时使气流速度增大、动能增大。
工作叶轮：叶片间的通道呈渐缩状，进一步增速，并使高速气流在离心力作用驱动工作轮高速运动，使压气机工作轮转动。
出气道：使废气作功后顺畅排入大气中。
1-叶轮；2-叶片；3-叶片式喷管；4-蜗壳
图3-3 径流式涡轮机
图3-4为径流式涡轮机工作原理简图。
图3-4 径流式涡轮机工作原理简图
径流式涡轮机的能量转换过程如下：
具有动能、压力能及高温的废气以一定的流速通过进气蜗壳冲入喷嘴叶片环；流经喷嘴叶片环渐缩通道的废气部分压力能转化为动能，使废气动能增加；此时的废气动能的增加是由废气压力能下降而转换的，当然废气温度也有所下降；经加速的废气流入工作叶轮，废气部分压力能进一步转化为动能，即废气继续膨胀动能增加，而其压力能继续下降，温度下降；当废气冲向工作叶轮叶片时，气流转弯，由于离心力的作用，动能转化压力能作用在叶片的凹凸面。凹面压力提高，凸面压力下降，合力产生转矩实现机械能的转化，使转子旋转。
完成膨胀的废气速度降低、温度下降，压力下降并通过出气道排出。
3.1.2压气机
1)压气机的构造
图3-5所示为离心式压气机结构。由进气道、压气机叶轮、扩压器、出气蜗壳组成。其主要功能及结构特点为：进气道，收敛型结构，使空气略有加速并顺畅地流进入工作轮；工作轮：把机械能传递给气体，转变成气体的动能，使气体运动线速度加大对气体进行压缩，完成机械能转换成压力能的转换；扩压器：渐扩形结构，使得从工作轮出口进入扩压器的气体进一步压缩，压力上升，流速下降，实现动能继续转变压力能的转换；出气蜗壳：渐扩形结构，使气体进一步压缩，压力继续上升，流速继续下降；实现动能继续转变压力能的转换，并使增压气体顺畅进入气缸。
1-进气道；2-工作轮；3-扩压器；4-出气蜗壳
图3-5 离心式压气机简图
2)增压的过程
如图3-6所示，空气先是沿着轴向进气通道进入工作轮，在离心力的作用下在压气机叶片之下形成流动，再流向周边由于工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工作轮的机械能传递给气体，转变为气体的动能，使气体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所受径向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动，达到了增压的目的。在扩压器和出气蜗壳中进一步动能转化成压力能。
图3-6 气流参数的变化
3.2涡轮增压器的工作过程
涡轮增压器就是一种空气压缩机，压缩空气来增加进气量。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就使空气的压力增加使之密度增大，压缩后使更多的空气进入气缸，经电子控制喷射系统喷射与之空燃比匹配的空气。由于每循环空气质量的增加，相应增加匹配的燃料量，使得输出功率增大。
3.3小结
由废气涡轮增压器的构造及工作原理可知，废气涡轮的主要组成有离心式压气机、径流式涡轮机以及中间体。其中径流式涡轮机主要是把废气所拥有的能量尽可能地转化为涡轮旋转的机械功，然后传递给离心式压气机，再经过离心式压气机的作用把机械功转化为空气流的压力能。在此一系列的能量转换过程中，废气的部分压力能和动能转换成涡轮增压器的机械能；机械能通过离心式压气机转换成新鲜空气的压力能，使得空气压力上升，密度增加，从而实现增压。由于废气涡轮增压器与发动机无任何机械联系，因此，无需消耗发动机的功率。某种意义上说是发动机废气能量的利用。
因此，可以说废气涡轮增压技术在发动机废气可用能量的利用中是成功的典范。
4.汽油机增压的主要技术障碍分析
4. 1主要技术障碍的分析
由于柴油发动机装配废气涡轮增压器相可以匹配，废气涡轮增压技术已经在大量使用。但车用汽油机废气涡轮增压技术存在不少问题和技术障碍。这些问题和技术障碍限制了废气涡轮增压技术在车用汽油机上的应用。限制汽油机增压的主要技术障碍是爆燃、混合气的控制、热负荷和增压器的特殊要求等。
摘 要
根据涡轮增压器组成，结构特点，从能量转换角度阐明了径流式涡轮机、离心式压气机的工作原理，对抑制爆燃的降低压缩比及可变压缩比技术等进行了分析，剖析了采用进或排气旁通和变截面涡轮来实现增压比的调节的机理，对应用脉冲增压与可变截面涡轮减小反应滞后的原因进行了论述。对汽油机涡轮增压新技术开发研究的主要方向作了展望。
关键字:涡轮增压压缩比可变技术爆燃
目 录
1. 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究的目的和意义 1
