涡轮增压器是什么原理（涡轮增压器的结构）

为了适应发动机“小排量、大功率”的发展趋势，涡轮增压器在汽车上得到了广泛采用。涡轮增压器对于发动机的直接作用，就是显著提高了发动机的充气效率（超过100%），因此，大大提高了发动机的动力输出。

具体而言，发动机采用涡轮增压器的优点主要体现为：

◆ 可以根据发动机的需要提供增压压力，或减小、不提供增压压力；

◆ 即使在高海拔地区也可以使发动机获得足够的充气效率。

组 成

如下图所示，涡轮增压器主要由涡轮机和压气机等部分组成。

涡轮机的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮机的排气口则接在排气管上；压气机的进气口与空气滤清器相连，压气机的排气口则接在进气歧管上。

图1 涡轮增压器的基本组成 ▲

从发动机排气歧管排出的是高温高压的废气，具有一定的能量。在自然吸气发动机中，这部分能量往往随着废气的排放而白白浪费，而涡轮增压器的动力来源恰恰就是这些废气。涡轮机涡轮与压气机泵轮通过增压器轴刚性连接，这部分称作增压器转子。增压器转子通过浮动轴承（转子高速旋转时可保证摩擦阻力矩较小）固定在增压器中。

发动机工作时，排出的废气以一定角度高速冲击涡轮，使增压器转子高速旋转，于是，压气机泵轮以同样的高速挤压进气空气。受压后的空气温度会升高，影响其密度，因此，在压缩空气通向进气歧管的中间通路上增设了一个空气冷却器（简称中冷器）以冷却增压后的空气，最终使更多、密度更大的空气进入气缸，从而实现进气增压的目的。

为了使涡轮增压器能够更好地发挥其效能，除了涡轮机和压气机两个最主要的组成部件外，涡轮增压器上还设置了其他辅助控制元件 ▼

图2 涡轮增压器的辅助元件 ▲

如上图所示，在涡轮增压器涡轮机的出口处设有一个废气旁通阀，废气旁通阀由一个真空执行器在真空的作用下通过杠杆机构驱动其开、关及开关的幅度大小，而真空的施加与否、施加大小则由ECM通过控制一个废气旁通控制电磁阀对真空管路实施控制来实现。在压气机侧面有一旁通管路，连接其进气口与排气口，在这一旁通管路上设有一个进气旁通阀，由ECM通过对进气旁通电磁阀的控制实现对进气旁通阀开、关的间接控制。

工 作 原 理

1. 基本工作原理

驱动涡轮增压器的动力来源于发动机排出的废气。在发动机低速运转时，排气压力和温度都较低，涡轮转速亦较低（约为1000r/min），因此，压气机泵轮不能产生进气增压压力，在此状态下，发动机的进气效果与自然吸气发动机没有明显差异；随着发动机转速和负荷增加，排气压力和温度都大幅升高，涡轮的转速也随之加快，当涡轮达到一定转速时增压开始（现代发动机最低在1500r/min左右就可以进入增压状态），当发动机全负荷运转时，涡轮转速可以达到（10~15）×104r/min。

2. 废气旁通控制

废气旁通控制的主要目的是有效控制和调节增压压力，防止增压压力过高而损坏发动机，同时，也可以使涡轮增压在较宽的发动机转速区间内（如1500~4500r/min范围内）保持持续有效。

如下图所示，涡轮增压器利用废气旁通控制电磁阀、废气旁通执行器和废气旁通阀对增压压力进行控制。

图3 废气旁通控制原理图 ▲

废气旁通控制电磁阀是一个三通电磁阀，其三个接口分别与增压前的空气、增压后的空气、废气旁通执行器的膜盒相通，由ECM对其实施占空比控制，其控制电路如下图所示。增压前空气来自与进气管，增压后的空气来自于压气机泵轮排气口之后的气道。与废气旁通执行器膜盒连接的电磁阀接口在ECM的控制下，可以分别与另外两个接口（增压前空气接口、增压后空气接口）相通。

图4 废气旁通控制电磁阀控制电路图 ▲

废气旁通执行器是一个膜盒控制装置，膜盒内部有一个膜片，膜片顶端是一个空腔，通过管路与废气旁通控制电磁阀连接；膜片下端由弹簧支撑并与拉杆做成一体，拉杆通过一个杠杆机构控制废气旁通阀开启或关闭。图3中的废气旁通阀为常闭式，即在发动机停机状态下废气旁通阀处于关闭状态，目前大部分发动机的涡轮增压器都采用常闭式废气旁通阀。

下表展示了常闭式废气旁通阀的控制过程。在发动机低速运转时，废气旁通控制电磁阀关闭增压前的进气通道，同时打开增压后的空气通道，此时增压后的空气进入执行器膜盒。但由于增压压力很小，施加在执行器膜片上的空气压力不足以推动膜片下方的弹簧，因此，废气旁通阀在弹簧力的作用保持关闭，废气全部流经涡轮。此时涡轮转速较低，没有增压效果。

