段莉芹

摘 要：本文通过对柴油机涡轮增压系统的构成和主要优缺点进行分析，同时对未来柴油机增压系统的发展趋势做出一定的展望。

关键词：涡轮增压系统；研究现状；发展趋势

中图分类号：TK421 文献标识码：A

涡轮增压自20世纪初期被发明以来，不仅极大地推动了内燃机的技术改革，而且使柴油发动机的性能有了突飞猛进的提高。历史和实践经验证明，利用涡轮增压系统提高柴油机能源利用率是最为有效和经济的方式，因此涡轮增压技术是现今及未来很长一段时间内相关学者们研究的重点内容。

1.柴油机涡轮增压系统构成

1.1 结构特点及工作原理

柴油机在工作时产生的废气通过排气歧管进入喷嘴环，喷嘴环会对废气进行加速，使其朝特定方向喷射，从而使涡轮进行高速旋转；且涡轮的旋转速度与废气自身的性质高度相关，如废气的压力、温度和速度等，通常呈正相关关系。接着，废气从涡轮直径中心部位流出，通过排气管和消声器排出柴油机。压气机叶轮在柴油机工作时，会以涡轮的旋转速度进行同步旋转，把完成过滤步骤的新鲜空气吸入压气机，空气在经过高速旋转的叶轮的加速和加压过程后进入扩压室。扩压室内由于进口小出口大，空气的流速被迫降低，压力却进一步增大；同时压气机外壳也在进一步增加空气压力，最终使空气气流压力值达到180kPa～200kPa，经由进气歧管流入气缸。通过柴油机涡轮增压系统，柴油机气缸的喷油量将得到极大提升，这为柴油机更大的输出功率和转矩创造了条件。

1.2 主要优缺点

相比普通柴油机，具有涡轮增压系统的柴油机的输出功率和转矩要高20%～100%，这就意味着小排量的柴油机通过加装涡轮增压系统，同样可以达到大排量柴油机的输出标准；并且这也意味着柴油机的质量将更轻，燃烧同样柴油耗费的油量将更少，燃烧也将较为彻底，产生的污染物将更少，从而有利于实现节能减排，符合可持续发展观念。同时，涡轮增压系统是通过柴油机工作产生的废气来带动工作的，因此并不会造成额外的功率消耗，符合企业的经济性要求。

另一方面，涡轮增压系统存在一定的涡轮迟滞缺陷。由于涡轮增压器是依靠柴油机的排气进行驱动的，因此一旦柴油机以低转速进行工作，就很有可能无法驱动涡轮增压器发挥作用。而一旦涡轮增压器不工作或以较低的转速进行工作时，涡轮增压柴油机的表现甚至将不如同排量的自然吸气柴油机，涡轮增压系统的优越性将无法展现。并且，涡轮增压器叶轮的惯性作用使其对油门的突然变化反应存在一定迟滞，容易出现加速后不能持续提升动力的情况。此外，由于涡轮增压器的工作温度介于400℃～650℃之间，因此对润滑条件有较高的要求，并且高温会对进气温度和充气密度造成一定程度的影响，因此还需要对涡轮增压器加装冷却器。

2.柴油机涡轮增压系统发展趋势

2.1 高工况放气涡轮增压系统

高工况放气涡轮增压系统能有效改善柴油机高速作业时出现的问题，这种方法应用带旁通阀的增压器，在柴油发动机最大扭矩点处设置放气点，根据增压压力要求经过螺旋弹簧预先压紧橡胶膜片，当增压压力超过弹簧的设定值时，自动打开放气阀门，使涡轮四周的废气自动进入到排气系统。高工况放气涡轮增压系统在国内发展前景良好，国外正在积极研发增压压力的电子控制系统，这种电子控制系统的弹簧预加负荷很低，可以根据增压空气的温度、点火提前角和燃油特性等实施控制，不仅允许建立最佳部分负荷增压压力，而且还允许在加速期进行暂时的超高增压，因此综合来看，一旦这种电子控制系统研发成功，将更能适应柴油机的实际工况。

2.2 低工况进排气旁通系统

当柴油机以较低速度作业时，经过增压步骤的空气将不进入气缸，而选择绕过气缸直接进入涡轮的排气管，通过这种方式，气体流量得到增加，并且增压压力也得到大大提升，能够避免当流量减少到一定程度时的发生的喘振现象，从而改善当柴油发动机低速作业时的工况性能。如果能充分利用废气的余热加热旁通的空气，将得到更好的效果。德国MTU16V 396型柴油机就采用了低工况进排气旁通系统，但是此对此系统进行控制调节并不十分方便，因此没有得到普遍应用，通常只应用于大功率高增压的柴油机。

2.3 电动放气涡轮增压系统

电动放气涡轮增压系统可以有效解决涡轮的迟滞现象。电动放气涡轮系统将电机与带旁通阀增压器的转子部件连接起来，当排出的废气能量不足以驱动涡轮时，借助于电机来实现加速，从而保证柴油发动机的充气量。在涡轮增压器能够独立工作满足发电机的充气需求时，电机与供电系统呈断开状态。当柴油机处于高速工况的时候，经由放气阀放走的剩余的废气被转化电能，反向输送给电路中需要的部位。电动放气涡轮增压系统可以在低速运转时极大地优化发动机的特性，一定程度上降低发动机启动过程中的有害气体排放，解决涡轮滞后现象，降低油耗。

2.4 可变几何截面涡轮增压系统

可变几何截面涡轮增压系统的工作原理是通过改变涡轮的叶片角度、有效涡轮面积和转子的燃气进口角来实现对涡轮可用能量的控制。当发动机进行低速运转时，可以通过该系统对有效涡轮面积进行调节，从而优化废气能量的利用度；当发动机进行加速运转时，通过调节涡轮有效面积同样能保证在短时间内为柴油机提供充足的进气量，优化涡轮的加速性能。目前，可变几何截面涡轮增压系统在美国、日本和欧洲等多个国家已经得到了广泛的应用。

3.涡轮增压系统的试验与应用

笔者在此将在12VPA6-280型柴油机上进行实验，采用MPC相继增压系统详细说明装有相继涡轮增压系统的柴油机和标准型柴油机之间的差别。

在相继增压系统中，至少要有两台增压器，标况下柴油机的每台增压器都处于高效率区进行工作，部分工况时则通过减少增压器的投入使用量，从而保持投入使用的增压器依旧在高效率区进行工作，从而使柴油机不论在何种工况都能以较高的功率良好运行。相继增压涡轮柴油机和标准型柴油机主要参数对照表见表1。

实验证明，具有相继增压系统的柴油机相比于标准型柴油机，部分性能有了显著提升，运行范围得到扩大，能够更好地满足生产的需求。

结语

柴油机性能的进一步提升离不开对涡轮增压技术的全面研究。筆者推测，今后我国学者关于柴油机涡轮增压技术的研究将以未来的废气排放法规要求为蓝本，着重致力于开发能进一步降低油耗和减少碳排放的相关技术。

参考文献

[1]高潮.柴油机涡轮增压测量分析系统研制与试验研究[D].武汉理工大学，2006.

[2]杨世友，顾宏中，郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展[J].柴油机，2011（4）：11-15.