2. 说明 3
2.1 车用增压系统按其机构形式的分类 3
2.2废气涡轮增压系统 4
2.3 新技术的应用 5
2.4 小结 5
3. 废气涡轮增压器的构造及工作原理 6
3.1 废气涡轮增压器的构造 6
3.1.1 径流式涡轮机 6
3.1.2 压气机 7
3.2 涡轮增压器的工作过程 9
3.3 小结 9
4. 汽油机增压的主要技术障碍分析 10
4.1 主要技术障碍的分析 10
5. 废气涡轮增压器可变技术的分析与研究 11
5.1 可变涡轮增压技术 11
5.2 可变废气涡轮增压器与发动机的匹配性能 11
5.3 可变涡轮增压技术的分类 13
5.4 反应滞后现象分析 13
5.4.1 脉冲增压系统 13
5.4.2 采用双涡轮技术 14
5.4.3 采用低惯性转子 14
5.4.4 辅助增压 14
5.5 对增压比的控制 15
5.6 小结 16
6. 可变增压涡轮技术的应用 17
6.1先进的可变涡轮增压器 17
6.2可变废气涡轮增压系统在柴油机上应用情况介绍 17
7. 展望 19
结束语 22
参考文献 23
致谢 24
1.前言
1.1研究背景
我们都知道现代车用高速柴油机，汽油机的重要发展应用之一便是涡轮增压技术的可变分析与研究。其中升功率是发动机的一个重要的强化指标，它的提高有两种方式，即提高平均有效压力或提高标定转速，但是提高标定转速会增加运动件的惯性力使其机械效率下降，同时会增加机件磨损，所以两种方法相比提高平均有效压力的可行性更高。增压技术是提高发动机平均有效压力的有效方式，因此装配涡轮增压发动机的汽车，比装配相同排量自然吸气式发动机的汽车动力更强，排放更好，同时由于发动机的重量减轻使得汽车的整备质量下降，还有利于汽车获得更好的使用经济性性能。
早在20世纪20年代赛车就开始采用机械增压，后来逐渐过渡到废气涡轮增压，从1986年以来几乎所有的赛车都安装了废气涡轮增压器。70年代以来，世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压技术的研究工作，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和汽车在高原地区功率的恢复等特殊领域，且随着科学技术的进步，利用EGR抑制NOx的生成量和三元催化降低有害成分并增压的发动机越来越普及，和普通的非增压发动机相比，该技术使得增压汽油机的排放得到了改善。自80年代中期以来，国外汽油机增压技术发展迅猛，随着中冷器技术、复合增压技术、电辅助涡轮增压、可变气门正时技术及电子控制技术在发动机上共同的应用，汽油机的性能已经得到了较大提高。
1.2研究的目的和意义
众所周知，汽油机增压已有相当长的发展。比如：2005年问世的由大众集团生产的世界上首台新型涡轮增压的直喷汽油发动机，而这款2.0 L FSI(Fuel Stratified Injection，燃料分层喷射)发动机普遍适用于大众集团生产制造的诸多车型，像奥迪A3，A4，A6和高尔夫GTI等。2.0 L FSI被评为“2005年最有影响力的发动机”。这款发动机充分结合了涡轮增压，FSI拥有性能高和油耗低的特点。
但是目前汽油机的废气涡轮增压的技术状况还不完善，仍然有许多需要改进的地方。比如:易发生爆燃、汽油机增压热负荷大、汽油机与增压器匹配困难等。这些技术问题限制了废气涡轮增压技术在汽油机上的应用。
本课题拟对汽油机废气涡轮增压技术从结构、工作原理等方面进行较为全面的阐述；对现有的降低压缩比、对增压比进行控制、减小增压后的“反应滞后”、采用增压中冷技术等进行分析和研究；明确存在的优点、不足；确定改进的方向或提出进一步的改进措施及建议等，为其推广应用奠定初步的基础。
2. 说明
2.1车用增压系统按其机构形式的分类
发动机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧的燃料量的限制，燃料量又受到每个循环内气缸所能吸入空气量的限制。如果空气能在进入气缸前得到压缩而使其密度增大，则同样的气缸工作容积可以容纳更多的新鲜充量，因而就可以多供给燃料，得到更大输出功率。这就是增压的基本目的。
1)发动机技术增压的优势有：
(1)比质量小、升功率大；
(2)降低造价、提高材料利用率；
(3)排放降低；
(4)有利于高原等稀薄条件工作。
2)发动机增压技术的代价：
(1)热负荷与机械负荷大；
(2)低速时转矩受影响；
(3)加速响应性差；
(4)增压器对发动机性能优化的限制。
3)车用增压系统按照其结构形式的分类如表2-1所示：
