第四节　发动机增压技术

汽车发动机增压是将进入发动机气缸的空气或可燃混合气预先进行压缩或压缩后再加以冷却，以提高进入气缸的空气或可燃混合气的密度，从而使充气质量增加，并在供油系统的适当配合下，使更多的燃料很好燃烧，达到提高发动机动力性和比功率、改善燃油经济性、降低废气排放和噪声的目的，这样的发动机称为增压发动机。

发动机增压方式主要有涡轮增压、机械增压和复合增压。

一、涡轮增压技术

涡轮增压技术主要有传统涡轮增压技术、可变增压涡轮叶片几何技术和涡轮增压中冷技术等。

1.传统涡轮增压技术

传统涡轮增压（Turbocharger，T）技术是在普通发动机上加装涡轮增压器，利用发动机运转产生的废气驱动空气压缩机，提高发动机进气量，从而提升发动机功率与转矩。涡轮增压发动机结构示意图如图1-20所示。

涡轮增压器主要由涡轮机和压缩机两部分组成，之间通过一根传动轴连接。涡轮的进气口与发动机排气歧管相连，排气口与排气管相连；压缩机的进气口与进气管相连，排气口则接在进气歧管上。通过发动机排出的废气冲击涡轮高速运转，从而带动同轴的压缩机高速转动，强制地将增压后的空气压送到气缸中，如图1-21所示。

当发动机转速增快（加速）时，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，压缩机的叶轮压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。

在现有的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在“工作效率不变”的情况下增加“输出功率”的机械装置。一般能使发动机输出功率增加10％～40％。

2.可变增压涡轮叶片几何技术

可变增压涡轮叶片几何技术（Variable Turbine Geometry，VTG）是保时捷公司研发的，它可以根据发动机的转速改变叶片的角度，当发动机转速较低时，由于排气的流量较小，不容易推动涡轮叶片，这时可变涡轮几何系统中装在与涡轮叶片平行位置并且围绕它的那几片可变导流板的角度就会变小，这样可以使气流通过的空间缩小，加大流速，更容易推动叶片。在转速高的时候气体流量充足，这个时候可变导流板的角度会变大，让涡轮获得最大增压值，如图1-22所示。

可变增压涡轮叶片几何技术能在较低发动机转速下达到更高的涡轮速度，气缸增压有明显的改善，功率及转矩方面相应也有明显的提升，在较低转速时可达到最大转矩，并可维持在一个较广的转速范围内。

3.涡轮增压中冷技术

涡轮增压中冷技术是在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器，如图1-23所示。涡轮增压器将新鲜空气压缩经中冷器冷却，然后经进气歧管、进气门流至气缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10℃，柴油机功率能提高3％～5％，还能降低排放中的NOx，改善发动机的低速性能。

柴油机中冷技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50～60℃。中冷器和涡轮增压器需要进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。

二、机械增压技术

机械增压技术是在普通发动机上加装机械增压器，通过曲轴的动力带动一个机械式的空气压缩机旋转来压缩空气的。机械增压发动机结构示意图如图1-24所示。机械增压器结构如图1-25所示。机械增压器是直接由发动机曲轴带动的，发动机运转时，增压器也就开始工作了。所以在低转速时，发动机的转矩输出表现也十分出色，而且空气压缩量是按照发动机转速线性上升的，但是在发动机高速运转时，机械增压器对发动机动力的损耗也是很大的，动力提升不太明显。

福特5.8LV8发动机采用机械增压技术，通过皮带带动曲轴，再用曲轴的转动带动增压器，达到增压的目的。相比于涡轮增压，机械增压的动力输出更加平顺和线性，并且机械增压不受转速的限制，即使在低转速下，机械增压同样能起到作用。此款发动机在6250r/min时输出最大功率为485kW，在4000r/min时输出峰值转矩为813N·m，荣获2013年世界十佳发动机称号，如图1-26所示。

三、复合增压技术

复合增压技术包括双涡轮增压技术和涡轮机械双增压技术。

1.双涡轮增压技术

双涡轮增压技术是针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，增加一只低速涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，当发动机转速提升以后，高速涡轮工作继续进入高增压值的状态，提供一个连贯的强劲动力。在实际使用中，双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上。宝马3.0L直列6缸发动机采用的就是两个涡轮增压器，如图1-27所示。

双涡轮增压发动机的优点是涡轮转速高，增压值大，对动力提升明显；缺点是有涡轮迟滞现象，即发动机在转速较低（一般在1500～1800r/min以下）时排气动能较小，不能驱动涡轮高速旋转以产生增大进气压力的作用，这时候的发动机动力等同于自然吸气，当转速提高后，涡轮增压起作用，动力会突然提升。

2.涡轮机械双增压技术

涡轮机械双增压技术是在发动机上增设由涡轮增压器和机械增压器共同组成的双增压系统，如图1-28所示。

由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势，因此，涡轮机械双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势，并且使整合在一起的两种不同型式的增压系统实现了优势互补。发动机在较低转速下运行时，由机械增压器提供绝大部分的增压压力，发动机输出功率的增加主要来自于机械增压系统，此时涡轮增压器由于“涡轮迟滞”增压效果并不明显。待发动机转速上升到1500r/min左右时，涡轮增压器的增压效果开始增强，并与机械增压器共同为发动机功率的增加提供所需的增压压力。随着转速的不断提高，涡轮增压器的增压效果也在不断增强，与此同时，机械增压器的增压效果开始逐渐减弱。当发动机转速超过3000～4000r/min时，由涡轮增压器提供全部的增压压力，发动机输出功率的增加全部来自于涡轮增压系统，此时机械增压器已经停止工作，以防止消耗发动机功率。应该说，涡轮机械双增压系统发动机很好地解决了机械增压系统燃油经济性较差和涡轮增压系统在低转速时容易产生“涡轮迟滞”现象的问题，但是，由于涡轮机械双增压系统结构复杂，不易与发动机匹配，对于发动机零部件的制造要求也较高，因此，目前只在个别车型上实现了应用。

涡轮增压发动机依靠涡轮增压器为发动机增加约10倍的进气量，从而增加发动机的输出功率与转矩。在不增大发动机排量的情况下，可显著地增加发动机的输出功率，大幅度提高转矩、提高燃油经济性并降低尾气排放。数据显示，使用涡轮增压技术可以帮助汽油和柴油车辆在不降低性能的前提下分别节油20％和40％。涡轮增压车型将成为未来车市的主流，在没有更环保的替代燃料出现及更节能的发动机量产的情况下，涡轮增压发动机代表着未来一段时间的发展方向。