王旭景

（德州市農(nóng)業(yè)機械管理局，山東 德州 253013）

渦輪增壓技術(shù)作為發(fā)動機增壓的一種方式，目前已被廣泛采用。通過渦輪增壓器對發(fā)動機進氣增壓使得燃料在汽缸內(nèi)得到更加充分的燃燒，從而實現(xiàn)了發(fā)動機的節(jié)能，所以渦輪增壓技術(shù)符合了當(dāng)前節(jié)能減排的社會趨勢，對發(fā)動機加裝渦輪增壓器已經(jīng)成為現(xiàn)在一項很重要的技術(shù)，因此，無論現(xiàn)在還是未來，對渦輪增壓技術(shù)的研究和渦輪增壓器的設(shè)計都具有非常重要意義。當(dāng)前世界對渦輪增壓技術(shù)的研究已相當(dāng)先進，國內(nèi)對于渦輪增壓器也一直不斷地在深入的研究與推廣。國內(nèi)對大中型排量的發(fā)動機基本已經(jīng)完成了普及，而對于小排量的發(fā)動機來說，在國內(nèi)技術(shù)尚有不足。隨著能源危機日益臨近，節(jié)能減排也越來越被人們所重視，因此，對小排量發(fā)動機進行渦輪增壓器的設(shè)計與安裝必將會得到人們的重視，針對小排量的發(fā)動機進行渦輪增壓器的設(shè)計，具有非常重要的實際意義。

1 廢氣渦輪增壓器的作用

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，在發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)不需要有大改變的情況下，可以使功率增加20%～30%，高增壓的效果更明顯甚至能達到100%；排出的廢氣能量可進一步利用，使發(fā)動機的經(jīng)濟性提高3%～4%；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可以增大轉(zhuǎn)矩，提高車輛裝載質(zhì)量，減少排氣噪聲，對環(huán)境保護有重要意義。

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)都具有良好的性能。主要是增強掃氣效果提高進氣效率，改善低工況性能，減少有害排放物。

2 廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)原理

渦輪增壓器實際上是對進氣進行壓縮，通過壓縮空氣增加進氣的密度來增加進氣量。然后利用發(fā)動機排出的廢氣的動能來推動廢氣渦輪，渦輪又通過中間軸來帶動壓氣機的工作葉輪，葉輪對空氣濾清器管道送來的空氣做功，使之壓力加大進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高時，排氣口排出的廢氣的速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪會把更多的空氣壓入氣缸，氣缸內(nèi)進入的空氣壓力和密度增大可以讓更多的燃料在空氣量比較充足的環(huán)境中燃燒，燃料量增加，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速做出響應(yīng)進行調(diào)整，發(fā)動機的輸出功率也會變大。廢氣渦輪增壓器中的壓氣機多采用離心式壓氣機，壓氣機出口壓力可達1.40-3bar，甚至可達到 5bar。

離心式壓氣機結(jié)構(gòu)一般由進氣道、葉輪、擴壓器和壓氣機蝸殼等部件組成。

2.1 進氣道

進氣道的設(shè)計多采用軸向，氣流沿軸向直接進入壓氣機，結(jié)構(gòu)簡單而且流動損失小。這種結(jié)構(gòu)在中、小型渦輪增壓器使用較多。

進氣道的作用主要是導(dǎo)向，將進氣口進來的空氣導(dǎo)向壓氣機工作葉輪。漸縮形進氣道能夠降低流動損失，分為徑向進氣道和軸向進氣道兩種基本形式：本設(shè)計采用軸向進氣道；徑向進氣道的氣流開始是沿半徑方向進入進氣道，然后再沿軸向進入壓氣機工作葉輪，這種方式流動損失較大，所以當(dāng)軸承外置的大型渦輪增壓器或其他裝置（空氣濾清器）的空間布置受限時，才采用這種形式。