表2-1 车用增压系统按照其结构形式的分类
类别 结构或工作原理 用途或特点
机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压器来实习对进气压缩 用于小功率发动机
废气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压 用于柴油机
复合式废气涡轮增压 将废气功力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作
组合式涡轮增压 由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成 在该系统中，除废气涡轮外还有稳压箱，共振器等
气波增压 由驱动轴驱动一个特殊转子，在转子中废气与空气直接接触，利用高压废气的脉冲气波使空气在互相不混合的情况下受到压缩，利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，从而提高进气压力
其中废气涡轮增压系统是目前应用最为广泛的发动机增压装置。
2.2废气涡轮增压系统
废气涡轮增压系统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，带动同轴的叶轮压送由空气滤清管道送来的空气，使之增压进入气缸。由于废气涡轮增压器利用排气能量驱动，与发动机之间没有任何机械传动连接，使得它的机械效率更好。同时它不需要复杂的传动机构，因此成为目前应用最为广泛的发动机增压装置。采用废气涡轮增压，保证了低俗时发动机具有较高的转矩且在标定点附近增压压力不会很高。
废气涡轮机与压气机构成一个整体，称为废气涡轮增压器。它的结构简单并且工作可靠，为了提高功率30%-50%就要在一般自吸式发动机上来进行必要的改装和匹配实验。在排放方面增压机与非增压机相比较，有害气体HC和CO的排放量一般为非增压机的1/3—1/2，NOx排放量也会有明显的下降，尤其是在采用了增压中冷技术之后，为了能够减少有害排放物的同事和非增压机相比较的情况下，因为废气能量可以进一步利用，所以增压发动机的排气噪声也降低了。但是采用废气涡轮增压技术的发动机的低速转矩性能和加速性能会有降低，这就需要通过其它技术来改善。
2.3新技术的应用
通过涡轮增压器的调节，可控制增压比，防止发动机超负荷运行。采用增压中冷技术、可变压缩比技术可以有效抑制爆燃现象，还可减小因防止爆燃而降低压缩比导致的热效率下降等现象。不仅如此，采用可变截面涡轮技术，传统废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象也得到了很好的控制，达到了改善车用增压发动机低速转矩特性的目的。还可改善发动机部分负荷特性和满足高原地区工作发动机功率的恢复。
2.4小结
增压是利用增压器将空气或可燃气体进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸的新鲜充量密度增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性能的目的。
增压的基本类型分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压三种。实现进气增压的装置称为增压器。对应的增压器有机械增压器、废气涡轮增压器、气波增压器。由于机械增压通过发动机的机械联系，完成增压功能，因此仍然消耗发动机的一小部分功率；对于气波增压，因为是概念型增压，离实际应用尚有许多技术问题需要解决；废气涡轮增压则是压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器；涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。因此，废气涡轮增压是利用发动机废气可用能而无需消耗任何有效功，是目前应用最为广泛的发动机增压装置。
3.废气涡轮增压器的构造及工作原理
3.1废气涡轮增压器的构造
废气涡轮增压系统的核心装置-----废气涡轮增压器。
3.1.1径流式涡轮机
径流式涡轮机的构造及工作原理，径流式涡轮机结构如图3-3所示。发动机所排出的废气由蜗壳引导进入喷管。这样从喷管流出的气体的速度就大大的提高了，然后利用带着很大动能的气流去冲击叶轮，使叶轮能够快速旋转。因为推动叶轮旋转的排气的温度会高达700摄氏度左右，叶轮在工作时还要承受巨大的离心作用，所以如果叶轮的质量比较大会加深涡轮增压后的“反应滞后”现象，因此要求叶轮使用耐热、质量轻的材料制造。在这方面，镍基耐热合金钢和质量比较轻的陶瓷材料是不错的选择，需要说明的是：陶瓷材料虽然可以减轻质量但是耐热冲击性能差[4]。
