废气涡轮增压器工作原理简介

（1）废气涡轮增压器的结构与工作原理 涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机。它利用排气能量使涡轮高速旋转，带动与涡轮同轴安装的泵轮（进气叶轮）旋转把空气压进气缸。

涡轮增压器包括涡轮壳体、压缩壳体、涡轮、泵轮（进气叶轮）、全浮式轴承、排气旁通阀和增压压力调节阀压力单元等。

因为涡轮和泵轮的转速达100000r/min以上，所以采用全浮式轴承以吸收轴的震动，同时润滑轴和轴承。全浮式轴承由机油冷却，在轴和壳体之间自由旋转，减少了摩擦，因此轴可以高速旋转。

图4-31 废气涡轮增压器控制系统示意图

奥迪C5轿车1.8T发动机废气涡轮增压器控制系统的组成如图4-31（图为增压过程）所示。排气旁通阀和增压压力调节阀压力单元用来调节增压压力，防止增压压力升得太高。此车的涡轮增压器装备了中间冷却器，以降低进气温度，改善进气效率。

增压压力调整过程如图4-32、图4-33所示。

图4-32 增压压力调整过程

图4-33 增压压力调整过程（增压压力调节阀压力单元打开）

在发动机ECU的存储器中，存储着发动机增压压力特性图的有关数据，理论增压压力随着发动机转速变化。在发动机工作时，发动机ECU根据增压压力等传感器输入的压力，确定当时的实际进气增压压力，然后将实际增压压力与理论增压压力进行比较。若实际增压压力值与理论增压压力值不相符合，发动机ECU就输出控制信号，通过对增压压力限制电磁阀的控制，改变增压压力调节阀压力单元上的压力，使旁通阀动作，改变实际增压压力。当实际增压压力值低于理论值时，旁通阀关闭；当实际增压压力值高于理论值时，旁通阀打开。

在奥迪1.8T发动机涡轮增压系统中，还装有超速切断阀与涡轮增压换气电磁阀N249（超速切断控制电磁阀），当汽车高速行驶突然减速时，如果没有超速切断阀系统，则由于减速时节气门迅速关小，进气泵轮压力室的压力剧增，对涡轮起到急剧的制动作用，这不仅使涡轮受到冲击，而且在接下来的加速过程中，涡轮需重新加速至高速才能起到良好的增压作用。而当装有超速切断阀与超速切断控制电磁阀N249时，在减速瞬间，电磁阀N249工作，超速切断阀在真空作用下打开，使进气泵轮进口侧与出口侧连接，避免了涡轮转速迅速下降的现象，在紧接着的加速过程中电磁阀N249断电，超速切断阀关闭，涡轮立即继续以高速旋转状态进入增压工况，从而避免了冲击与减速后再加速时动力不足的现象。涡轮增压器处于超速切断工况时的工作状况如图4-34所示。

图4-34 涡轮增压器处于超速切断工况时的工作状况

宝马N20发动机装有采用TwinScroll技术的废气涡轮增压器，如图4-35所示。该废气涡轮增压器在涡轮入口处有两个独立通道，可分别将两个气缸的废气引至涡轮叶片处。

废气涡轮增压器采用带有电动循环空气减压阀和真空控制废气旁通阀的传统结构。

TwinScroll表示带有一个双涡管涡轮壳体的废气涡轮增压器。这样可以分别将两个气缸的废气引导至涡轮处。N20发动机采用将气缸1和4、气缸2和3集成在一起的设计。这样可以更高效地利用脉冲增压效果。

通过废气涡轮增压器实现发动机增压有两种工作原理：即定压增压和脉冲增压。定压增压是指涡轮前的压力几乎恒定不变。用于驱动废气涡轮增压器的能量通过涡轮前后的压力差获得。

采用脉冲增压方式时，涡轮前的压力变化迅速而显著，通过从燃烧室排出废气形成脉冲。压力增大时就会产生作用在涡轮上的压力波。此时利用废气动能，使压力波以脉冲方式驱动废气涡轮增压器。

