发动机增压 《汽车》发动机资源池

发动机知识:发动机增压

I、基础知识：

一、增压的可行性及特点

二、增压的衡量指标

三、发动机增压的种类

II、废气涡轮增压

一、理论基础

(-)废气能量的利用

(二)增压空气的中冷

二、压气机构造

三、离心式压气机工作原理

四、离心式压气机工作特性

五、涡轮机构造与工作原理

in、增压的特点及与内燃机匹配

一、对车用增压器的要求

二、增压器与内燃机的匹配

w、车用内燃机增压的特殊问题及改善措施

一、车用内燃机增压的特殊问题

二、增压内燃机优化措施

I、基础知识：

一、增压的可行性及特点

内燃机的有效功率为：

式中：Pme---平均有效压力（kPa）；

Vs---工作容积（n?）；

i----内燃机全缸数；

n----内燃机转速（r/min）；

T一一冲程数。

要提高内燃机的单机功率，可通过提高内燃机的平均有效压力Pme来实现。要提高平均

有效压力Pme,通过控制过量空气系数，提高充气效率和增加进入气缸的充气密度，可以实

现提高内燃机的动力性。

内燃机采用进气增压，就是提高进入气缸的充量密度的有效途径，使进入气缸的新鲜气

量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高有效功率。

增压技术在柴油机上得到了广泛的应用，汽油机增压的许多问题也已经得到了成功的解

决。增压发动的特点是：

1）功率相同时，发动机的空间尺寸减小，重量轻，对于提高发动机的经济性更有意义。

2）在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压发动机的工况更接

近最大效率设计工况点。

3）通过增压器的合理设计，可以将转短特性改进为低速高转矩，这对车用内燃机很有利。

4）随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降（海拔每上升1000m功率下降10%）,可

通过增压来弥补。

5）通过增压可以使排放降低。对于增压汽油机，通过最合适的燃烧室形状设计和在涡轮

机内的后燃，可以降低HC值；在低负荷范围可降低NOx,当然在高负荷时NOx会有所升高。

对于柴油机，增压后NOx略有上升，但由于空气过量，烟度有所下降。

6）降低噪声。柴油机增压后，由于混合器工作温度升高，着火延迟期缩短，燃烧过程变

得柔和，对直喷式柴油机更为有利。另外，通过换气管内的波动削平和消声，也使噪声减小;

表面辐射噪声也有所下降。

7）经济性得到改善。由于增压后平均有效压力提高，机械损失相对减少，在高负荷区，

机械效率得到提高；在低负荷区，由于进、排气阻力和换气损失增加，经济性受到影响。在

相同功率时，增压机比非增压机的排量要小，机械损失也相对减小。因此，增压机比非增压

机的比油耗要小、等油耗的经济运行区扩大；另一方面，排量不变时降低转速，机械损失也

减小，热效率得到提高。

8）增压机的主要零部件的机械负荷和热负荷增加。

二、增压的衡量指标

衡量指标主要有增压度和增压比。

1、增压度

增压度4）是指内燃机在增压后的标定功率和增压前的标定功率的差值，与增压前标定功

率的比值。增压度表明增压后功率增加的程度。

式中一增压后、增压前的标定功率。

增压度取决于所采用的增压系统，采用中冷可使

增压度提高。汽油机的增压度受到爆燃的限制。柴油

机的增压度受燃烧最高压力的限制，通常以降低压缩

比来补偿。

现代四冲程柴油机的增压度可达3以上，而车用

柴油机的增压度不高，一般只有0.1—0.6左右。因

为车用柴油机要同时考虑车辆的动力性、经济性、排

放和成本等多方面要求。

2、增压比

增压比是指增压器出口压力与环境条件下大气

压力（或增压器进口压力）的比值，简称压比，用错误!未找到引用源。表示。

Pb

式中错误!未找到引用源。一增压器出口压力；

错误!未找到引用源。一环境条件下大气压力。

通常错误!未找到引用源。＜0.15MPa为低增压；0.15MP〈错误!未找到引用源。＜0.25MPa

为中增压；0.25MPa〈错误!未找到引用源。＜0.35MPa,错误!未找到引用源。＞0.35MPa为超

高增压。

三、发动机增压的种类

按增压的工作原理，内燃机增压可分为：机械式增压、容积式（进气管）增压、气波增压、

废气涡轮增压及复合增压。

II、废气涡轮增压

废气涡轮增压在1905年由瑞士人（Bechi）提出，20世纪20年代开始用于柴油机。近年

来，汽油机增压也颇受重视，应用增多。

一、理论基础

1、废气能量的利用

为了说明四行程汽油机废气能量利用情况，将其理论示功图表示在图右上。图中3—a

为吸气过程，进气压力为入错误!未找到引用源。；a-c-z-b是压缩、燃烧、膨胀过程；b-5-4

是排气过程，由于废气涡轮的存在，排气背压为错误!未找到引用源。；2-3-a-0为压缩进入

气缸所需之能量，由于错误!未找到引用源。3-a-5-4为充量更换正功；i—g'—3—2为压

缩扫气空气所需之能量，故压气机消耗的总能量为i-g,-a-o»

