１前言
增压技术的原意是强化发动机的工作过程，提高发动机的升功率，由此减少发动机的质量和汽车的滚动阻力，对于汽车节能来说具有积极意义。另外，增压使发动机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高发动机的热效率，从而提高发动机的负荷率。增压不仅能够使发动机节能，而且相应地减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。因而增压技术被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。随着排放法规的日益严格，涡轮增压发动机的使用愈来愈广泛，低速和中速柴油机全部采用涡轮增压。但是由于发动机与增压器的工作方式不同，二者难以良好的匹配。尤其是随着增压压比的提高，涡轮增压发动机普遍存在着低速扭矩不足，
（如图１所示，功率基本相同的增压发动机
与大排量非增压发动机在稳态下扭矩特性的对比，在低速区增压发动机扭矩相对不足），加速性差（如图２所示），加速冒烟等固有缺陷。本文主要分析和讨论改善增压发动机瞬态响应滞后、加速冒烟等问题的技术途径的发展状况。
２向增压器涡轮转子施加外部能量
早在２０世纪６０年代就已经认识到增压发动机的瞬态响应滞后的问题，并对在涡轮增压器上施加外部能量以改善其响应的方法作了各种研究。
１９６９年，Ｓ．Ｇ．Ｔｉｍｏｎｅｙ等人提出，用喷射高压油来驱动安装在增压器轴上的“Ｐｅｌｔｏｎｗｈｅｅｌ”
装置，从而加速涡轮增压器，改善柴油机的加速响应［２］。这
改善车用增压发动机加速性的技术发展
周红秀１
姚春德２
（大连理工大学内燃机研究所，大连１１６０２４；天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津３０００７２）
摘要讨论了改善涡轮增压发动机低速扭矩特性及加速性，降低加速排放烟度所采取的各种技术方案，及其发展情况。经分析表明电动增压器具有更大的发展潜力，能够更有效地改善车用增压发动机的工作特性，满足更严格的排放标准。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｒｉｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｏｗａｒｄｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｓｍｏｋｅｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄｅｎ－ｇｉｎｅａｒｅｄｉｓｃｕｓ
ｓｅｄ，ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｐｉｎｇｗｉｔｈｔｈｏｓｅｉｓｓｕｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｅｌｅｃｔｒｉｃｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒｈａｓｇｒｅａｔｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｏｇｒｅａｔｌｙｉｍ－ｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄｅｎｇｉｎｅａｎｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｓｔｒｉｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｓｔａｎｄａｒｄ．
关键词：涡轮增压器加速性增压发动机瞬态响应
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄｅｎｇｉｎｅ，ｔｒａｎｓｉｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅ
柴油机设计与制造
