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柴油機渦輪增壓技術(shù)發(fā)展歷程與展望

文檔作者：彭勇等文檔來源：海裝重慶局		點擊數(shù)：	更新時間： 2026年01月25日
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第1期
2012年2月
內(nèi)燃機
Internal Combustion Engines
No．1
Feb．2012
摘要 回顧了柴油機渦輪增壓器的發(fā)展歷程，介紹了渦輪增壓技術(shù)的現(xiàn)狀，并展望了渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：柴油機；渦輪增壓；發(fā)展趨勢
中圖分類號：TK421 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000—6494(2012)01—0001—02
Review and Outlook of Diesel Engine Turbine Supercharging Technology
FENG Zheng—rong， PENG Yong，ZHANG Zhi-xin
(Haizhuang Chongqing Bureau，Chongqing 4022，63，China)
Abstract：This paper reviews the development of diesel engine turbine supercharger，describes the present situation and development
tendency of diesel engine turbine supercharging technology．
Key words： diesel engine； turbine supercharge； developing tendency
0 前言
1897年，德國人狄塞爾(RudorfDiese1)發(fā)明
了最早的柴油機，其熱效率為0．262。從此以后，
柴油機得到了迅速發(fā)展，1903年首先應(yīng)用于船舶
行業(yè)，4年后用于潛艇的正反轉(zhuǎn)的柴油機試驗成
功，1912年作為遠(yuǎn)洋貨輪動力的柴油機首次在遠(yuǎn)
航試驗中試驗成功。由于柴油機具有經(jīng)濟性良好，
性能安全可靠，使用壽命長等特點，因而其廣泛應(yīng)
用于船舶、鐵路運輸、汽車、電力等領(lǐng)域，其單機
功率覆蓋從1 kW 到近5萬kw，在國民經(jīng)濟建設(shè)
中占有舉足輕重的地位，特別在船舶行業(yè)，90％
的船只動力源為柴油機動力。
1渦輪增壓器發(fā)展歷程
19世紀(jì)末期，隨著葉輪式機械的誕生，人們
便認(rèn)識到它與活塞式內(nèi)燃機的不同。1905年11月
瑞士工程師布希(Alfred Buchi)提出了活塞式內(nèi)
燃機與葉輪式機械相結(jié)合的方案即廢氣渦輪增壓
器。1925年布希獲得“脈沖增壓”專利，直到今
天仍作為提高內(nèi)燃機性能的重要手段繼續(xù)被研究。
20世紀(jì)2O年代，瑞士BBC公司首先設(shè)計并試制成
作者簡介：奉崢嶸(1983一)，男，湖南新化人，工程
師，主要從事機械增壓器的制造和質(zhì)量監(jiān)督工作。
收稿日期：2011—10—21
第一臺廢氣渦輪增壓器，和四沖程柴油機匹配。這
臺增壓器壓比為1-3，采用兩級離心式壓氣機，是
柴油機發(fā)展史上另一個里程碑。
1926年，世界上第一家增壓器公司在瑞士成
立，同年德國DEUZT公司生產(chǎn)出第一批渦輪增壓柴
油機，使柴油機的功率由423 kW 提高到551 kW，
提高了30％。但其增壓比不超過1．5，使用壽命也比
較短。
2O世紀(jì)4,0年代，渦輪增壓器的技術(shù)逐步成熟
起來，如美國Elliott公司早期生產(chǎn)低壓比的BF，
E系列，1949年開始生產(chǎn)的L，H系列，6O年代生
