第十章內(nèi)燃機的增壓介紹.ppt

工程機械發(fā)動機構(gòu)造 第十章內(nèi)燃機的增壓 第一節(jié)增壓的基本概念增壓就是利用專用的裝置 增壓器 在進氣過程中采用強制的方法 將新鮮氣體送入氣缸 其進氣量大大高于自然進氣的進氣量 其平均有效壓力的數(shù)值可以大幅度提高 內(nèi)燃機增壓后 其功率提高程度稱為增壓度 內(nèi)燃機增壓后 進入氣缸的氣體壓力與大氣壓力之比稱為增壓壓比 用增壓的方法來提高內(nèi)燃機的功率指標(biāo)也有一定的限度 主要受機械負(fù)荷 熱負(fù)荷 制造增壓器的耐熱材料許用溫度的限制 增壓的方式主要有機械增壓 渦輪增壓和氣波增壓三種 各自的結(jié)構(gòu)工作的原理各不相同 但都可以起到增加進氣壓力的作用 最早的增壓器是機械增壓 在剛發(fā)明時被稱為超級增壓器 Supercharger 渦輪增壓發(fā)明之后為了區(qū)隔兩者 將渦輪增壓器稱為TurboSupercharger 機械增壓則被稱為MechanicalSupercharger 后來 兩者就分別被簡化為Turbocharger與Supercharger了 第二節(jié)機械增壓由機械增壓器產(chǎn)生壓力 達到增壓的效果 其低速增壓效果好 機構(gòu)比較緊湊 但驅(qū)動增壓器需消耗發(fā)動機功率 燃油消耗率略高 機械增壓器壓縮機的驅(qū)動力來自引擎曲軸 一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪 間接將曲軸運轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器 達到增壓目的 依構(gòu)造不同 機械增壓出現(xiàn)過許多種類 包括葉片 Vane 羅茨 Roots 溫克爾 Wankle 等型式 羅茨增壓器有雙葉與三葉轉(zhuǎn)子兩種型式 以雙葉轉(zhuǎn)子較普遍 其構(gòu)造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子之間有極小的間隙而不直接相連 借由螺旋齒輪連動 其中一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動的皮帶輪連接 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的皮帶輪上裝有電磁離合器 在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓 離合器則由計算機控制以達到省油的目的 機械增壓的特征 除了在低轉(zhuǎn)速便可獲得增壓外 增壓的動力輸出也與曲軸轉(zhuǎn)速成一定的比例 即機械增壓引擎的油門反應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的提高 動力輸出隨之增強 因此機械增壓引擎的操作感覺與自然氣極為相似 卻能擁有較大的馬力與扭矩 第三節(jié)渦輪增壓渦輪增壓的原理是利用引擎運轉(zhuǎn)時所排出來的廢氣 用廢氣來轉(zhuǎn)動渦輪增壓器中的排氣側(cè)轉(zhuǎn)子 而排氣側(cè)轉(zhuǎn)子與進氣側(cè)轉(zhuǎn)子 Compressor 是同軸異室 當(dāng)排氣側(cè)轉(zhuǎn)子達到一定轉(zhuǎn)速時它帶動另一側(cè)的Compressor 使Compressor轉(zhuǎn)子引進外來的新鮮空氣 經(jīng)過壓縮倒入進氣歧管內(nèi) 因此Turbo車的進氣是非自然方式 是經(jīng)過 吸進來 再壓縮 所以空氣壓力是大于大氣壓力的 渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動機進氣量 從而提高發(fā)動機的功率和扭矩 讓車子更有勁 一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后 其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40 甚至更高 這樣也就意味著同樣一臺的發(fā)動機在經(jīng)過增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率 就拿我們最常見的1 8T渦輪增壓發(fā)動機來說 經(jīng)過增壓之后 動力可以達到2 4L發(fā)動機的水平 但是耗油量卻比1 8發(fā)動機并不高多少 在另外一個層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理 渦輪增壓器由離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三部分組成 增壓器軸5通過兩個浮動軸承9支承在中間體14內(nèi) 中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道 還有防止?jié)櫥吐┤雺簹鈾C或渦輪機中的密封裝置等 離心式壓氣機由進氣道6 壓氣機葉 輪3 無葉式擴壓管2及壓氣機渦殼1等組成 當(dāng)壓氣機旋轉(zhuǎn)時 空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪 并在離心離的作用下沿著壓氣機葉片1之間形成的流道 從葉輪中心流向葉輪的周邊 空氣從旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得能量 使其流速 壓力和溫度均有較大的提高 然后進入葉片式擴壓管3 擴壓管為漸擴形流道 空氣流過擴壓管時減速增壓 溫度也有所提高 在擴壓管中 空氣所具有的大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?