Ｄｅｓｉｇｎ＆ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅ２００８年第２期第１５卷（总第１２３期）
来稿日期：２００８－０３－１７基金项目：科研启动经费（３００３－８９３３１７）
作者简介：周红秀（１９７６－），女，讲师，主要研究方向为内燃机排放及增压。
图１增压发动机与大排量非增压发动机
的外特性对比［１］
涡轮增压发动机优缺点种方案在加速时显著提高了涡轮增压器的扭矩，但“Ｐｅｌｔｏｎｗｈｅｅｌ”装置加在增压器轴上，对其特性有不小的影响。在它不工作时，由于增压器转动惯量增加，使得发动机容易失速。１９７３年，曼彻斯特理工学院的Ｊ．Ｄ．Ｌｅｄｅｒ和Ｂｅｎｓｏｎ提出了加速时用高压空气补充压气机方法来改善涡轮增压柴油机的瞬态响应［３］。研究表明：这种涡轮增压器改动方案对其性能影响很小，效果却很好。１９９５年，德国的ＨａｒｎｄｏｒｆＨ［４］等人研究同时向涡轮和压气机端喷气的方案。
２０世纪８０年代，国内黄佑生等人也开始向涡轮增压器的压气机叶轮喷射压缩空气的研究［５］。这一技术主要应用在卡车和坦克上，利用其制动系统和空气起动系统的高压气源。近些年来，上海交通大学开始针对城市公交车进行这项研究［６］，利用高压喷射气体向增压器压气机端喷气，降低公交车柴油机的加速烟度。吉林大学韩永强等利用高压气体向涡轮端喷气，提高废气涡轮增压器加速响应［７］，降低柴油机加速烟度。这种方法有效地提高了柴油机的响应特性，降低了排放烟度。
３旁通放气技术
２０世纪７０年代是涡轮增压器的一个转折点，旁通增压系统作为一种实用的技术走向市场。旁通技术主要有３种：进气旁通、废气旁通、以及进排气旁通。
最早的进气旁通技术出现在保时捷９１１Ｔｕｒｂｏ３．０发动机上，目的是为了减少涡轮迟滞，提高发动机响应速度。在增压器的压气机的进出口连接一旁通阀，当排气压力不足以驱动涡轮来产生增压压力时，进气通过旁通阀直接进入气缸，排气则驱动涡轮，带动没有负载的压气机快速达到较高转速。当废气压力升高到足以驱动涡轮时，旁通阀关闭，此时废气才能驱动废气涡轮高速旋转，从而带动压气机高速压缩新鲜空气。这样，可以相对提高涡轮增压发动机在低速时的扭力输出，从而适当减小涡轮迟滞，让发动机的输出相对平顺。
目前车用发动机上应用比较广泛的是带废气旁通阀的高工况放气系统。当发动机在高速工况运行时，进气管中空气增压压力超过一定值后旁通阀会立即打开，通过旁通阀将部分废气旁通绕过增压器涡轮，克服了高速时增压压力过高的缺点；在发动机低负荷和低的增压压力时，废气旁通阀关闭，全部废气流过涡轮，使增压压力达到最大值，在低速时为发动机提供一个合适的空燃比，从而使发动机低速和加速性能得以改善。但一部分废气经排气阀直接排出，造成能量的浪费，从而影响其经济性。
４可变截面涡轮增压系统（ＶＧＴ）
随着发动机增压程度的强化、发动机转速的提高，固定截面增压器不能与发动机各个工况实现最佳匹配，所以采用可变截面涡轮增压系统。这不仅改善了发动机低速工况下的扭矩特性和解决贫气冒烟的问题，而且解决了高速时增压过量带来的问题，从而提高发动机的经济性。这一技术尤其是在小排量轿车
发动机上是必不可少的。欧、美、日为了达到严格的排放法规，在增压柴油机全工况范围内进行调节，采用可调涡轮喷嘴截面增压器已成主流。
当前研究的涡轮部分起调节作用的有效截面主要集中在两处截面：喷嘴环截面和涡壳出口处截面。当前变截面技术主要有３种方案：１）可调涡轮喷嘴截面增压系统；２）轴向移动变截面技术；３）舌形喷嘴转动技术。另外还有链式喷嘴可变技术、机翼形喷嘴可变技术、全周可变技术等等。４．１可调涡轮喷嘴截面增压系统
可调涡轮喷嘴截面增压系统的核心技术是通过改变喷嘴环叶片的出口角来控制增压器转速［８￣９］，如图３所示。在发动机低速时，通过关闭喷嘴环减
图２增压发动机与大排量非增压发动机的
加速响应对比［１］
图３可变涡轮喷嘴截面增压器
（ｂ）喷嘴环关闭
图４轴向移动变截面增压器
小涡轮流通截面积，使增压压力增高，从而改善发动机低速特性。发动机高速时，喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力比非控制的涡轮壳压力小。采用该系统可在不损害高工况经济性的同时，低速扭矩增大约１６％，并可扩大低油耗率运行区，提高柴油机的加速性。