產(chǎn)的G系列；瑞士BBC公司制定的VTR系列；英
國napier公司制定的MS和HP系列等。這一時期
代表性的增壓器是法國海司帕諾虛壽公司于1962
年在漢諾威展覽會上首次展出的HS一400渦輪增壓
器，增壓比達2．5，渦輪進氣最高溫度60o℃，最高
轉(zhuǎn)速為20 000 r／min，增壓器重145 kg，用于功率
294．2～441．3 kW 馬力的柴油機。
從20世紀(jì)5O年代初到60年代初，船用柴油
機增壓度從30％ 提高到了60％，這兩者使柴油機
功率達到了22 065 kW。20世紀(jì)7O年代，渦輪增
壓器朝著高壓比 超高壓比的方向發(fā)展。如瑞士
ABB公司1978年底完成的VTR4系列將壓比提高
到了4．0～4．5，總效率達到了64％ 65％；而其開
發(fā)的TPS系列船用增壓器，致力于高流通能力和
內(nèi)燃機 2012年2月
高壓比，全負(fù)荷時壓比達到4．7。在壓比升高的同
時，增壓器的流量范圍也進一步擴大。現(xiàn)在，渦輪
增壓器的壓氣機在相同的殼體下，在高效率區(qū)域內(nèi)
最大流量和最小流量之比可達3．5以上。
在研制高壓比、流量的增壓器同時，渦輪增
壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其制造工藝也相
應(yīng)的簡化。如ABB采用了一種新的潤滑油泵，它
能利用離心力的作用分離出潤滑油中的雜質(zhì)，從而
提高軸承的壽命。再如三菱的SUPER MET渦輪增
壓器采用新的進氣消音器后使壓氣機效率提高
1．5％ 3．5％
2 渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀
目前，國際上專業(yè)的大功率中高柴油機渦輪增
壓器設(shè)計和制造企業(yè)主要有三家，分別是ABB、
MAN以及三菱。他們已形成了完善的設(shè)計仿真分
析平臺、試驗驗證平臺和應(yīng)用評估平臺，形成了
CAD／CAE／CFD／CAM研發(fā)軟件、試驗分析系統(tǒng)，以
及應(yīng)用評估系統(tǒng)集成的信息化數(shù)字化研發(fā)平臺。從
性能設(shè)計仿真分析、三維實體造型，強度、轉(zhuǎn)子動
力學(xué)分析，有限元設(shè)計方法，形成了設(shè)計體系、設(shè)
計規(guī)范、數(shù)據(jù)庫，專業(yè)系統(tǒng)的元器件性能、結(jié)構(gòu)可
靠性試驗，檢測設(shè)施和整柵I生能結(jié)構(gòu)考核試驗，檢
測設(shè)施等完整的研發(fā)體系。ABB、MAN以及三菱的
產(chǎn)品各具特色，但就先進性、可靠性和產(chǎn)品系列完
整性而言，ABB產(chǎn)品體現(xiàn)著國際領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。目前
ABB公司推出了具有國際領(lǐng)先水平的“A100”系
列，包括A100H，A100M，A100L，分別高、中、
低速柴油機，其特征指標(biāo)最高壓比達到5．5以上，
整機效率67％。其船用中、高速柴油機渦輪增壓器
產(chǎn)品經(jīng)歷了從小到大，從低壓比到高壓比，從低效
率到高效率的發(fā)展歷程，其結(jié)構(gòu)也逐漸由自供油滾
動軸承外支撐轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒虞S承內(nèi)支撐，增壓器軸承
可靠性和使用壽命得到很大程度的加強。MAN公
司也緊隨ABB公司推出同水平的產(chǎn)品，2004年至
今先后推出TCR，TCA系列增壓器，其壓比指標(biāo)達
到5．0以上，其中TCR系列單級壓比大于5．5，整
機效率達到65％。三菱公司也先后SRC，SRH，
SE，MA等系列產(chǎn)品，其性能水平也相當(dāng)于ABB公
司的RR，VTC，TPS，TPL等系列。同時ABB公
司和MAN公司，在2007年先后推出了帶有可變噴
嘴增壓器產(chǎn)品。