在发动机排气门打开时，气缸中燃气状态为b如果让这些燃气在理想的内燃机或涡轮机

中不出现任何损失的完全膨胀到大气压力时，燃气所具有最大作功能力为1-b-f（示功图上

面积）它就是理论上有可能从废气中取得并用以作功的最大能量。

废气能量的利用与增压系统的型式有关，一般废气涡轮增压型有恒压增压系统和变压增

压系统（也称脉冲增压系统）两种型式。

（a）恒压系统（b）变压系统

图8-3废气涡轮增压系统的两种拓本型式

废气的全部能量E可以分为两个部分：一部分为气缸内气体由压力错误!未找到引用源。

膨胀到涡轮前气体压力错误！未找到引用源。的膨胀能错误！未找到引用源。，对应面积为

5-b-e-5o另一部分是气体在涡轮内由压力错误!未找到引用源。膨胀到大气压力错误!未找

到引用源。的膨胀能互错误!未找到引用源。，对应面积为e-f-i-g-e,其中包括i-g-4-2-i

面积所表示的扫气空气在涡轮中所作的功。

对于恒压增压系统是使所有气缸的废气进入一个容量足够大的排气总管，以维持管中恒

定的压力错误!未找到引用源。，见图。现在分析一下在恒压增压系统中涡轮作功的能量来源。

根据上述分析，涡轮作功来源由三个部分组成：1）面积i-g-4-2是扫气空气所给予的；

2）面积2-4-5T是活塞推出废气所作的功；3）真正从废气中取得的能量为面积l-5-e-f；因

此，废气所拥有的可用能量为1-b-f,而对恒压增压系统中面积为5-b-e-5的可用能量损失

掉了。这是因为废气从气缸流入大容量的排气总管时，排气门处产生节流、涡流等损失。如

果排气管处在绝热的情况下，则动能错误!未找到引用源。的一部分转变为热能，使废气的

容积增加了AVle-e'）同时涡轮前的温度升高，这样涡轮功的面积将增加一个

e-e'-f'-f,这就是从损失5-b-e中的复热回收部分。错误!未找到引用源。越高，则复热

回收的比例越大。

变压增压系统是把排气系统的容积作的尽量小，使压力脉冲和动能损失尽量小。为此，

可用一个涡轮或几个祸轮，安装在尽量靠近相应的气缸，同时把多缸机的排气管分作几个单

独的支管以排除气缸排气的相互干扰，这时除可利用定压废气能量错误!未找到引用源。外,

还可利用错误!未找到引用源。的一部分。这是因为排气容积小且变化小，节流损失小。另

外排气管截面较细，管中流速较高，部分动能也可以在涡轮中加以利用。通常用错误!未找

到引用源。表征脉冲增压较恒压增压可多利用的废气能量程度，则

式中K一一能量错误!未找到引用源。的利用系数。

下图示出了及f随增压比错误!未找到引用源。（错误!未找到引用源。一压气机出口

压力，错误!未找到引用源。一压气机进口压力）的变化关系。当错误!未找到引用源。大

于2.5时，错误!未找到引用源。值的变化较缓，说明脉冲增压所得到的能量增益不大。

2、增压空气的中冷

根据式（8—1）可知要想提高发动机的功率则需提高进气压力加（增压），但随着错误!未

找到引用源。的提高则进气温度错误!未找到引用源。也随之升高，它不但限制了发动机功

率的进一步提高，而且还将引起排气温度升高，热负荷增加。为此，将从压气机出来的高温

气体经过在压气机与进气门之间设置的中冷器1使空气冷却降温后再送入到发动机气缸中，

这样增压使错误!未找到引用源。增加，中冷使错误!未找到引用源。下降，从而使发动机

的功率得到更大的提高。其系统布置及工作路线如图所示。根据一般车用汽油机的产品统计

可知：采用废气涡轮增压其功率可提高30%—40%,增压后中冷又可提高20%—30%左右。

因此在高性能车用发动机中都采用增压中冷型式。

二、压气机构造

下图为单级车用废气涡轮增压器。左侧为压气机，它由进气道、压气机叶轮扩压器和压

气机壳等组成。

1.进气道

进气道的作用是将气流有秩序地导入压气机的工作叶轮进行压缩。轴流式压气机进气气

流沿轴向进人工作轮，空气进入工作轮时的损失较小，这种结构常用于小型增压器。

2.压气机叶轮

叶轮的作用是在其旋转时，使空气在离心力的作用下，受到压缩并甩向叶轮外缘，使空

气的温度、压力和流速都增加。

叶轮的构造如下图所示。其结构形式有半开式、开式和星形。

半开式叶轮叶片和轮盘相连，具有一定的强度和刚度，小型增压机应用较多。

开式叶轮只有轮鼓和叶片，叶片两端是敞开的，摩棕流动损失大，效率低，易引起振动,

目前较少采用。

星形叶轮是在半开式的基础上发展起来的。这种结构能承受较高转速，适用于高增压机。

3.扩压器和出气蜗壳

扩压器的作用是使流经叶轮后的气流速度降低，从而进一步增加气体的静压力。扩压器