随着发动机转速不断升高，涡轮转速也随之增加，当压气机泵轮转速达到一定值时，涡轮增压器开始进入增压状态。涡轮增压器工作时，废气旁通阀一直关闭。当增压压力升高到一定值时，增压后的空气压力足以推动旁通执行器膜片弹簧下移，在杠杆机构的作用下打开废气旁通阀，大部分废气将不经过涡轮而通过旁通气道直接排入排气管，使得涡轮增压器泄压。

为了获取更高的增压压力，发动机必须在涡轮增压器泄压前控制废气旁通阀继续保持关闭，为此，ECM以占空比控制方式控制废气旁通控制电磁阀关闭增压后的空气通道，同时打开增压前的进气通道。此时滞留在执行器膜盒的增压空气通过增压前的进气通道进入进气管，于是，执行器膜盒内的高压气体泄压，使废气旁通阀依然保持关闭，增压压力持续上升。

当增压压力超过目标值时，ECM以占空比形式控制废气旁通控制电磁阀打开增压后的空气通道，同时关闭增压前的进气通道。此时增压后的空气进入执行器膜盒，在杠杆机构的作用下，旁通气道打开，涡轮增压器泄压。

提示：

作用于废气旁通执行器膜盒上的压力大小取决于增压压力和废气旁通控制电磁阀通电电压的占空比。当占空比达到80%~90%时，废气旁通阀完全开启；当占空比小于20%时，废气旁通阀完全关闭。

ECM通过发动机转速、进气门开度、进气歧管压力、发动机温度等参数计算目标增压压力值，通过进气增压压力传感器检测实际增压压力值并反馈给ECM，ECM通过控制废气旁通控制电磁阀以保证实际增压压力与目标增压压力的一致。

提示：

有些发动机的涡轮增压器采用常开式废气旁通阀，即在发动机停机状态下废气旁通阀处于开启状态，为此，废气旁通执行器的内部结构及ECM对废气旁通控制电磁阀的控制都要进行必要的调整，以满足对涡轮增压控制的要求。

3. 进气旁通控制

涡轮增压发动机在运行过程中如果突然关闭节气门会导致节气门和压气机泵轮之间的空间内产生背压，致使涡轮增压器被强烈制动，被制动的涡轮增压器会导致大量的增压压力损失，并且也损失了在下一次需要产生增压效果时所需要的动力。进气旁通控制的主要目的就是为了防止上述情况的发生。

下图所示为真空式进气旁通控制装置，主要由真空罐、进气旁通电磁阀、进气旁通阀和真空管路等组成。

图5 真空式进气增压旁通控制原理图 ▲

进气旁通阀是一个真空控制阀，位于压气机侧面的旁通管路上，在发动机停机状态下，进气旁通阀关闭旁通管路。

进气旁通电磁阀是一个三通阀，其三个接口通过真空软管分别与真空罐、进气歧管和进气旁通阀相连。通过ECM对进气旁通电磁阀的通电、断电控制，进气旁通阀的接口可以分别与真空罐和进气歧管相通。进气旁通电磁阀的控制电路与废气旁通控制电磁阀相似，参见图4。

如下表所示，在发动机停机和涡轮增压器工作时，进气旁通电磁阀始终断电，此时，真空罐接口关闭，进气旁通阀接口与进气歧管相通，进气歧管中的空气进入进气旁通阀。在进气歧管空气压力与弹簧力的共同作用下，进气旁通阀关闭进气旁通道，压气机泵轮后端的增压空气全部通过中冷器进入到发动机进气歧管。

当车辆在行驶过程中突然关闭节气门时，ECM控制进气旁通电磁阀关闭通向进气歧管的接口，同时打开真空罐通向进气旁通阀的通道。在真空负压的作用下，进气旁通阀迅速打开进气旁通道，压气机泵轮后端的增压空气通过旁通气道进入到泵轮的前端（即空气滤清器的进气端），使节气门和压气机泵轮之间的空间压力得以释放，从而保证了泵轮只承受很小的阻力而依然保持较高的转速，避免了再次增压而产生迟滞现象，同时增压后的空气进入到泵轮前端更有助于提升增压效果。

注意：

进气旁通电磁阀和废气旁通控制电磁阀都是一个三通阀，所不同的是，进气旁通电磁阀是开关式，只有开、关两种状态，而废气旁通控制电磁阀则是一个占空比控制电磁阀，由ECM通过占空比形式的控制，实现对废气旁通控制电磁阀不同开度的调节。

提示：

在有些车辆的进气旁通控制系统中，取消了进气旁通电磁阀，进气旁通阀直接通过一个真空管连接到进气歧管中。如果节气门突然关闭，进气旁通阀会因为进气歧管中的真空突然增加而打开，增压后的部分空气会通过进气旁通阀打开所提供的通道又进入到增压器的进气侧，从而使涡轮增压器的转速得以保持。福特轿车就采用这种控制方式，其进气旁通阀在增压压力和进气歧管的两侧压力差异超过0.24bar（24kPa）的时候将会打开。

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