图4-35 宝马N20发动机的废气涡轮增压器

A—气缸2和3的废气通道 B—气缸1和4的废气通道 C—排气至催化转化器 D—进气消音器输入端 E—环形通道 F—排气至增压空气冷却器 1—废气旁通阀真空罐 2—机油供给管路 3—废气旁通阀 4—涡轮 5—冷却通道 6—机油通道 7—冷却液回流管路 8—循环空气减压阀

脉冲增压可实现涡轮增压器的快速响应特性，特别是在转速较低情况下，因为此时脉动最强，而在定压增压模式下涡轮前后的压力差此时尚小。

实际上PKW发动机的废气涡轮增压器始终利用两种增压方式。根据尺寸参数、废气通道导向和气缸数量决定脉冲增压模式使用比例。

在单缸发动机上，曲轴每旋转两圈完成一个排气循环。因此从理论上来说，每720°曲轴转角中有180°用于排气。图4-36以非常简化的方式展示了单缸发动机废气涡轮增压器前的压力情况。

如图4-36所示，曲轴每旋转720°曲轴转角就会产生一个作用在涡轮上的压力波。该脉冲可使涡轮加速。

图4-36 单缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线图

A—下止点：排气门打开 B—上止点：排气门关闭，进气门打开 C—下止点：进气门关闭D—上止点：点火

图4-37展示了四缸发动机涡轮前的压力情况。

图4-37 四缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力曲线图

1—气缸1排气门打开 2—气缸2排气门打开 3—气缸3排气门打开 4—气缸4排气门打开

由于曲轴旋转两圈后所有气缸均完成了各自的排气循环，因此在720°曲轴转角内产生了四个压力波。点火间隔每隔180°曲轴转角均匀分配。在此过程中压力波相互叠加。某一气缸压力下降时，下一气缸的压力已经增大。因此在涡轮前形成了叠加压力，如图4-38所示。

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图4-38 四缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力叠加后的压力曲线图

叠加作用会使最小压力与最大压力差值明显减小。因此压力波作用在涡轮上的脉冲也随之减小。进而导致废气涡轮增压器内的脉冲增压减少。在四缸发动机上可通过TwinScroll废气涡轮增压器来防止出现这种情况。其方式是将四个气缸分为两个通道，在每个通道内都实现一个二缸发动机的压力情况，如图4-39所示。

图4-39 四缸发动机废气涡轮增压器前废气通道压力叠加后的压力曲线图

1—气缸1排气门打开 4—气缸4排气门打开

在此两个气缸的压力也会叠加。但是气缸1和4、气缸2和3集成在了两个通道内。根据四缸发动机的点火顺序，一个通道的排气循环间隔360°曲轴转角。因此即使在叠加情况下也可产生较大压力差并能更好地利用废气动能。

集成气缸1和4、气缸2和3采用了特殊造型排气歧管。

在废气涡轮增压器内，两个通道分别引导至涡轮处。与传统废气涡轮增压器不同。TwinScroll废气涡轮增压器在围绕涡轮的环形通道内带有一个中部凸台。

N20发动机的排气歧管结构与N55发动机相同。它采用无间隙设计并与废气涡轮增压器焊接在一起。N20发动机针对TwinScroll废气涡轮增压器特殊功能采用四合二式排气歧管。因此气缸1和4、气缸2和3的排气通道分别集成在一个通道内，如图4-40所示。

图4-40 宝马N20发动机带有废气涡轮增压器的排气歧管

1—气缸1和4的废气通道 2—气缸2和3的废气通道 3—废气涡轮增压器

（2）废气涡轮增压器系统的检查　废气涡轮增压器系统的检查步骤如下。

①听涡轮增压系统产生的响声。为了检查涡轮增压器，应起动发动机并听一听涡轮增压系统产生的响声。在技师对这种特殊响声比较熟悉之后，通过是否存在高频声音就能很容易区分是压气机出口有空气泄漏还是发动机有空气泄漏，是发动机有废气泄漏还是涡轮增压器有废气泄漏。如果涡轮增压器响声声强变化，可能的原因是空气滤清器堵塞，或者是压气机进气管道材料松软，或者是压气机叶轮和压气机壳有灰尘。