的型式有两种：一种是入口小出口大的无叶扩压器（缝隙式扩压器）；另一种是叶片式扩压器

两种。

出气蜗壳的作用是收集气体，并将其引入增压器的进气管，同.时继续压缩气体，使从

扩压器出来的气体再一次降低流速，以提高气体的静压力。

图8-4废气涡轮增建器

1一国鼠机死体2—压气机叶轮3-搞冷机亮体

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三流流有而压四引特大效

之又降低。当流量减小到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的角度偏离设计工况，造成

气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，引起压气机工况不稳

定，导致压气机振动，并发出异常响声，称为喘振。将各转速下的喘振点连接起来；构成一

条喘振边界线。喘振线的左边为不稳定区域，压气机只能在喘振线右侧工作，即小供气量时，

不能达到高增压比。

从特性曲线中的等效率曲线来看，中间是高效率区。高效率区一般比较靠近喘振边界线，

从中心向外，效率逐渐下降，特别在大流量低增压区，效率下降很多。

五、涡轮机构造与工作原理

径流式涡轮机主要由进气涡壳，工作轮及出气道等组成（参见图8—4）。

进气涡壳把发动机与增压器连接起来，并使发动机的废气均匀地进入涡轮。在涡壳与工

作轮问装有导向叶片（吸嘴环），其作用是将废气的压朗有效地转换为动能，使气流具有一定

的方向和较均匀地高速进入工作轮。高速运动的气流冲击着涡轮机的工作轮，使其高速旋转，

并带动压气机工作。

m、增压的特点及与内燃机匹配

一、对车用增压器的要求

与车用内燃机相匹配的涡轮增压器应满足以下要求：

D尽量小的转动质量。车用机变工况多，起动性、加速性必须良好，因而增压器转子的

转动惯量要小。

2）最佳的涡轮转速比。涡轮的效率与其速比有密切关系。速比最佳时，涡轮效率最高。

变工况时，由于转速和进口废气状态变化，速比也发生变化，使祸轮效率下降。在叶轮尺寸

较小的情况下，只有提高温轮机的转速。一般中等吨位的车用发动机增压器的转速，在每分

钟10几万转以上，轿车则可达25万转以上。

3）宽广的压气机高效区。车用内燃机流量变化范围较宽，而压气机的效率和压比随工况

变化会明显下降，高效区很窄。

4）较强的变工况适应性。车用内燃机工况变化大，导致涡轮喷嘴环出口的气流速度发生

变化，则叶轮入口相对速度的方向和大小均发生变化，而入口导向叶片的几何角度不变，气

流将偏离最佳设计方向，使产生的冲击损失较大，影响涡轮效率。这种现象在有叶喷嘴上反

映敏感，在无叶喷嘴上却比较迟钝。所以，车用增压器宜采用无叶喷嘴涡轮，以增强工况的

适应性。另外，为了满足车用内燃机低速下转矩和排放指标的要求，近年来还采用变截面增

压器。

二、增压器与内燃机的匹配

要使增压器获得良好的性能，涡轮增压器与发动机必须很好地匹配：

1）在标定工况，必须达到预期的增压压力和空气流量，以保证有足够的过量空气，使燃

烧完善。同时，要求涡轮前的徘气温度不能超过预定值，以保证热负荷和机械负荷不致过高。

2)低工况时，保证有一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求。

3)增压器对运转范围的适应能力较强，涡轮机应允许在较宽广的范围运转较大，高效率

区在整个工作范围不发生喘振和涡轮机阻塞现象。

IV、车用内燃机增压的特殊问题及改善措施

一、车用内燃机增压的特殊问题

1.柴油机增压的特殊问题

(1)热负荷增加增压柴油机进气的温度是压气机出口温度的函数，比非增压机高至少

60-80℃o由于压缩初温升高，致使各工作循环的温度相应上升。同时，循环供油量增加后,

转变为有用功的热量和损失的热量都随着增加，表现于机油温度、冷却水温度及排气温度显

著提高。

对于涡轮增压器来说，也存在热负荷过大问题，有关的零部件会因热负荷大而加速损坏。

随着增压速度的提高，热应力的问题将会更加突出。

(2)机械负荷增加随着进气压力的增高，柴油机的燃烧最高压力也要增大。进气压力

每增加0.IMPa,燃烧最高压力就增加0.868MPa,压力升高率剧增，柴油机的机械负荷增

加很多。

(3)低速和加速排气冒烟柴油机在低速运转时，由于惯性作用，空气增压较差，柴油

棚，杯低谏区是官油燃烧，易冒黑烟。在加速时，由于惯性使压气机供气滞后，也会出现冒

烟现象。