４．２轴向移动变截面系统［１０］
如图４所示，沿轴向移动喷嘴侧板改变喷嘴环进气截面积，从而改变气流速度的大小。在发动机高速运转时，喷嘴侧板向左移动，喷嘴环打开，此时像固定截面的增压器一样工作。在发动机低速时，控制气体使压力阀下降，推动喷嘴侧板向右移动，喷嘴环截面积减小，增压压力增高，从而改善发动机低速特性。
４．３可变涡轮喉口截面增压器
可变涡轮喉口截面增压器（舌型挡板变截面增压系统）［１１］是在废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮
在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。可变喉口截面控制板可以由电动阀进行无级调整。
５复合增压系统５．１涡轮谐振增压系统
１９７０年，匈牙利人克塞尔（Ｇ．Ｃｓｅｒ）提出涡
轮增压器和谐振系统组成的复合增压器。谐振进气系统是利用进气管系统中气流的不稳定流动，将进气相位互不重叠的气缸与一个谐振系统相连，发动机各气缸周期性的吸气过程对进气系统产生激振，当这一激振的某一阶谐波与谐振系统的固有频率相一致时，便产生共振，谐振室的压力振幅达到最大值，从而实现惯性增压。这一系统的特点因为进气系统的容积较大，空气储备充足，在加速时进气动力效应又无惰性，故可缩短响应时间，改善加速性能［１２］。但是由于进气管系尺寸较大，在发动机上不易布置。二缸一谐振系统的效果较差，而三缸一谐振系统的效果明显，这种增压方式较适于在３缸或
６缸发动机上采用。
５．２机械增压和涡轮增压组成的复合增压系统
机械增压器与废气涡轮增压器复合增压系统是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装置，发动机曲轴带动的压气机和涡轮增压机组
成串联系统或并联系统。串联安装方案有２种：１）涡轮增压器为第一级，机械增压器为第二级；２）机械增压器为第一级，涡轮增压器为第二级。在满负荷时涡轮增压器可以提供总增压比的大部分甚至全
部，这时机械传动压气机的作用很小甚至不起作用，防止消耗发动机功率；在部分负荷时，涡轮增压器的效率下降，机械传动压气机提供压比增加。在起动时，则全靠机械传动压气机提供给发动机所需的空气量。并联式复合增压系统是由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空气。在低速范围内主要靠机械增压，而在高转速范围内主要靠涡轮增压。
２００５年，大众开始将这一套技术装配在批量生
产的民用车型上。高尔夫１．４ＴＳＩ车型，就装配了这套被称作“双增压”的系统。此发动机在双增压器的作用下最大输出功率为１２５ｋＷ，最大扭矩为
２４０Ｎｍ。从停止状态加速至１００ｋｍ／ｈ需７．９ｓ，相当于一台２．３Ｌ自然吸气发动机的功率，但油耗却降低了２０％。优点是适合全部工况。缺点是结构
复杂，在高转速区域的动力表现并不突出。
５．３涡轮复合式增压系统
（ａ）喷嘴环打开
涡轮复合式增压系统就是在涡轮增压发动机上增加一个辅助的动力涡轮，如图５所示［１３］。动力涡
轮用齿轮变速器与发动机功率输出轴相连，在大负荷时，将部分废气能量通过变速器传送给发动机曲轴，而且由于膨胀比随负荷变化而变化，可提高在部分负荷时的增压压力和空气流量。该系统可使燃油经济性提高５％，在整个发动机转速范围内具有更大扭矩、良好的瞬态响应和可接受的负荷特性。
５．４二级增压系统
近些年来，美国增压器公司推出二级涡轮增压系统来改善瞬态特性［１４］。二级增压系统在加速或加载过程中，主要起作用的是高压级涡轮增压器，而通常高压级涡轮增压器可以比低压级增压器叶轮要小，转动惯量也小。工作原理如图６所示。
６电子增压系统
随着增压程度的增高，柴油机的瞬态响应性能
问题表现得更为突出，以往的改善措施并不能满足日益严格的排放要求。所以自２０世纪９０年代末，国外的增压器公司开始致力于电子增压器的研究，如博格华纳（ＢｏｒｇＷａｒｎｅｒ）、
盖瑞特公司（Ｇａｒｒｅｔｔ）、透平达公司（Ｔｕｂｏｒｄｙｎｅ）等，利用电能来提高涡轮增压器转子加速性。目前国内还鲜有研究。资料表明：早在１９９８年上海柴油机股份有限公司曾利用美国透平达公司的电子增压器做过自由加速试验，试验结果表明装上电子增压器后柴油机的自由加速烟度比原