由进气蜗壳、喷嘴叶片环、工作叶轮、出气道等组成的径流式涡轮机具有如下结构特点：
进气蜗壳：周向布置，引导废气均匀地进入涡轮径流式涡轮机。
喷嘴叶片环：周向均匀安装，带有一定倾角的叶片所组成的多个渐缩通道。废气流经时使气流速度增大、动能增大。
工作叶轮：叶片间的通道呈渐缩状，进一步增速，并使高速气流在离心力作用驱动工作轮高速运动，使压气机工作轮转动。
出气道：使废气作功后顺畅排入大气中。
1-叶轮；2-叶片；3-叶片式喷管；4-蜗壳
图3-3 径流式涡轮机
图3-4为径流式涡轮机工作原理简图。
图3-4 径流式涡轮机工作原理简图
径流式涡轮机的能量转换过程如下：
具有动能、压力能及高温的废气以一定的流速通过进气蜗壳冲入喷嘴叶片环；流经喷嘴叶片环渐缩通道的废气部分压力能转化为动能，使废气动能增加；此时的废气动能的增加是由废气压力能下降而转换的，当然废气温度也有所下降；经加速的废气流入工作叶轮，废气部分压力能进一步转化为动能，即废气继续膨胀动能增加，而其压力能继续下降，温度下降；当废气冲向工作叶轮叶片时，气流转弯，由于离心力的作用，动能转化压力能作用在叶片的凹凸面。凹面压力提高，凸面压力下降，合力产生转矩实现机械能的转化，使转子旋转。
完成膨胀的废气速度降低、温度下降，压力下降并通过出气道排出。
3.1.2压气机
1)压气机的构造
图3-5所示为离心式压气机结构。由进气道、压气机叶轮、扩压器、出气蜗壳组成。其主要功能及结构特点为：进气道，收敛型结构，使空气略有加速并顺畅地流进入工作轮；工作轮：把机械能传递给气体，转变成气体的动能，使气体运动线速度加大对气体进行压缩，完成机械能转换成压力能的转换；扩压器：渐扩形结构，使得从工作轮出口进入扩压器的气体进一步压缩，压力上升，流速下降，实现动能继续转变压力能的转换；出气蜗壳：渐扩形结构，使气体进一步压缩，压力继续上升，流速继续下降；实现动能继续转变压力能的转换，并使增压气体顺畅进入气缸。
1-进气道；2-工作轮；3-扩压器；4-出气蜗壳
图3-5 离心式压气机简图
2)增压的过程
如图3-6所示，空气先是沿着轴向进气通道进入工作轮，在离心力的作用下在压气机叶片之下形成流动，再流向周边由于工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工作轮的机械能传递给气体，转变为气体的动能，使气体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所受径向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动，达到了增压的目的。在扩压器和出气蜗壳中进一步动能转化成压力能。
图3-6 气流参数的变化
3.2涡轮增压器的工作过程
涡轮增压器就是一种空气压缩机，压缩空气来增加进气量。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就使空气的压力增加使之密度增大，压缩后使更多的空气进入气缸，经电子控制喷射系统喷射与之空燃比匹配的空气。由于每循环空气质量的增加，相应增加匹配的燃料量，使得输出功率增大。
3.3小结
由废气涡轮增压器的构造及工作原理可知，废气涡轮的主要组成有离心式压气机、径流式涡轮机以及中间体。其中径流式涡轮机主要是把废气所拥有的能量尽可能地转化为涡轮旋转的机械功，然后传递给离心式压气机，再经过离心式压气机的作用把机械功转化为空气流的压力能。在此一系列的能量转换过程中，废气的部分压力能和动能转换成涡轮增压器的机械能；机械能通过离心式压气机转换成新鲜空气的压力能，使得空气压力上升，密度增加，从而实现增压。由于废气涡轮增压器与发动机无任何机械联系，因此，无需消耗发动机的功率。某种意义上说是发动机废气能量的利用。
因此，可以说废气涡轮增压技术在发动机废气可用能量的利用中是成功的典范。
4.汽油机增压的主要技术障碍分析
4. 1主要技术障碍的分析
由于柴油发动机装配废气涡轮增压器相可以匹配，废气涡轮增压技术已经在大量使用。但车用汽油机废气涡轮增压技术存在不少问题和技术障碍。这些问题和技术障碍限制了废气涡轮增压技术在车用汽油机上的应用。限制汽油机增压的主要技术障碍是爆燃、混合气的控制、热负荷和增压器的特殊要求等。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/qcgc/1941.html