2.汽油机的特殊问题

汽油机增压以后，除了热负荷增加和机械负荷增加外，由于汽油机工况变化范围更大，

并采用点燃式着火方式，增压所带来的问题更为特殊。

(1)爆燃倾向加大汽油机增压后，由于热负荷的增加，进、排气温度升高，加上不能

加大扫气来冷却受热零件，使热负荷更高。如果不改变压缩比和使用高辛烷值的汽油，爆燃

的倾向加剧。

(2)汽油机速度变化范围大。整个速度范围内的功率差别大，使涡轮增压器的匹配更难。

(3)瞬态响应更差。由于汽油机增压直接影响空气和燃油量，因此，对速度变化的瞬态

响应更差。

二、增压内燃机优化措施

由于废气涡轮增压可以明显地提高发动机的动力性能，降低比油耗及排放污染，径小于

100mm的汽车发动机也越来越多地采用增压技术。为获得较为理想的效果，动机必须采取相

应的措施，才能完善其性能。

1.增压柴油机的优化措施

（1）降低热负荷降低热负荷的主要措施有增加冷却扫气量、温度等。现代缸降低压缩

空气温度和排气

1）适当增大进排气门的叠开角，每增加10°叠开角，可降低排气温度5匕左右。但叠开

角过大，会发生活塞与气门相碰现象。

2）增大气门登开期内进、排气管压差，每增加压差O.OIMPa,每循环每气缸可增加扫气

量0.02g。增大压差的主要途径是合理设计进、排气歧管，增大进排气门的时间（截面）。

3）增压中间冷却，压缩空气每降低燃烧最高温度可降低2—3（。因此，对增压空

气进行中间冷却，冷却后的压缩空气进入进气管。中间冷却使发动机进气密度进一步提高，

在不增加热负荷的情况下，可提高功率12%—15%,同时还有利于降低NOx的排放。

4）强化冷却系统。改善机油冷却条件和曲轴箱通风，增大机油散热器散热面积；改善冷

却系工作条件，适当调整水泵容量，提高水泵转速，增大散热水箱散热面积，增大风扇直径

等。

5）改善供油系统和燃烧系统。柴油机增压后，循环供油量增大。适当调整供油系统、合

理组织燃烧过程，对降低热负荷很有作用。可以通过缩短供油时间、强化燃挠室中油气的混

合，适当降低供油提前角，使滞燃期缩短，工作柔和。

（2）降低机械负荷的措施

1）适当降低压缩比，可以降低燃烧最高压力，从而对降低机械负荷有利。

2）适当减小供油提前角，使燃烧的最高压力下降，既减小了热负荷，又缓解了机械负荷。

3）调整涡轮增压器，适当增大喷嘴环面积，使增压器转子转速下降，压气机出口压力降

低，柴油机最大爆发压力减小，机械负荷减小。还可适当增大压气机及涡轮的涡壳来调整压

缩比、流量及效率范围，以优化匹配。

4）优化供油系统。

5）采用特殊结构，如：可变压缩比增压系统、变截面增压器、低温高增压系统、冒烟*

限制器等。

2.增压汽油机的优化

汽油机增压的主要问题是爆燃倾向加剧，应有效地消除草成小爆燃。

1）采用辛烷值高的燃料或降低压缩比。

2）采用废气再循环，降低燃挠最高温度和压力。

3）燃烧室设计更紧凑。

4）采用中间冷却技术，降低充气温度。

5）选择适当的增压度。

首先来介绍一下涡轮的历史，说到涡轮增压技术，它已经有100多年

历史了。在1905年AlfredBuchi博士就申请了第一款涡轮增压器的

专利-动力驱动的轴向增压器。而世界上最早的由废气驱动的涡轮增

压器出现在上个世纪的1912年，已经快有100年的历史了，最出的

机械化批量生产出现在第二次世界大战时期的1944年，是当时的参

战国美国首先将其运动到军用战斗机上的。到了1961年，小轿车开

始试探性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装

后效果并不理想。而世界上最早将源于航空领域的涡轮增压器技术应

用到民用汽车领域的汽车制造商就是Saab萨博，Saab萨博作为通

用汽车最具个性化特色的品牌，来自瑞典、成立于1937年，SAAB就

是“瑞典飞机公司”(SvenskaAeroplanAktiebolaget)的字头缩写，

全球第一款涡轮增压汽车发动机更是出自萨博之手，1977年问世的

Saab萨博99汽车，使汽车发动机在应用涡轮增压技术上，真正开始

走向成熟，它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增

压技术改写了“排量大小决定功率”的传统概念。凭借近70年制造

飞机的技术和经验，萨博造就了具有独特的北欧风格、从造型到性能

都充满个性的运动型轿车。涡轮增压发动机不仅在功率和扭矩的性

能数据上有出色的表现，更能在日常使用中享受到同排量车无法匹敌

