廢氣渦輪增壓器的工作原理

廢氣渦輪增壓器的主要部件由殼體、渦輪、壓氣輪、轉軸、浮動軸承、壓力執行器、推桿、管路、進氣旁通閥（又叫增壓旁通閥）、進氣旁通電磁閥（也有將進氣旁通閥和進氣旁通電磁閥合二為一的情況，在下文中將有說明）、廢氣旁通閥、廢氣旁通電磁閥等組成

1-排氣管2-噴嘴環3-渦輪4-渦輪殼5-軸6-軸承7-擴壓氣8-壓氣機葉輪9-環形壓氣機殼10-進氣管

廢氣渦輪增壓器的工作原理：

柴油機排出的具有800~1000K高溫和一定壓力的廢氣經排氣管1進入渦輪殼4裡的噴嘴環2。由於噴嘴環通過的面積是逐漸收縮的，因而廢氣的壓力和溫度下降，速度提高，使它的動能增加。這股高速廢氣流，按定的方向沖擊渦輪，使渦輪高速運轉。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉的就越快。通過渦輪的廢氣最後排入大氣。
因為渦輪3和離心式壓氣機葉輪8固裝在同一根軸5上，所以兩者同速旋轉。這樣，將經過空氣濾清器的空氣吸入壓氣機殼，高速旋轉的壓氣機葉輪8把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加並進入擴壓器7。擴壓器的形狀做成進口小出口大，因此氣流的流速下降，壓力升高，再通過斷面由小到大的環形壓氣機殼9使空氣流的壓力繼續提高，壓縮的空氣經柴油機進氣管10進入氣缸。
廢氣渦輪增壓器用的壓氣機多采用離心式，它的出口氣體壓力可達140~300kPa，甚至可達到500kPa。
廢氣渦輪增壓器的一個主要性能指標是壓力升高比，簡稱壓比πk。它是指壓氣機的出口氣體壓力(Pk)與進口氣體壓力P1之比值。
廢氣渦輪增壓器按壓比可分為低、中、高三種類型，低增壓的壓πk≤l.4;中增壓的壓比πk=1.4~2.0;高增壓的壓比πk≥2。現代柴油機多采用高壓比增壓器。
汽車用廢氣渦輪增壓器的渦輪多采用徑流向心式。進入渦輪的廢氣流則多利用脈沖式，以使廢氣的能量得到充分利用。為此，進入增壓器的排氣管做成分置式，如對發火順序為1-5-3-6-2-4的6缸機而言，一般1、2、3缸共用一根排氣管，沿著渦輪殼上的一條進氣道通向半圈噴嘴環;4、5、6缸共用另一根排氣管，沿著渦輪殼的另一條進氣管通向另外半圈噴嘴環。這樣，每根排氣管裡的排氣間隔為240°大於一個沖程，使排氣互不干擾，可以充分利用廢氣的脈沖能量驅動渦輪。並且壓力高峰後的瞬時真空有助於氣缸掃氣

圖2Steyr-WD615柴油機廢氣增壓系統簡圖 l-空氣濾清器2-防冒煙限位器通氣管3-連接管4-進氣管5-中間冷卻器6-水箱7-風扇8-排氣管9-渦輪10-壓氣機

要使充氣密度提高，可以增大壓氣機的壓比。但當πk＞l.8時，空氣密度將隨壓比升高而減小，且空氣溫度隨壓比的升高而升高，加大了柴油機零件的熱負載和加大了排氣污染。一般采用降低進氣溫度，來提高充氣密度。
有些增壓柴油機安裝有中間冷卻器。試驗證明，進入氣缸的空氣溫度每下降10K，功率可提高2.5%~3%，中間的冷卻器的效果越顯著，增壓壓力越高。
中間冷卻器的結構同散熱器。它安裝在散熱器前方，使熱空氣利用柴油機上的氣管渦輪壓氣機風扇進行冷卻。也有的是利用冷卻水冷卻，其結構外形隨機型而異。

廢氣渦輪增壓器的控制原理

廢氣渦輪增壓器以發動機的排氣作為動力，產生高密度的進氣，提升發動機的輸出功率和扭矩。發動機控制模塊（ECM）在控制渦輪增壓器器時，主要的控制對象有兩個，一個是進氣旁通閥，另一個是廢氣旁通閥。

1.進氣旁通控制

發動機以較高轉速運行時，如果節氣門迅速關閉，會導致通向進氣歧管的路徑被節氣門翻板堵住，使增壓系統的高壓側產生波動的峰值壓力，如果不對該壓力進行控制，將會使渦輪增壓器產生明顯的振動和噪音，最後導致渦輪增壓器損壞。因此在節氣門迅速關閉時，ECM通過控制進氣旁通電磁閥，讓來自進氣歧管的真空通過管路引到進氣旁通閥，使進氣旁通閥內部的閥芯左移，這時高壓側和低壓側的通道接通，將高壓側的壓力洩放到低壓側（如圖三），減小增壓系統中波動的峰值壓力，避免對渦輪增壓器造成損壞。

另外，如果波動的峰值壓力不被洩放，將使壓氣輪迅速減速，造成下一次增壓滯後。因此洩放波動的峰值壓力可以讓壓氣輪繼續以較高轉速運轉，為下一次產生增壓壓力縮短響應時間。

關於進氣旁通閥，還有一種將進氣旁通閥和進氣旁通電磁閥合成一種閥的方式（該閥也稱為進氣旁通電磁閥），該方式取消了相關管路和真空源。在節氣門迅速關閉時，ECM對此電磁閥進行控制，使電磁閥的閥芯移動，將高壓側壓力洩放到低壓側（如圖四），起到保護渦輪增壓器和讓壓氣輪維持高轉速的作用。

