对机械增压和涡轮增压的分析比较

摘要：内燃机所发出的最大功率主要是由气缸内燃料所放出的热量决定的，而这受到每循环吸入气缸内实际空气量的限制。所以如果空气在进入气缸前压缩，则可以在同样的气缸工作客积下，有更多的空气进入气缸，因而可以增加供油量，获得更大的发动机输出功率。主要对当下主流的机械增压和涡轮增压的原理进行了详细的阐述，并对两种增压技术进行了比较。

关键词：机械增压　涡轮增压　离心武压气机　径流式涡轮机　比较

中图分类号：U262　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)007-092-02

内燃机增压技术开始于19世纪末，在20世纪初期得到初步的应用和发展，在20世纪中期开始大规模应用。目前绝大部分内燃机都采用了增压技术。增压后的功率比原机提高40％-60％，发动机的平均有效压力可达3MPa，燃油经济性也有所提高，增压已经成为发动机强化有效手段之一。本文主要对机械增压和排气涡轮增压进行分析比较。

1　原理

1.1　机械增压原理

机械增压是直接利用内燃机出力来驱动增压器，将空气压缩成高密度的进气送入气缸内，从而提高了内燃机的输出功率。它的驱动力来自内燃机曲轴，一般的是利用皮带连接曲轴皮带轮，间接将曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。机械增压器的类型很多，主要有螺杆式，涡旋式，旋转活塞式和刮片式等。根据构造不同，机械增压出现过许多种类，包括叶片式、鲁氏、温克尔等型式。以鲁氏为例。鲁氏增压器有双叶与三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接相连，藉由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连结，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压，离合器则由计算机控制以达到省油的目的。机械增压可以增加进气管内的空气压力和密度，往发动机内压入更多的空气，使发动机每个循环可以燃烧更多的燃油，从而提高发动机的升功率和平均有效压力，使汽车动力性、燃油经济性和排放都得到改善。

1.2　涡轮增压原理

涡轮增压的原理是利用原理利用内燃机运转时所排出来的废气，用废气来转动涡轮增压器中的排气侧转子，而排气侧转子与进气侧转子是同轴异室，当涡轮机转予达到一定转速时它带动另一侧的转子，使压气机转予引进外来的新鲜空气，经过压缩倒入进气管内，以此来实现进气增压的。内燃机排气涡轮增压系统包含压气机、涡轮机、中冷器等部件。内燃机的排气涡轮增压器可以分为两大类：径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。而车用发动机多采用径流式，以适应高转速及较高响应性能的要求。

在这里主要介绍一下径流式涡轮机的工作原理。径流式涡轮由同轴安装的涡轮和压气机组成，其中涡轮机转化发动机的排气能量，产生机械能，而压气机则消耗这部分能量，用以压缩进气，提高发动机的进气密度。

下面先简要介绍一下内燃机排气涡轮增压系统的两个主要组成部分。

2　离心式压气机

单级离心式压气机主要由导流壳、叶轮罩、压气机叶轮、扩压器及蜗壳等组成。叶轮是压气机的主要部件，它与涡轮安装在同一转轴上。压气机叶轮上有一组径向叶片，叶片的前部呈弯曲形，后部为直叶片。扩压器在压气机叶轮的外缘，它是固定在机壳上的一个圆环状叶栅，叶片间形成渐扩形空气流道。

首先在很短的进口段，空气沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮，压力下降，气流速度上升。随后气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流通道内，吸收叶轮的机械能，使气体的压力、流动速度和温度均有大幅的增加。驱动工作轮的机械功转化成空气能量的增加，而机械功又来自与同轴的涡轮。在出气蜗壳和扩压气的通道内，由于两者的截面积逐渐增大，气体的动能大部分转化为压力势能，压力和温度进一步的升高，速度下降。而出气蜗壳同时还兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的功能。

3　径流式涡轮机

涡轮的功用是将发动机排出的高温燃气所拥有的能量尽可能多的转化为机械功，用来驱动压气机。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成。

涡轮机得工作原理与压气机正好相反，蜗壳的进口与发动机排气管相连，发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管，叶片式喷管是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形成渐缩通道，内燃机高温排气流过喷管时被加速，压力和温度下降，速度大大增加，一部分排气能量转化为气流的动能。具有一定方向的气流进入工作叶轮后继续膨胀，在向心流动的过程中继续加速，讲排气的能量转化为推动叶轮旋转的轴功，即气体推动叶片做功。从叶轮出口排出的气体仍然具有的一定速度，进入排气管后，该部分动能无法利用，形成余项损失。

涡轮出气道内排气的能量与进口处内燃机的排气能量相比有很大下降，表明排气的大部分能量已经传给了工作轮。

除了上述两种内燃机排气涡轮增压系统的部件外，还有一个不可缺少的部件――中冷器。由理想气体定律得出，气体在压缩时内能会增加，也就是温度升高，而同样气压下，气体密度会因温度升高而降低，所以将压缩后的高温气体降温，可以进一步的增加空气流量，而中冷器的作用就是将空气在进入气缸前降温，使发动机更多的吸入空气，并避免爆燃。经过机械增压之后的空气温度可以达到100℃，经过涡轮增压之后的温度就更高了，所以中冷器是个很有必要的部件。

4　比较

两种增压方式各有好处也各有缺点。

首先是机械增压。有前面机械增压的原理可知，它是通过增压发动机的进气量来提升发动机的动力。只要发动机在运转，机械增压就会产生，且随着发动机转速的提高，压力度会变大，从而增强了动力。而在动力提升的同时，节气门的开度也是同步的，因此不会像涡轮增压一样，有一个较为明显的发力点。机械增压器的工作环境温度不高，增压后空气的温度也不高，因此对和冷却的要求不高，工况稳定。总之，机械增压相比于涡轮增压在低速时的表现更好，且在车速控制方面也更加精确。

不过机械增压是需要消耗发动机动力的，并且单级压气机的增压幅度有限，一般都在0.6-1.2bar，最高也就1.5bar，而涡轮增压却可以很轻易的达到1 5bar。因此机械增压在经济性上表现稍差一些，且在高速时动力性不及涡轮增压。

再说说涡轮增压，它是以废气为动力带动涡轮为发动机提供更多的空气。在一般的民用发动机上加一个涡轮，就可将动力大幅度甚至成倍的提升。涡轮增压最大的特点是将尾气动力充分利用，因而可以在一定程度上节油。当然涡轮增压的节油效果不仅如此，在低速时，涡轮不介入，发动机处于较低的功率，相当于一台小排量发动机，油耗也就小了很多。

但涡轮增压发动机有一个通病――“涡轮迟滞”，它不能直接进行增压，低速状态下排出的废气不能推动风扇，要在一定转速以上才行，当涡轮介入，动力徒增，显得很突兀。靠涡轮增压增加动力输出虽然轻而易举，但伴随着增压所产生的高热必须妥善处理，高热会影响两部分，一个是负责直接冷却和的机油，它会因为受到高热而快速氧化。因此涡轮增压引擎必须选用耐高温、抗氧化好的优质机油，而且机油更换周期会相应缩短，才不容易产生氧化物。还有一个受高温影响的就是进气部分的冷却系统。因此可以用水深火热来形容涡轮增压器的工作环境。所以涡轮增压对和冷却的要求都是比较高的。

5　结论

总体来说机械增压的表现形式更为稳定，工作更为线性，汽车启动就能工作，但它在告诉状态时损失动力较为明显。而涡轮增压表现更为粗暴，在低速时不能驱动涡轮增压，但在高速时动力增压很明显。

参考文献：

[1]周龙保．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，2007