②检查空气滤清器。听声音之后，应检查空气滤清器，并从空气滤清器上拆下通往涡轮增压器的管道，检查是否有尘土或者是因为外来物造成的损坏。

③检查管路连接处。检查压气机出口连接处的管夹是否松动，并检查发动机进气系统有无螺栓松动和衬垫泄漏等现象。然后，脱开废气管的连接，检查有无堵塞或材料松散的现象。检查排气系统有无开裂、螺母松动和衬垫穿透现象。转动涡轮轴组件，看其是否自由转动，检查有无擦伤和叶轮因冲击而损坏的迹象。

④检查检查有无废气泄漏。检查涡轮壳和相关管接头有无废气泄漏。如果废气在到达涡轮之前就泄漏掉，涡轮增压器的增压效果就受到影响。检查进气系统有无泄漏。如果在压气机壳之前的进气系统出现泄漏，外面的尘土会进入涡轮增压器，并造成压气机叶轮和涡轮的叶片的损坏。当进气系统在压气机壳与气缸之间存在泄漏时涡轮增压器增压压力就会降低。

⑤检查系统的高压侧。对系统的高压侧，可以用肥皂水检查有无泄漏。在加肥皂水后，观察有无气泡以便确定出泄漏的根源，检查旁通阀膜片室推杆是否松动和弯曲，检查从膜片室到进气歧管的软管有无开裂、扭结和阻塞气体流动的现象。还应检查连接到涡轮增压器上的冷却软管和润滑油管有无泄漏。

⑥检查排气。排气中有过多的蓝色烟雾表明涡轮增压器油封可能损坏。在涡轮增压器的涡轮端发现机油泄漏时，一定要检查排油管和发动机曲轴箱通气口是否堵塞而流动不畅。

（3）涡轮增压器的正确使用

①应使用原厂推荐的发动机机油。涡轮增压发动机中的机油不仅用来润滑发动机，而且用来润滑和冷却涡轮增压器。发动机机油受涡轮增压器热量的影响，其温度很容易升高。因此，机油和机油滤清器应当定期更换。否则会导致涡轮增压器的损坏。

如果不使用推荐的机油，可能导致涡轮增压器轴承的损坏。因此，一定要使用推荐的发动机机油。

②冷机起动后不能高速空转或突然加速。在冷机起动时，因为轴承得不到充分润滑，高速空转或突然加速会导致轴承的损坏。

③在发动机高负荷运转后，如高速行驶或长距离行驶，关闭发动机之前，务必使发动机怠速运转数分钟（一般约为2min）。

车辆行驶时，由于机油和冷却液的冷却，涡轮增压器的温度不会上升太高。当高速行驶后发动机立即停止运转等时，机油和冷却液的循环停止。涡轮增压器得不到冷却，将导致卡死等故障。因此，必须怠速运转，来冷却涡轮增压器。

④在空气滤清器或空气滤清器壳体已被拆下时，不要起动发动机。否则，可能因外部异物进入而导致涡轮和泵轮损坏。

⑤当涡轮增压器损坏而必须更换时，首先检查发动机机油的油量和油质、涡轮增压器的使用不良、连接涡轮增压器的油管积炭等可能原因，必要时须排除。

⑥拆卸涡轮增压器时，要堵住进气口、排气口和机油进口，防止脏物或其他外部异物进入系统。

⑦当拆卸和安装涡轮增压器时，不要跌落，不要碰击，不要抓容易变形的零件，如执行器或连杆。

⑧更换涡轮增压器时，检查油管中的油泥或积炭，必要时，清洗或更换。

⑨更换涡轮增压器时，进油口内加入机油，同时用手转动泵轮，以润滑轴承，如图4-41所示。

图4-41 更换涡轮增压器时应往进油口内注入机油

⑩大修或更换发动机时，重装后，在切断燃油供给的情况下，转动发动机30s，以润滑发动机相关部位。然后怠速运转发动机60s。