廢氣旁通閥控制

　　廢氣渦輪增壓器增壓壓力的大小取決於沖擊渦輪的排氣流量，沖擊渦輪的排氣流量越大，渦輪的轉速就越高，同時壓氣輪的轉速也就越高，增壓器產生的增壓力就越高。因此增壓壓力的大小是通過控制沖擊渦輪的排氣流量來實現的。

如圖五，來自增壓器高壓側的空氣經管路通往廢氣旁通電磁閥後，ECM通過PWM信號控制廢氣旁通電磁閥，對其兩路輸出管路的壓力進行調節，使壓力按一定比例分配到壓力執行器和增壓器低壓側（進氣側），當通向壓力執行器的壓力達到一定值後，連接在壓力執行器上的推桿將帶動廢氣旁通閥打開，此時通向壓力執行器的壓力增大，廢氣旁通閥打開得就越大，這樣沖擊渦輪的排氣流量就減少，於是渦輪轉速下降，壓氣輪轉速也下降，導致增壓壓力下降。

相反，如果通向壓力執行器的壓力減小，廢氣旁通閥打開的開度就減小，沖擊渦輪的排氣流量就增大，於是渦輪轉速上升，壓氣輪轉速也上升，導致增壓壓力上升。

廢氣渦輪增壓器是利用柴油機排出的具有一定溫度和壓力的廢氣能量，經過渦輪轉換為轉子的回轉機械能，從而帶動與其同軸的壓氣機葉輪高速旋轉，將新鮮空氣加壓提高密度後經氣管送入氣缸，增加了氣缸的充氣量，從而可以向氣缸內噴入更多的柴油提高柴油機的功率。因此，增壓是不增加柴油機排量和轉速的情況下，提高動力性，改善經濟性，降低排氣污染的行之有效的手段，也是目前柴油機的發展趨勢。

在高原地區，由於氣壓低，空氣稀薄缺氧，自然吸氣的發動機功率會有所下降，采用廢氣渦輪增壓器的發動機，海拔的升高對功率的影響較小，因此渦輪增壓器在高原運行時隨著海拔高度的升高，其轉速也會上升，提高了增壓壓力，可以補償因海拔高度升高而引起進氣密度下降的影響，從而可以減少發動機功率下降的幅度。因此采用廢氣渦輪增壓技術也是恢復發動機高原功率的有效措施。

增壓器的潤滑：
增壓器的潤滑油由柴油機主油道供給，回油靠自重直接流回油底殼，為避免增壓器漏油，以保證增壓器正常、可靠的工作，必須注意其進油及回油的暢通，不得有滲漏現象，回油管截面積及形狀不得改變。

渦輪增壓器的結構簡介：
渦輪增壓器一般由渦輪、中間體、壓氣機三大部分組成。
為了進一步改善渦輪增壓器柴油機加速、爬坡能力，滿足配套動力的使用要求，本機的廢氣渦輪增壓器帶有排氣放氣閥。

（1）渦輪部分：
主要包括渦輪殼，單級徑流式渦輪、它們是一個能量轉換器。柴油機排出的廢氣經過渦輪殼進入噴嘴並以一定的方向噴向渦輪葉輪時，將廢氣的熱量及壓力能變成動能，從而使渦輪高速旋轉。

（2）中間體：
中間體是支承轉子總成及固定渦輪殼、壓氣機殼的中間支承體，也是潤滑和冷卻浮動軸轉子的潤滑箱。

（3）壓氣機部分：
主要包括單級離心式壓氣機葉輪、擴壓器及壓氣機殼體，空氣經空氣濾清器被高速旋轉的壓氣機葉輪吸入，使空氣流速增加，壓力升高，在京擴壓器與壓氣機殼體使氣流的動能轉變為壓力能，壓力進一步提高後經發動機進氣管進入氣缸，從而使進入發動機氣缸的空氣密度增加。
渦輪軸與渦輪采用摩擦焊連成一體，壓氣機葉輪以過渡配合裝入渦輪軸上，並用自鎖螺母壓緊。整個轉子總成經過非常精確的動平衡，以保證高速運轉情況下正常工作。
轉子總成的支承采用內支承，即兩個全浮式浮動軸承布置在兩葉輪之間的中間體上，轉子的軸向力由固定在中間體上的止推軸承裝置承受。
增壓器的潤滑采用壓力潤滑，其作用是保證轉子和軸承在正常運轉下獲得足夠的潤滑強度和冷卻強度。

（4）排氣放氣閥：
渦輪增壓器采用排氣放氣閥的目的是為了保證發動機在低、中速范圍內與渦輪增壓器具有最佳的匹配效果，以便發動機能夠得到較充足的空氣量，並與隨之加大的燃油供給量相適應，增大低速扭矩，改善燃油消耗，在高速范圍通過排氣放氣（即部分廢氣不經過渦輪而直接進入排氣管）以避免增壓器轉子超速或增壓壓力過高而引起氣缸內燃燒壓力過大，加劇發動機的機械負荷等。也就是說，渦輪增壓器采用排氣放氣閥，重點是改善發動機的低速扭矩特征，同時兼顧發動機在高速運行時性能指標及使用可靠性。 排氣放氣閥的啟閉由增壓壓力自動控制，將壓氣機出口的增壓壓力引入放氣閥調節器的密閉壓力室內，當增壓壓力達到或超過規定值時，其膜片將克服左邊的彈簧力，與連動推桿一起向左移動，推動搖臂繞銷軸旋轉，使放氣閥開啟，實現排氣旁通放氣，控制增壓器轉速的上升。

注意：
放氣閥的開啟壓力規定值時由廠家設定，用戶不得進行任何調整，即聯動推桿上的調節螺母不得擰動，否則將會嚴重損害發動機的動力性、經濟性及使用可靠性。