汽车增压器的技术进展

汽车增压器的技术进展

李博伟

中南大学能源科学与工程学院 湖南长沙

摘要

关键词 汽车 增压器 展望

1． 引言

近年来，世界各大汽车公司纷纷改革供应体制，实行全球生产、全球采购，即由向多个汽车零部件厂商采购转变为向少数系统供应商采购；由单个汽车零件采购转变为模块采购；由实行国内采购转变为全球采购。整车厂商采购体制的变革，要求汽车零部件厂商不断地与之相适应，不但要求汽车零部件生产企业扩大自己实力、 提高产品开发能力， 做到系统开发、系统供应，同时还要求其缩短开发周期，提供优质廉价产品。这一变革，推进了全世界增压器行业并购、重组的进程。对于增压器行业而言，企业重组既是企业走规模化道路的需求，也是市场发展的必然趋势，但前提是，供应企业首先要去了解并适应整车厂家的采购需求特征。通过企业重组可以实现技术、销售网络等资源的共享，在节约开发费用以及市场拓展费用方面将起到积极的作用。

2．汽车增压器的技术发展史

眼下，我们身边的带T车正越来越多，您知道涡轮增压器的发展史吗？

发动机增压技术首先来自于德国人的创意，1880年德国人开始着手研究发动机增压技术，并在一战期间应用于飞机上。当时采用的是机械式增压器，这项技术的发明使得当时的航空发动机能够尽可能的轻量化。1909年瑞典人布其博士提出采用废气涡轮增压。但在当时，这一概念并不被多数人所接受。1911年苏而寿(Sulzer)兄弟公司在瑞典的Winterthur成立，布其博士成为该公司的总工程师。

直至1917年，这种废气涡轮增压器开始获得实用。1925年，两艘德国船只上首次成功应用了2000 马力的涡轮增压柴油机，这也促使布其博士的废气涡轮增压器很快在欧洲、美国和日本获得了生产权。从20世纪30年代开始，轴流式涡轮增压器被大量运用到船只、有轨机动车及固定式机器。二战期间美军也将这种废气涡轮增压器应用于作战飞机。 虽然发动机增压技术的应用能够在不改变发动机工作容积的情况下，提高发动机功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于当时的技术条件所限，增压技术在汽车领域的应用中，一直未能获得更大的进展。

真正使得废气涡轮增压技术发展并逐渐成熟的是美国人。20世纪40年代后期，航空燃气轮机的出现，引起了材料技术与设计方面的重大革新。这对涡轮增压的发展产生了意义深远的影响，其中包括耐热材料的发展、高温材料的精密铸件技术的开发等，这引发了径流涡轮机的研究，以及径流涡轮增压在小型车用柴油机上的应用。而滑动轴承的发明，也成为废气涡轮增压技术进一步发展的基础，借助滑动轴承，目前的废气涡轮增压器转速普遍能够达到150000～170000转/分钟，这样高的转速是传统的滚珠轴承所无法达到的。

20世纪50年代，康明斯、沃尔沃和斯堪尼亚等主要的发动机制造商，开始研究在卡车

上运用废气涡轮增压器技术，这些增压器由Elliot和Eberspacher提供。最初，因增压器自身体积过大，这些早期的设计并未成功。后来，德国工程师Kurt Beirer设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增压器。该专利被Indianapolis的Schwitzer认购。

1952年，使用康明斯废气涡轮增压发动机的赛车在Indianapolis赛道的比赛中夺得冠军。1954年康明斯生产出了一系列型号的发动机，VT12、6缸NT，NRT‘s和JT‘s 。同年，沃尔沃生产了首台使用废气涡轮增压技术的柴油卡车TD96AS，额定功率为185马力，与自然吸气式D96AS相比提高了35 马力，同时还有着不错的燃油经济性。

时至今日，涡轮增压技术已十分娴熟而被广泛运用于汽车发动机，1880年到现如今，不觉已有100多年过去了，或许也是依靠了技术的积累和传承吧，您说对吗？

3．汽车增压的方式

3.1 增压及增压器

增压是发动机进气形式的一种，区分于普通自然吸气的发动机，它是将空气事先进行压缩，再注如气缸，按照增压器工作原理分为涡轮增压和机械增压两种 最早出现的增压器是安装在航空活塞式发动机上，在发动机上加装增压器，对高空稀薄的空气进行加压，从而克服随着海拔的提高发动机功率明显下降的不利因素。这种问题同样出现在汽车发动机上，当发动机高速运转时，一个进气行程的时间只有百分之几秒，在这么短的时间内吸进汽缸的空气量远小于汽缸的工作容积，使得汽缸内的空气密度低于大气密度。要提高容积效率，让发动机的功率和扭矩输出更高，就必须改善它的“呼吸”。而既然每次进气的时间无法延长了，对应的办法就是加装增压器，将空气事先加压，然后将高压气体注入汽缸，使汽缸内的空气压力高于外界空气