机降低了约５０％。近年来，天津大学姚春德教授研制开发了一套电动增压器系统［１５］，在柴油机台架试验和车辆道路试验中进行了研究，使柴油机的加速响应和烟度排放都有所改善。
电动增压器的结构是多种多样，按照电机的工作方式分为２种：电辅助增压系统和电动增压系统。
６．１电辅助增压器
电辅助增压器（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＡｓｓｉｓｔｅｄＴｕｒ－
ｂｏｃｈａｒｇｅｒ）是将电机和废气涡轮增压器进行一体
化设计，将直流异步或同步电机安装在涡轮增压器内部主轴上［１６－１８］。电机很薄，厚度只有２０ｍｍ，可
以减少电动增压器的尺寸，如图７所示。
将电辅助增压器系统应用于发动机上，其工作原理如图８所示。只要满足下列公式，就可以改善发动机对负荷变化的响应性能：
ＭＴ＋ＭＥＬ－ＭＣＪＴＰ＋ＪＥＬ＞ＭＴ－ＭＣ
ＪＴＰ
式中：ＭＴ，ＭＥＬ和ＭＣ分别表示涡轮和电动机发出的扭矩以及压气机消耗的扭矩，ＪＴＰ，ＪＥＬ表示
相应的质量转动惯矩。在发动机低速或加速时，涡轮增压器不能满足增压发动机性能要求时，电动机加速工作，带动压气机旋转。当发动机转速非常高
时，电动机转换成发电机，将动能转化成电能储存
图６
二级增压系统原理图
图５复合式涡轮发动机布置示意图
图７电辅助增压器
图８电辅助增压系统工作原理［１６］
起来，因而有助于降低涡轮增压器转子的转速。
这种在涡轮轴上直接安装一个电动机可明显改善涡轮增压器的动态响应性能，提高瞬态特性的潜力取决于可用的电功率的大小。但是它很难改善其稳态特性，因为它是在压气机给定的Ｍａｐ图运行范围内工作的，而且它的控制复杂，成本很高。６．２由电动机直接驱动的电动增压器
由电机独立驱动压气机的电动增压器［１９－２１］与传统涡轮增压器系统联合使用，其工作原理是在涡轮增压器工作的同时，独立的压缩机再为涡轮增压器提供压缩的空气，来补偿和增加发动机的进气压力和进气量，从而提高发动机功率和瞬间响应能力，特别是在低速时，效果明显。
这种电动增压器是由电动机和压气机组成。压气机由电机驱动，所以独立于废气涡轮增压器以及废气排放的热能。与电辅助增压器不同，它的瞬态响应仅仅取决于车辆上电子系统所提供的能量，而且只要发动机上的电能允许，它可增加发动机低速时的稳态扭矩。同机械增压器相似，压气机部分可以是螺杆式、罗茨式、离心式。目前研究最多的是罗茨式和离心式。
美国ＴｈｏｍａｓＫｎｉｇｈｔ用了２０年研制的电动增压器，压气机部分是罗茨式的，由３个电机通过齿轮和皮带连接来驱动叶轮。多电机主要是为了在提高输出功率基础上，大大降低增压机的总体尺寸和重量。体积流量为７６０ｍ３／ｈ，出口压力最高为４ｋＰａ，需电机输出功率为１４．７ｋＷ。
图９是美国博格华纳、盖瑞特等增压器公司研制的由电动机驱动离心式压气机的电动增压器模型并进行了初步台架试验以及模拟计算。数值模拟显示，额定功率为１．８ｋＷ的电动机转速从０￣８００００
ｒ／ｍｉｎ的启动时间仅需要０．８ｓ，消耗功率为１．６７ｋＪ，最大增压比可达１．３５。７结论
柴油机的快速发展和日益严格的排放法规，迫切要求采用可行方法和技术，来提高其加速瞬态响应性，降低烟度排放。电动增压器因其空间占有少，安装方便，以及响应迅速等特点，具有重大的发展潜力。
参考文献
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８ＮｏｂｕｙｕｋｉＩ，ＴｅｔｓｕｙａＴ，ＤａｉｊｉＩ，ｅｔａｌ．ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒｗｉｔｈＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ．ＳＡＥＰａｐｅｒ８９０６４５．
９ＭａｓａａｋｉＫ，ＭａｓａｙｕｋｉＷ．ＫａｔｓｕｈｉｒｏＨ．Ｎｅｗ１２Ｌ６ＷＡ１ＴＣＴｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅ．ＳＡＥＰａｐｅｒ９３０７１８．（下转１０页）
图９Ｅ－Ｔｕｒｂｏ电动增压器实结构