2．1渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用情況
傳統(tǒng)的增壓器很難在柴油機高低負(fù)荷下均與
之合理配合，而增壓器與柴油機的良好匹配是保證
燃油消耗率以及排放性能的關(guān)鍵，因而近些年來采
用各種設(shè)計理念的增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。
2．1．1相繼增壓(STC)
相繼增壓STC的基本原理是采用多個小流量
的增壓器，隨著柴油機工況的提升，依次投入運
行。它改變了增壓系統(tǒng)在低工況時廢氣能量不足而
引起的渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而引起的
增壓器喘振、柴油機功率下降等問題。在柴油機額
定工況下，每臺增壓器都在高效區(qū)運行；而在柴油
機部分負(fù)荷時，減少投入使用的增壓器數(shù)量，使得
投入運行的增壓器運行線仍處在高效區(qū)附近，從而
改善柴油機的經(jīng)濟性及排放性能。
MTU公司率先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于其956
／1163系列柴油機上。目前，各高校科研院所也對
相繼增壓展開了相關(guān)研究。
2．1．2可變截面渦輪增壓
可變截面渦輪增壓是柴油機廢氣通過噴嘴環(huán)
時，根據(jù)渦輪增壓柴油機外界負(fù)荷的變化來改變噴
嘴環(huán)葉片的角度，使流人渦輪葉片的氣流參數(shù)改
變，通過渦輪焓降的變化實現(xiàn)渦輪做功的變化，進
而讓壓氣機出口的增壓壓力發(fā)生變化，從而使得柴
油機與增壓器在各工況下均有良好的匹配。
蓋瑞特公司研制了變截面渦輪增壓器，而且
為了達到嚴(yán)格的排放規(guī)定，可在增壓柴油機全工況
范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。目前，歐美采用變截面增壓器已成主
流。
2．1-3廢氣旁通增壓系統(tǒng)
廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機低負(fù)荷為增壓器
匹配點，對于無法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過打開廢氣
旁通閥，釋放多余廢氣。這種系統(tǒng)因為采用較小的
廢氣流通截面，能改善柴油機在低轉(zhuǎn)速時的經(jīng)濟
性、排放性能以及瞬態(tài)響應(yīng)。另外柴油機在高負(fù)荷
時的進氣壓力由廢氣旁通閥調(diào)節(jié)，這就解決了因渦
輪通流面積過小而導(dǎo)致的高負(fù)荷區(qū)增壓壓力過大而
引起的爆壓過高、機械負(fù)荷和熱負(fù)荷過高等問題。
2．2渦輪增壓器典型結(jié)構(gòu)特點
2．2．1軸承內(nèi)支承
2005年12月在上海召開的中國國際海事會議
和展覽會上，展出的一些船用增壓器名牌產(chǎn)品全部
是軸承內(nèi)支承式滑動軸承，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，
且零部件數(shù)大大減少。由于滑動軸承在浮式和半浮
式方面技術(shù)的發(fā)展，徑向軸承和推力軸承的壽命已
(下轉(zhuǎn)第9頁)
第1期 蔣世曉：Z175F一1型柴油機氣門室潤滑可靠性研究 ·9·
搖臂尾部及氣門調(diào)節(jié)螺釘可以激濺到機油；說明雙
呼吸器配置的柴油機在模擬用戶惡劣配套環(huán)境下工
作時，氣門室內(nèi)的搖臂襯套、氣門導(dǎo)管處于較理想
的潤
1．呼吸器通道蓋 2．呼吸片擋板
3．呼吸片 4．氣門室蓋
圖3 帶呼吸器氣門室蓋部件
綜合以上試驗可得出，Z175F一1型柴油機在大
于2 200 r／min轉(zhuǎn)速和雙呼吸器狀態(tài)下工作時，曲
軸箱內(nèi)可以保持大于1 962 Pa的負(fù)壓，氣門室蓋下
部的存油量可以滿足飛濺潤滑的需求，連續(xù)運轉(zhuǎn)后
