汽车工业的关键技术！作为进气装置，废气涡轮增压器有重要作用

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文|江卿曻

编辑|江卿曻

前言

近年来，汽车工业已经见证了朝向提高内燃机(ICEs)的效率和性能的范式转变，促成这一转变的关键技术之一是废气涡轮增压器，通常称为废气门涡轮增压器或废气驱动涡轮增压器。该装置在增加发动机功率输出、提高燃油效率和减少排放方面起着至关重要的作用。本文深入研究了废气涡轮增压器的基本原理、工作机制、优点和局限性。

废气涡轮增压器是一种进气装置，它利用废气的能量来压缩进入发动机燃烧室的空气，其运行的基本原理在于利用废气能量驱动涡轮机，涡轮机进而驱动压缩机。压缩机对进气加压，从而提高空气密度和燃烧所需的氧气含量。废气涡轮增压器由两个主要部件组成:涡轮和压缩机。涡轮连接到排气歧管，在那里高温废气以高速流动。

汽车工业的关键技术，作为进气装置，废气涡轮增压器有何作用？

基本介绍

这些气体进入涡轮机壳体并冲击涡轮机叶轮的叶片，气体施加的力使涡轮快速旋转。这种旋转运动通过轴传递到位于进气通道中的压缩机叶轮。压缩机叶轮吸入环境空气并压缩，然后将其导入发动机的进气歧管。在每个发动机循环中，空气压力的增加导致更多的空气进入燃烧室。因此，可以喷射更多的燃料，从而提高功率输出。

使用废气能量来驱动涡轮增压器减少了发动机吸入空气的负担，从而提高了发动机的整体效率。增加功率输出:废气涡轮增压器的主要优势之一是发动机功率输出的大幅增加。通过压缩进气，可以在燃烧过程中燃烧更多的空气燃料混合物，从而产生更多的动力。提高燃油效率:涡轮增压器能够缩小发动机的尺寸，同时保持甚至提高性能。

较小的发动机在较低的负荷下消耗较少的燃油，从而提高了燃油效率，这对于满足严格的燃油经济性标准尤为重要。减少排放:进气量的增加提高了燃烧效率，从而减少了未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放。此外，一些涡轮增压发动机具有废气再循环系统，可进一步减少氮氧化物排放。海拔补偿:涡轮增压器在空气密度较低的高海拔地区特别有用。

通过压缩进气，它们补偿减少的氧气含量，确保发动机性能稳定，增强扭矩:涡轮增压器增加了低端扭矩，使发动机转速较低时加速性能更好。这一特性增强了车辆的驾驶性能，使其反应更加灵敏。涡轮迟滞:涡轮增压器存在一种被称为“涡轮迟滞”的现象，即在踩下油门和增加功率之间有一段延迟。这是因为废气需要时间积累足够的能量来驱动涡轮机。

主要功能

涡轮增压能够实现被称为“小型化”的现象，其中发动机可以被设计成具有更小的排量，同时保持甚至增强其性能特征。在低负载条件下，涡轮增压器对进气的压缩补偿了较小的发动机尺寸，确保了足够的功率输出。这种尺寸的减小导致了内部摩擦、泵送损失和更低的往复质量的降低，这些共同有助于提高燃料效率。

进入发动机的增压空气压力允许在燃烧期间有更高的空气燃料比，这种最佳的空气-燃料混合物燃烧导致更好的热力学效率和减少燃料浪费。随着环境问题和严格的排放标准继续影响着汽车工业，废气涡轮增压器成为实现性能和环保之间微妙平衡的重要工具。废气涡轮增压器的贡献不仅仅是提高功率和效率；它们包含了使内燃机的环境足迹最小化的重要任务。

通过涡轮增压实现的进气密度增加和精确的空气燃料混合物控制有助于更清洁的废气。废气涡轮增压器有利于废气再循环(EGR)系统的集成。EGR系统将一部分废气重新导入进气歧管。这种做法稀释了进入的空气，降低了峰值燃烧温度，减少了氮氧化物的形成——氮氧化物是空气污染的一个主要因素。涡轮增压器在启用和优化EGR系统方面发挥着关键作用。

除了在功率、效率和排放方面的作用，废气涡轮增压器还在海拔补偿和驾驶性能增强方面表现出非凡的能力。在海拔较高的地方，空气密度较低，由于氧气供应不足，发动机往往会降低功率输出。涡轮增压器通过压缩稀薄的空气来减轻这种影响，有效地补偿了海拔引起的功率损失。这一特性在各种应用中至关重要，包括为山地地形设计的飞机和车辆。