的动力输出。Saab萨博9-3Vector2.0TS就是这么一款车，装备了

2.0升强涡轮增压发动机的Saab萨博9-3Vector2.0TS可以在5300

转时输出惊的155kW的功率，这一指标几乎已经赶上普通轿车3.0排

量的自然进气发动机。也就是说在某一程度上，这款四缸发动机的产

品所产生的功率与普通六缸发动机是等效的，这样带来的优点很明

显，不仅不需要为了追求高速率来花更多的费用购买大排量汽车，并

且发动机工作时噪音更小，而且采用分量较轻的发动机对降低整车重

量、减少油耗更是大有益处。其实涡轮增压发动机有这么多的优点，

但它的核心部分简单说就是一个气泵，从发动机排出来的废气来驱动

涡轮增压器一侧的叶片，当这一侧的叶片加快旋转速度时，另一侧的

叶片也在同步加速，从而大大增加了进入发动机燃烧室的进气量。虽

然原理简单但实际上它是很复杂和精密的，不仅需要内部配件的严密

配合，涡轮增压器还要与发动机严密匹配，否则就会降低发动机的效

率甚至造成损坏。

什么增压器？简单地说，它就相当于一个鼓风机，将更多新鲜空气压

入发动机的燃烧室，改善燃烧效率，从而在不改变发动机工作容积的

情况下提高动力输出。一台发动机上既然可以存在机油泵、汽油泵、

水泵、转向助力泵等用来“搬运”各种液体的设备，为什么不可以再

增加一个“空气泵”呢？不过这听起来好像很浅显，将其从理论变为

现实的过程可就曲折多了。

其实早在内燃机刚刚发明不久后19世纪末期，德国人就产生了

类似的念头。不过严格来说，最早的机械增压器应该是在20世纪最

初十年内由美国人查德维克开发出来的，而第一个由废气驱动的涡轮

增压器则是由瑞士人AlfredBuchi博士于1909年研究出来的。涡轮

增压器的英文名称Turbocharger也是为了与Supercharger有所区

分。可惜在当时，这一概念并未被多数人所接受。

直到数年后，能为发动机带来更多动力的增压器才开始逐步进入

实用阶段。1925年，两艘德国船只上首次成功应用了2000马力的涡

轮增压柴油机，这也促使Buchi博士的废气涡轮增压器很快在欧洲、

美国和日本获得了生产权。从20世纪30年代开始，增压器被大量运

用到船只、有轨机动车及固定式机器。

不过，增丈夫器归初的广泛应用却是在航空工业。第一次世界大

战期间，为了让飞机（当时都是活塞式发动机）获得更快的速度和更高

的升限，军用飞机率先试探性地使用了这两种不同的增压装置。不久

之后爆发的第二次世界大战进一步刺激了技术方面的长足进步。最著

名的采用涡轮增压技术的大概就是二战末期轰炸柏林的主力轰炸机

型B17“空中堡垒”了，其动力系统安装了通用电器公司生产的涡轮

增压器和Garrett生产的冷却器。而生产航空发动机的劳斯莱斯则以

机械增压器著称，英军主力战斗机“喷火”和轰炸机“兰开斯特”，

以及美军的P51“野马”战斗要等，都装有二战期间最出色的劳斯莱

斯“灰背隼”发动机。

至于在汽车领域的应用，机械增压器无颖更先得到青睐，产品成

熟也相对早很多。20世纪20-30年代，当价格高昂的涡轮增压器仍

然只被用在航空领域时，机械增压器已早就横扫欧美各大赛道了。那

个年代知名度最高的两部赛车分别来自AUT0UNI0N（奥迪的前身）和奔

驰。AUT0UNI0N在赛车上安装了一台增压值为1.8巴的两级机械增压

6.0升发动机，压缩比9.2：1,并以甲醇作为燃料，在5000转/分时

可输出520马力的最大功率，另一部同样采用两级机械增压器的奔驰

M125则能释放出646马力。

涡轮增压器进入汽车爱好者的视野已是数十年以后的事情了。进

入50年代，GRANDPRIX大奖赛规则进行了修改，使得法拉利的自然

进气发动机逐渐在欧洲赛场显现统治地位，机械增压器开始从赛场上

引退，并从此大量进入了高性能改装车市场。由于没有功率限制，很

多公司陆续生产了更强力的机械增压器，而唯一对这种装置的制约可

能就是价格了。

60年代对机械增压器贡献最大的应属美国。随着小型化机械增

压器的大批出现和可以直接安装到发动机上的便利性，追求大功率的

车迷对V8发动机进行改装后往往都会再安上一个夸张的机械增压

器。这期间最具代表性的可能就是McCulloch和Frenzel等企业了。

进入70年代后，为了能在NASCAR比赛中与雪佛兰的V8发动机一争

高下，福特请McCulloch为其专门设计机械增压器，而400米直线竞

速也推动了增压发动机风靡美国市场。

很明显，涡轮增压器的使用历史远没有机械增压器那么辉煌显