压力。增压发动机在拥有更好的动力表现的同时燃油经济性也是同功率级别的自然吸气式发动机不可比拟的。

3.2 机械增压(supercharg)：同发电机、空调一样由发动

机曲轴带动皮带提供动力，驱动压缩机压缩空气。由于发动机转速以及皮带轮传动比不可能太高，所以增压器的转速就受到限制，产生的压力低于1.0Kg/cm属于低压增压，对于功率和扭矩的提高不是很大，但是由于其直接传动的特性，所以动力响应比较灵敏，不存在迟滞现象。

3.3涡轮增压(turbo)：是废气涡轮增压的简称，增压器有两个

相互隔绝的涡轮室，里面的两个涡轮同轴相连。（如图）两个涡轮室分别连接进气歧管和排气歧管，利用发动机排出的废气推动涡轮转动，同时带动另一个涡轮转动压缩空气。由于是气体推动，所以涡轮增压器的转速可以轻松达到100,000rpm甚至更高，并且增压压力早已突破2.0kg/c㎡的超增压境界，单就效率而言，涡轮增压系统能以“倍数”来提升引擎动力输出，在1988年F1赛车禁止使用增压发动机之前，排量1.5升的涡轮增压发动机可以产生1200匹的马力！远远超过了如今F1赛车3升自然吸气式发动机的900匹马力。

但是涡轮增压也存在一些弊端。由于涡轮有一定的惯性，在引擎转速较低时排出的废气量不足以驱动涡轮转动，增压器无法发挥作用。而在需要急加速时，动力输出会出现短暂的迟滞，在起步、超车或者急加速时显得力不从心。于是发动机设计人员研究出了种种方法想要解决增压迟滞问题，比如采用一大一小两个涡轮串联，分别在低速和高速时启动；也有一种可变叶片角度涡轮，在低速时用比较大的迎风面而高速时将迎风面变小，等等。但是无论采用什么样的改进，迟滞现象至今无法彻底解决。

3.4 中冷器：是增压系统的一部分。当空气被高比例压缩后会产很

高的生热量，从而使空气膨胀密度降低，而同时也会使发动机温度过高造成损坏。为了得到更高的容积效率，需要在注入汽缸之前对高温空气进行冷却。这就需要加装一个散热器，原理类似于水箱散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而达到降温目的（可以将气体温度从150摄氏度降到50摄氏度左右）。由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间，所以又称作中央冷却器，简称中冷器

3.5 使用注意事项

由于涡轮增压器经常处于高速、高温下工作，增压器废气涡轮端的温度在600℃左右，增压器转子以高速旋转，因此为了保证增压器的正常工作，使用中应注意以下几点：

3.5.1不能着车就走。发动机发动后，特别是在冬季，应让其怠速运转一段时间，

以便在增压器转子高速运转之前让润滑油充分润滑轴承。所以刚启动后千万不能猛轰油门，以防损坏增压器油封。

3.5.2不能立即熄火。发动机长时间高速运转后，不能立即熄火。发动机工作时，

有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却的。正在运行的发动机突然停机后，机油压力迅速下降为零，增压器涡轮部分的高温传到中间，轴承支承壳内的热量不能迅速带走，而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转，因此，发动机热机状态下如果突然停机，会引起涡轮增压器内滞留的机油过热而损坏轴承和轴。所以发动机大负荷、长时间运行后，在熄火前应怠速运转3－5min，让增压器转子的转速和温度降下来以后再熄火。特别要防止猛轰几脚油门后突然熄火。

3.5.3 由于增压器经常处于高温下运转，它的润滑油管线因受高温作用，内部机

油容易有部分的结焦，这样会造成增压器轴承的润滑不足而损坏。因此，润滑油管线在运行一段时间后要进行清洗。

3.5.4 经常注意检查增压器的运转情况。在出车前、收车后，应检查气道各管的连

接情况，防止松动、脱落而造成增压器失效和空气短路进入气缸。

4．汽车最新科技之 增压发动机类型及代表车型

发动机是汽车的心脏，如何让这颗心脏更加强劲有力一直是车厂和改装车迷们竞相追逐的目标。为了提高发动机的动力输出工程师想出了很多办法，包括之前汽车最新科技系列介绍过的燃油直喷发动机，这里我们来说一说汽车工程师的另一杰作--增压发动机。

无论是赛车场或是改装车间，增压器都是我们经常接触的字眼，它们仿佛是支兴奋针剂，一提起就令人热血沸腾。但大部分车友对“增压”也只是知晓而谈不上精通

4.1 增压发动机的基本工作原理

简单来说，发动机在工作时要将燃料与空气送入引擎内燃烧爆炸才能产生动力。一般的引擎是利用汽缸内产生的负压，将外部空气吸入，称之为自然进气引擎。但是由于油气混合气的量会受到吸入气缸内空气量的影响，发动机的最大输出功率也会因此受到一定程度的限制。如果想要再增大输出功率就只能依靠提高发动机进气量和进气效率，发动机增压技术通过压缩更多的空气进入气缸来增加油气混合气的量，从而使发动机在尺寸不变的条件下而产生更大的功率。按增压类型来分增压发动机可以分为以下这么几个种类。

4.2涡轮增压(Turbo Charge)：

图为涡轮增压工作示意图

我们平时最常见的增压方式就是涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，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