产品种类

汽车行业对更高性能和效率的不懈追求带来了各种各样的技术进步，其中，废气涡轮增压器已经成为一项关键的创新，改变了内燃机(ICEs)并重新定义了驾驶体验。本文深入探讨了废气涡轮增压器领域内的各种产品类别，每种产品都符合特定的应用、发动机类型和性能目标。单涡管涡轮增压器是废气涡轮增压器家族中最常见、使用最广泛的一种。

其设计围绕涡轮机和压缩机外壳中的单个蜗壳，来自所有气缸的废气被引向涡轮机壳体的单个入口，在那里它们冲击涡轮机叶轮。类似地，压缩机通过单个入口吸入环境空气，在空气进入发动机之前对其进行压缩。单涡管涡轮增压器适用于小型发动机和功率与效率平衡至关重要的应用。由于来自不同气缸的废气混合，它们容易受到涡轮迟滞的影响。

为了减轻与涡轮迟滞相关的挑战，开发了双涡管涡轮增压器，这种变型的特点是在涡轮和压缩机壳体中有分开的排气通道，有效地将两组气缸的废气分开。分流可最大限度地减少废气干扰，减少涡轮迟滞，改善节气门响应。双涡管涡轮增压器特别适用于多缸发动机，可提高低端扭矩和整体驾驶性能。

认识到发动机可以在各种条件下运行，工程师们设计了可变几何涡轮增压器(VGT)来满足灵活性能的需求。涡轮增压器在涡轮壳体内装有可调叶片，能够控制废气流量和涡轮效率。通过改变这些叶片的角度，涡轮增压器可以适应不同的发动机负载，在低速时最大限度地减少涡轮迟滞，在高速时保持高效率。

主要用途

废气涡轮增压器的主要应用之一在于增加发动机的功率输出，这些装置利用废气中包含的能量来驱动涡轮，涡轮又在燃烧前压缩进气。通过增加可用于燃烧的空气密度，涡轮增压器使发动机能够燃烧更大量的空气-燃料混合物，从而产生更有活力和更强有力的燃烧过程。这直接转化为更高的功率输出，提高车辆加速度、牵引能力和整体性能。

在较低的发动机负荷下，涡轮增压器通过压缩进气来补偿发动机尺寸的减小，从而确保足够的功率输出。其结果是降低了内部摩擦，提高了燃烧效率，降低了燃油消耗。涡轮增压在动力需求和燃油经济性之间取得平衡的能力使其成为实现可持续交通解决方案的关键工具。随着环境法规变得越来越严格，满足排放标准对汽车行业来说是一个严峻的挑战。

在这种情况下，废气涡轮增压器通过提高燃烧效率发挥着至关重要的作用。通过增加进气密度和实现精确的空气燃料混合物控制，涡轮增压器促进了更清洁和更完全的燃烧。这进而导致未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放减少。废气再循环(EGR)系统的集成在涡轮增压器的帮助下，进一步减少了氮氧化物的排放。

该技术有助于更清洁的废气排放，与行业对环保移动解决方案的追求完美契合，废气涡轮增压器在适应各种运行条件方面表现出非凡的多功能性。在海拔较高的地方，空气密度较低，由于氧气供应减少，发动机往往会降低功率输出。涡轮增压器通过压缩稀薄的空气抵消了这种影响，有效地补偿了海拔引起的功率损失。

结语

在内燃机的全景中，废气涡轮增压器作为解决一系列关键挑战的多方面解决方案而出现。其应用包括增强功率输出、提高燃油效率、符合严格的排放标准以及适应各种运行条件。随着汽车行业继续追求可持续和高性能的移动解决方案，废气涡轮增压器成为超越传统限制的关键技术。

从乘用车到商用卡车和工业机械，涡轮增压器在发电和运输领域留下了不可磨灭的印记。他们对热力学、流体动力学和机械工程的整合体现了创新和实用主义之间的协同作用。随着世界转向更清洁的能源和更高效的运输系统，废气涡轮增压器仍然处于创新的前沿，体现了进步和适应的精神，这决定了汽车行业未来的发展轨迹。

参考文献

【1】《机械原理与机械零件》 屈国华、康介铎、黄文灿、何元庚 高等教育出版 2011年

【2】《机械零部件设计》 张金美 机械工业出版社 2019年6月

【3】《机械零件常识》黄文 机械工业出版社 2019年4月