2.2 壓氣機葉輪

空氣進入壓氣機中，壓氣機的葉輪對空氣作功，它把廢氣渦輪通過中間軸傳遞來的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膲毫δ芎蛣幽?。壓氣機葉輪分為導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪兩部分。中、小型渦輪增壓器與大型渦輪增壓器結(jié)構(gòu)形式不同，中小型渦輪增壓器導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪做成一體，大型的是將導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪裝配在一起。其中導(dǎo)風(fēng)輪的作用是使氣流導(dǎo)入葉輪入口，并且對葉輪的撞擊盡可能的降到最低。根據(jù)葉輪輪盤的結(jié)構(gòu)形式進行分類，壓氣機葉輪可分為開式、半開式、閉式以及星形等形式。

2.3 擴壓器

壓氣機工作葉輪出口空氣具有較高的速度經(jīng)過擴壓器的進一步轉(zhuǎn)化，空氣的速度降低壓力變大，動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，所以擴壓器效率的高低對壓氣機效率有著重要的影響。

車用小型渦輪增壓器經(jīng)常處于變工況運行狀態(tài)，所以廣泛應(yīng)用的無葉擴壓器。無葉擴壓器本質(zhì)上是一環(huán)形空間。無葉擴壓器中氣流流動跡線在任意直徑處與切向的夾角基本不變，也就是說氣流在環(huán)形通道中基本上是沿對數(shù)螺旋線的軌跡流動。無葉擴壓器流量范圍比較寬，結(jié)構(gòu)相對簡單，制造方便，成本較低。但其使用過程中也存在著氣流的流動路線比較長、產(chǎn)生的流動損失大、效率低的缺點。

2.4 壓氣機蝸殼

從壓氣機出來的空氣經(jīng)工作輪做功，擴壓器轉(zhuǎn)換后仍有較大的速度，在漸漸擴張的蝸殼中空氣速度降低，動能進一步轉(zhuǎn)化為壓力能，所以，壓氣機蝸殼不但具有收集從擴壓器出來的空氣的作用，也有一定的擴壓作用。

3 廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

廢氣渦輪增壓器主要包括安裝在同一軸上的壓氣機和渦輪以及由中間軸、浮動軸承、殼體等組成的中間體。壓氣機葉輪是高精密度的鋁合金鑄件，并通過有限元仿真、流線分析等設(shè)計得到葉片的形狀。為匹配車用發(fā)動機，適應(yīng)車輛寬廣流量范圍，離心式廢氣渦輪增壓器一般都采用后彎式葉輪，無葉型擴壓器。渦輪葉輪與高溫廢氣接觸所以需要用耐熱性高的合金材料，一般是鎳或鈷，并使用精密鑄造法整體鑄造成型。在渦輪殼通過噴嘴葉片環(huán)或葉片式噴管把廢氣導(dǎo)入渦輪葉輪。目前，一般采用具有噴嘴或噴管性能的蝸殼，即無噴嘴的渦輪殼。

廢氣渦輪根據(jù)廢氣流向可分為徑流式和軸流式兩類。在徑流式渦輪中，發(fā)動機排出的高溫廢氣沿著與渦輪旋轉(zhuǎn)的中心軸線相垂直的平面徑向流動。在廢氣的流量較小時，它的效率比較高，制造成本也較低，特別適用于一些小流量的廢氣渦輪增壓器。在軸流式渦輪中，發(fā)動機排出的高溫廢氣直接沿渦輪旋轉(zhuǎn)的中心軸線方向流動。當(dāng)發(fā)動機的廢氣流量較大時，它的效率比較高，所以適用于大流量的廢氣渦輪增壓器。

4結(jié)語

通過對小排量發(fā)動機做的渦輪增壓器的設(shè)計，并在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改動，優(yōu)化了小排量發(fā)動機結(jié)構(gòu)和性能。與自然吸氣的小排量發(fā)動機相比，裝有渦輪增壓器的小排量發(fā)動機，提速快，動力足，同時也提高了發(fā)動機的燃油效率，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，也符合消費者追求動力強、經(jīng)濟性的特點。