搖臂襯套和氣門導(dǎo)管處于理想的潤滑狀態(tài)。
由于農(nóng)民習(xí)慣于機具處于小油門狀態(tài)下工作，
建議配套廠家采購雙呼吸器特殊配置柴油機，或者
表2 不同 ：況、配置下的曲軸箱負(fù)壓、氣門室內(nèi)
組件潤滑情況、氣門室蓋下部存油量記錄表
柴油機 轉(zhuǎn)速／ 功率／ 氣門室 8 h后氣
序號 呼吸器 負(fù)壓／Pa 蓋下部 門室內(nèi)
配置 (rl min-。) kW 存油量 潤滑情況
2 600 3．68 2 256．3 多 好
1 加油塞 2 200 3
．呼吸器 68 1 962 多 好
1 800 2．57 882．9 極少 排氣彈簧干
2 600 3．68 3 139．2 多 好
2 雙呼 2 200 3
．吸器 68 2 256．3 多 好
● 1 800 2．57 2 158．2 一般 好
增大離合器皮帶輪直徑，使插秧機在同樣行走速度
時把柴油機的轉(zhuǎn)速提高到2 200 r／min以上。
5 結(jié)論
Z175F一1型柴油機在配套2ZT-9356B型機動
水稻插秧機時，曲軸箱內(nèi)負(fù)壓值的高低與氣門室內(nèi)
的搖臂襯套、氣門導(dǎo)管的潤滑狀態(tài)有很大的關(guān)系；
在高轉(zhuǎn)速或雙呼吸器低速運轉(zhuǎn)時，曲軸箱內(nèi)可以保
持較高的負(fù)壓，氣門室蓋下部積有較多機油，可以
保證搖臂襯套和氣門導(dǎo)管的可靠潤滑。
(上接第2頁)
超過3萬小時。在增壓器運行2 500 h后僅有微小 主機停車后10 min內(nèi)微量持續(xù)供油，以帶走軸承
磨損，這使得增壓器軸承的更換時間大大延長。這 殼體內(nèi)的余熱
種長壽命的軸承與增壓器的滑油系統(tǒng)的改變有關(guān)
內(nèi)支承增壓器可以將轉(zhuǎn)子和軸承殼體等作為 3渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢
一個獨立組件。把它作為基座，可以裝拆壓氣機殼 渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機未來的發(fā)
和渦輪殼。同樣，以渦端殼體為基座，可以將整個 展密切相關(guān)，主要是滿足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和提
轉(zhuǎn)子從渦端殼體中抽出。這種拆裝方式很便于在船 高柴油機的全_-Eb2性能，繼續(xù)往高增壓方向發(fā)展，
體內(nèi)進行維修。 在高、中、低速柴油機的發(fā)展都對增壓器提出更高
2．2．2延續(xù)供油箱 的要求，而單級增壓受軸承及壓氣葉輪材料的限
長期以來增壓器與柴油機共用滑油系統(tǒng)，而 制，柴油機高增壓系統(tǒng)在今后會向兩級增壓器方向
主機的滑油往往由于老化等問題影響到增壓器的供 發(fā)展。因此對=『=渦輪增壓器向效率高， 尺寸小，質(zhì)
油品質(zhì)。另外，柴油機與滑油的同步起停，以致增 量輕，可靠性高，長壽命等方向發(fā)展，增壓系統(tǒng)將
壓器啟動時沒滑油潤滑，而主機停轉(zhuǎn)時增壓器惰轉(zhuǎn) 在全工況范圍內(nèi)與柴油機良好匹配。
無滑油供應(yīng)。這導(dǎo)致了增壓器主軸與軸承在主機起 一
停時干摩擦；而且在主機停車時，增壓器軸承處于 丐義陬
高溫狀態(tài)，斷油有可能導(dǎo)致軸承燒傷損壞。 [ 張晉東，李洪武·車用柴油機渦輪增壓技術(shù)的新發(fā)展[J]．
? 牌增壓器均盞采 用了增壓器延續(xù)供油箱登 魚 嘉 機增壓技術(shù)現(xiàn)狀及市場預(yù)測
， 它不但保 一
，
～ ～
增壓器運行中的滑油供應(yīng)，而且在主機停車后能持 【3】王有槐． 船用柴油機增壓技術(shù)發(fā)展[J】．柴油機，
續(xù)1 min常規(guī)供油，使增壓器隋轉(zhuǎn)時供油無虞；在 2006，(4)．

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