赫。直到20世纪50年代，航空燃气轮机的出现带动了耐热材料的发

展和开发高温材料的精密铸件技术的重大革新，对涡轮增压器的发展

产生了意义深远的影响。此外，滑动轴承的发明也为其进一步发展打

下了基础。借助于滑动轴承，目前废气涡轮增压器的转速普遍能达到

150000-170000转/分，这是传统的滚珠轴承难以企及的。

以生产航空涡轮增压器著称的Garrett公司最终解决了涡轮增

压器的技术屏障，推动了涡轮增压器进入民用汽车市场。不过当60

年代涡轮增压器第一次使用于雪佛兰民用车上时，几乎是以悲剧收场

的，它因可靠性较差很快退出了市场。不过在商用车领域，涡轮增压

器的发展历程倒是相对顺利。从50年代，康明斯、沃尔沃和斯堪尼

亚等主要的发动机制造商开始研究在卡车上运用废气涡轮增压器技

术，而德国工程师kurtBeirer设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增

压器，解决了自身体积过大，并在柴油卡车上得到广泛运用。

涡轮增压器真正在民用柴油车上大批使用已经是70年代了，奔

驰300SD和大众高尔夫增压柴油版是当时最具代表性的车辆了。使用

涡轮增压器也突然变为非常时髦的事情，各公司都有起码一款高配置

的车型使用该装置，甚至被视为高科技和高档的象征。那个时代下诞

生了不少即使现在看来仍十分经典的车型，比如1973年款宝马

2002Turbo,1974年款保时捷911Turbo,以及稍晚的萨博900Turbo

等等，甚至法拉利都推出过几款涡轮增压车型。

二十多年后的今天，增压器已不再单纯地用来提升运动性能，同

样也是改善燃油经济性和降低排放污染物的有效手段，因为它能直接

有效地优化燃烧效率。不过正如你可能了解到的，直到目前炎上，增

压器在汽油机上的运用远不如在柴油机上广泛，因为从技术特性来

看，柴油机更需要增压器的帮助。

汽油机比柴油机增压困难的原因

汽油机增压比柴油机增压要困难的多，其主要原因是：

1）汽油机增压后爆燃倾向增加。

2）由于汽油机混合气的过量气系数小，燃烧温度高，因此增压后汽

油机和涡轮增压器的热负荷大。

3）车用汽油机工况变化频繁，转速和功率范围宽广，致使涡轮增压

器与汽油机的匹配相当困难。

4）涡轮增压汽油机的加速性较差。当节气门突然开大要求混合气量

迅速增加时，却由于增压器转子的惯性，使增压器加速迟缓，发动机

进气量的增加将滞后一段时间。完全消除涡轮增压器对发动机工况变

化的影响滞后现象比较困难。

采取的措施

1）在电控汽油喷射式发动机上实行汽油机增压，解决了发动机与涡

轮增压器匹配的困难。应用电控技术可以极其方便地对汽油机增压系

统进行爆燃控制，放气控制和排放控制等。

2）应用点火提前角自适应控制，来克服由于增压而增加的爆燃倾向。

利用装在发动机上的爆燃传感器检测爆燃信息，并将其传输给电控单

元（ECU）,电控单元则发出指令推迟点火以消除爆燃。待爆燃消除后,

自适应地逐步加大点火提前角，使发动机在比较理想的状况下工作。

3）对增压后的空气进行中间冷却。这样对提高功率，降低油耗，降

低热负荷和减轻爆燃都十分有利。

4）采用增压压力调节装置。涡轮增压发动机的低转速转矩小，加速

性差。为了获得低速、大转矩和良好的的加速性，轿车由涡轮增压的

设计转速常为标定转速的40%。但在高转速时，增压压力将会过高，

增压器可能超速。过高的增压压力使汽油机热负荷过大并发生爆燃,

为此必须采用增压压力调节装置，以控制增压压力。最为简单而又十

分有效的这类装置是进排气旁通阀或放气阀。

增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加

进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应地增加循环供油量，从

而可以增加发动机功率。同时，增压还可以改善燃油经济性。实践证

明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的

经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还由于发

动机功率增加，可以得到驾驶人所期望的良好的加速性

第一节概述

增压有涡轮增压、机械增压和气波增压等三种基本类型。实现空气增

压的装置称为增压器。各种增压类型所用的增压器分别称为涡轮增压

器、机械增压器和气波增压器。