擴壓管分葉片式和無葉片式兩種 右圖為葉片式 而無葉片式擴壓管就是由渦殼和中間體側(cè)壁所形成的環(huán)形空間 如圖7 11所示 其結(jié)構(gòu)簡單 工況變化對壓氣機效率的影響很小 適用于車用增壓器 葉片式擴壓管優(yōu)點是擴壓比大 壓氣機效率高 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 工況變化對壓氣機效率有較大的影響 渦殼的作用是收集從擴壓管中流出的空氣 將其引向壓氣機出口 空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓 完成由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿倪^程 壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造 渦殼也用鋁合金鑄造 2 徑流式渦輪機 渦輪機作用是將發(fā)動機排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功 徑流式渦輪機由渦殼 噴管 葉輪和出氣道等組成 發(fā)動機排氣經(jīng)渦殼引導(dǎo)進入葉片式噴管3 噴管是由相鄰葉片之間構(gòu)成的減縮形流道 排氣流過噴管時降壓 降溫 增速 膨脹 使排氣 的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?從噴管高速流出的廢氣沖擊葉輪1 并在葉片2所形成的流道中繼續(xù)膨脹做功 推動葉輪高速旋轉(zhuǎn) 渦輪機的噴管也有葉片式和無葉片式之分 現(xiàn)代徑流式渦輪機多采用無葉式噴管 此時 渦輪機的渦殼除具有引導(dǎo)廢氣以一定角度進入渦輪機葉輪的功能外 還具有將排氣的壓力能和熱能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿淖饔?渦輪機葉輪工作溫度經(jīng)常在900 CA左右 并承受巨大的離心慣性力作用 所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造 陶瓷材料重量減輕2 3 可使渦輪增壓加速滯后的問題大大改善 但耐熱沖擊性能差 噴管葉片用耐熱和抗腐蝕的合金鋼鑄造或機械加工成形 渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造 內(nèi)表面應(yīng)光潔 3 轉(zhuǎn)子渦輪機葉輪 壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上 構(gòu)成增壓器轉(zhuǎn)子 其轉(zhuǎn)速高達10萬 20萬轉(zhuǎn) 分 因此 必須經(jīng)過動平衡檢驗 調(diào)整 增壓器軸一般用韌性好 強度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA制造 4 增壓器軸承車用發(fā)動機增壓器軸承采用浮動軸承 實際是套在軸上的圓環(huán) 圓環(huán)與軸以及圓環(huán)與軸承座之間都有間隙 形成雙層油膜 圓環(huán)浮在軸與軸承座之間 在增壓器工作時 圓環(huán)在軸與軸承座之間緩慢轉(zhuǎn)動 增壓器工作時產(chǎn)生軸向推力 由設(shè)置在壓氣機一側(cè)的推力軸承承受 三 增壓壓力的調(diào)節(jié)渦輪增壓系統(tǒng)中的排氣旁通閥3受控制膜盒1控制 控制膜盒中的膜片將其分成左室右室 右室通過連通管11與壓氣機出口相通 左室通大氣 其中的彈簧預(yù)緊力向右作用 當(dāng)壓氣機出口壓力大于彈簧預(yù)緊力時 經(jīng)過連動桿2迫使排氣旁通閥打開 控制增壓壓力不超過限定值 進氣旁通閥是在發(fā)動機在低速小負(fù)荷 渦輪增壓器不工作時工作 打開 的 向氣缸內(nèi)補充空氣 當(dāng)渦輪增壓器工作時 壓氣機出口壓力克服進氣旁通閥膜片內(nèi)側(cè)的彈簧預(yù)緊力而關(guān)閉 現(xiàn)代發(fā)動機的電控單元根據(jù)壓氣機出口處增壓壓力傳感器大小控制電磁閥通電或斷電 以開閉排氣旁通閥 四 渦輪增壓器的潤滑與冷卻 來自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道的機油 經(jīng)增壓器中間體上的機油進口1進入增壓器 潤滑與冷卻增壓器軸與軸承 然后 機油經(jīng)機油出口2返回發(fā)動機油底殼 在增壓器軸上安裝油封 若損壞 將導(dǎo)致機油消耗劇增 發(fā)動機排氣冒藍(lán)煙 汽油機渦輪增壓器的熱負(fù)荷大 因此必須在渦輪機一側(cè)設(shè)置冷卻水套 并用軟水管與發(fā)動機的冷卻系連通 進水口3和出水口4均在中間體上 如果只靠機油和空氣對渦輪增壓器進行冷卻 則當(dāng)發(fā)動機在大負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速工作之后 如果立即停機 那么機油可能因軸承溫度太高而燃燒 渦輪增壓由于是超高轉(zhuǎn)速地運轉(zhuǎn)軸承 隨之而來的高溫排除或增壓過度的泄壓就是關(guān)鍵 目前常用的就是機油導(dǎo)入來潤滑與冷卻軸承 也有用水冷式的 渦輪增壓的確能夠提升發(fā)動機的動力 不過它的缺點也有不少 其最明顯的就是動力輸出反應(yīng)滯后 同時安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來的感覺是和大排量的汽車有一定差異的 還有在經(jīng)過了增壓之后 發(fā)動機在工作時候的壓力和溫度都大大升高 因此發(fā)動機壽命會比同樣排量沒有經(jīng)過增壓的發(fā)動機要短 而且機械性能 潤滑性能都會受到影響 這樣也在一定程度上限制了渦輪增壓技術(shù)在發(fā)動機上的應(yīng)用 一 增壓空氣中冷增壓壓力較高時 功率對壓力的增長率較低 這是因為增壓后的空氣溫度升高 一則發(fā)動機進入氣缸內(nèi)的空氣密度下降 輸出功率降低 二則還會引起發(fā)動機爆燃 因此 對增壓后的空氣進行冷卻 以提高它的密度 這就是增壓空氣的中間冷卻 對提高發(fā)動機功率 降低燃油消耗率 降低發(fā)動機熱負(fù)荷和減輕發(fā)動機爆燃傾向都有利 進行中間冷卻的裝置稱為中冷器 中冷器的冷卻介質(zhì)可以是水 也可以是空氣 二 增壓柴油機的結(jié)構(gòu)特點1 降低壓縮比 一般為12 14 2 增大過量空氣系數(shù) 一般比不增壓柴油機大10 30 3 供油系統(tǒng) 由于燃料供應(yīng)量增大 必須增大噴油泵的柱塞直徑 必須加大噴油器噴孔直徑及壓力 減小噴油提前角 4 曲柄連桿機構(gòu) 結(jié)構(gòu)強度要加強 對活塞強制冷卻 降低其熱負(fù)荷 思考題 1 什么叫增壓度和壓