机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮

经齿形传动带及电磁离合器驱动。机械增压能有效地提高发动机功

率，与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。另外，机械增压器与发

动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是，由于驱动增压器需消耗发动

机功率，因此燃油消耗率比非增压发动机略高。

排气管

齿轮增速器乜

齿轮驱动齿形带驱动

机械增压示意图

涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机排出的废气引入涡轮

机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安

装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。涡轮增

压也称排气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有机械的联系。涡轮增

压的优点是经济性比机械增压和非增压发动机都好，并可大幅度地降

低有害气体的排放和噪声水平。涡轮增压的缺点是低速时转矩增加不

多，而且在发动机工况发生变化时，瞬态响应差，致使汽车加速性，

特别是低速加速性较差。

涡轮增压示息图

气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱

动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使

空气受到压缩，以提高进气压力。气波增压器结构简单，加工方便，

工作温度不高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮增压相比，其

低速转矩特性好，但是体积大，噪声高，安装位置受到一定的限制。

目前，这种增压器还只能在低速范围内使用。由于柴油机的最高转速

比较低，因此多用于柴油机上。

气波增压示意图

第二节机械增压

一、机械增压系统

电控汽油喷射式发动机上所采用的一种机械增压系统示意图。图中机

械增压器6为罗茨式压气机，由曲轴带轮12经传动带和电磁离合器

带轮11驱动增压器6工作。空气经增压器增压后再经中冷器7降温,

然后进入气缸。当发动机在小负荷下运转时不需要增压，这时电控单

元(ECU)17根据节气门位置传感器3的信号，使电磁离合器断电，增

压器停止工作。与此同时，电控单元向进气旁通阀5通电使其开启，

空气经旁通阀及旁通管道进入气缸。爆燃传感器9安装在发动机机体

上，它将发动机发生爆燃的信号传输给电控单元，电控单元则发出相

应的指令减小点火提前角，以消除爆燃。

1-空气洗酒器；2-空气流量计；3-节气门及节气门位置传感器；4-怠速空气

控制液；6进气旁通同；6-机械增压器；7-中冷器；8-喷油器；9-爆便传感

器：10-冷却液温度传感器；11-电班离合器带轮：12-曲轴带轮：13-氧传感

器；14-三效催化转换器：15-分电器；16-点火线圈；17-电控单元（ECU）

电控汽油喷射式发动机机械增压系统示意图

机械增压器工作原理

自从人类发明内燃发动机以来,汽车工程师、追求极速的车手和赛车

设计师们一直都在寻找提升其动力的方法。其中一种方法是建造更

大的发动机。但大型发动机也并不总是尽如人意，发动机越大，重

量就越重，制造和维护成本也就越高。

福特Ranger在发动机盖下安装了机械增压

器。

另一种方法是提高普通规格发动机的效率。可以通过将更多的空气

压入燃烧室来实现这一目的。更多的空气意味着可以注入更多的燃

油，而更多燃油则意味着更强劲的爆发力和更大的马力。安装机械

增压器是实现强制进气的好方法。在本文中，我们将解释机械增压

器的概念、工作原理以及其与涡轮增压器的差异。

机械增压器基础知识

机械增压器是将吸入的空气加压到超过正常气压的装置。机械增压

器和涡轮增压器均是如此。实际上，“涡轮增压器”一词是其正式

名称“涡轮式机械增压器”的简写。

ksShopper网站供图

双螺旋式机械增压器

这两种装置的不同之处在于它们的能量来源不同。涡轮增压器是借

助排出的巨大气流来驱动涡轮的。而机械增压器则由发动机曲轴通

过传动带或传动链带动的。

普通四冲程发动机有一个冲程专门用于进气。这一过程有三个步骤:

1.活塞往下运动。

2.制造真空状态。

3.依靠大气压将空气吸入燃烧室。

当空气被吸入发动机后，便和燃油混合形成油气混合物。此混合物能

够通过燃烧这一化学反应转换成有用动能。火花塞通过点燃空气和

燃油的混合气体引起此化学反应。当燃油发生氧化时，会释放大量

能量。此过程产生的力量集中在气缸盖上，这股力量将推动活塞，

使活塞产生往复运动，最终这股动力会传递到车轮上。

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一台安装了机械增压器的基本发动机

向燃烧室注入更多的燃油将会产生更为强劲的燃烧爆发力。但不能

仅仅向发动机中增加燃油，因为燃烧燃油需要严格数量的氧气。这

种经过化学反应产生的混合物，空气和燃油的比例应控制在14:1,

这对发动机的有效运转至关重要。所以重点在于：若要注入更多的

燃油，就必须吸入更多的空气。

这就是机械增压器的作用。机械增压器通过将空气压缩至正常大气

压以上来吸入更多的空气，而不是通过制造真空状态来吸入空气。这

样就可以强制更多的空气进入发动机，从而导致“增压”。发动机

增压后会吸入更多空气，从而向燃烧室注入更多的燃油，发动机的动

力也会增强。机械增压器平均可提高46%的马力和31%的扭矩。在

海拔较高的地方，发动机性能会降低，因为那里的空气密度和压力都

比较低，而机械增压器只有向发动机提供压力更高的空气，才能保证

其运转状态最佳。

涡轮增压器利用燃烧产生的废气向压缩机提供动力，与之不同的是,

机械增压器直接从曲轴获取动力。大部分机械增压器都通过一条附

属的传动带获得动力，这根传动带缠绕在皮带轮上，皮带轮连接在一

个主动齿轮上。而主动齿轮则会旋转压缩机齿轮。压缩机的转子可

以有多种设计，但它的任务是吸入空气，将空气压入更小的空间，并

注入进气岐管中。

皮带轮

主动齿轮

推进器驱动齿轮

内部油齿轮

ProChargerDISC离心式机械增压器

为了压缩空气，机械增压器必须急速旋转，甚至比发动机本身转得还

要快。将主动齿轮做得比压缩机齿轮大，就能使压缩机旋转得更快。

机械增压器的转速每分钟能高达5-6.5万转。

5万转的压缩机能产生大约41-62千帕的压强。在特定海拔高度，

这会产生比大气压高41-62千帕的压力。而海平面的大气压为

1012.8百帕，因此大约会多出50%的空气被机械增压器压入发动机

中。

空气受到压缩会变热，这意味着空气密度会降低，同时也会减少爆炸

过程中空气的膨胀程度。这就无法在火花塞点燃混合气体后产生足

够的动力。为使机械增压器发挥全部效率，从排气装置排出的压缩

空气必须在进入进气歧管前加以冷却。中间冷却器的出现解决了这

一问题。中间冷却器有两种基本设计：风冷和水冷。它们的工作

原理类似于散热器，即让较凉的空气或水流过导管，带走热量。当

热空气离开机械增压器碰到较凉的导管时，它便会冷却下来。随着

空气温度降低，其密度会变高，这样就会使密度较高的混合燃气进入

燃烧室。

机械增压器的类型

机械增压器的类型有四种：鲁式（Roots）、双螺旋式。离心式和罗氏

增压器。它们的主要区别在于将空气吸入发动机进气歧管的方式不

同。鲁式和双螺旋式机械增压器使用不同类型的啮合凸缘，而离心

式机械增压器使用叶轮吸入空气。尽管这三种设计都能产生增压效

果，但在效率上却有很大差别。各个类型的机械增压器都有不同的

尺寸，具体选择哪一种取决于您是只想提升汽车的动力，还是想去参

加赛车运动。

鲁式机械增压器是最老式的一种设计。1860年,Philander和Francis

Roots申请了鲁式机械增压器的设计专利，作为帮助矿井通道通风的

机器。1900年，GottleibDaimler首次在汽车发动机中安装了鲁式

机械增压器。

机械增压器工作原理

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鲁式机械增压器

当啮合凸缘旋转时，空气会被吸入凸缘之间的气槽中，然后在进气口

和排气口之间传送。大量的空气将进入进气歧管，并“累积”起来

产生正压力。也正因为如此，鲁式机械增压器只不过是鼓风机，而

“鼓风机”