第十章 內(nèi)燃機(jī)增壓

1、工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造第十章 內(nèi)燃機(jī)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(jìn)氣過(guò)程中采用強(qiáng)制的方法，將新鮮氣體送入氣缸，其進(jìn)氣量大大高于自然進(jìn)氣的進(jìn)氣量，其平均有效壓力的數(shù)值可以大幅度提高。 內(nèi)燃機(jī)增壓后，其功率提高程度稱為增壓度。 內(nèi)燃機(jī)增壓后，進(jìn)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(lái)提高內(nèi)燃機(jī)的功率指標(biāo)也有一定的限度，主要受機(jī)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(jī)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(jìn)氣壓力的作用。 最早的增壓器是機(jī)械增壓，在剛發(fā)明時(shí)被稱為超級(jí)增壓器(

2、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Turbo Supercharger，機(jī)械增壓則被稱為Mechanical Supercharger，后來(lái)，兩者就分別被簡(jiǎn)化為Turbocharger與Supercharger了。 第二節(jié) 機(jī)械增壓 由機(jī)械增壓器產(chǎn)生壓力，達(dá)到增壓的效果，其低速增壓效果好，機(jī)構(gòu)比較緊湊，但驅(qū)動(dòng)增壓器需消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，燃油消耗率略高。 機(jī)械增壓器壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)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(yùn)轉(zhuǎn)的扭力帶動(dòng)增壓器，達(dá)到增壓目的。依構(gòu)造不同，機(jī)械增壓出現(xiàn)過(guò)許多種類，包括葉片(Vane)、羅茨(Roots)、溫克爾(Wan

3、kle)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(gè)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(dòng)，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)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(shí)即放開離合器以停止增壓,離合器則由計(jì)算機(jī)控制以達(dá)到省油的目的。 機(jī)械增壓的特征，除了在低轉(zhuǎn)速便可獲得增壓外，增壓的動(dòng)力輸出也與曲軸轉(zhuǎn)速成一定的比例，即機(jī)械增壓引擎的油門反應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的提高，動(dòng)力輸出隨之增強(qiáng)，因此機(jī)械增壓引擎的操作感覺(jué)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所排出來(lái)的廢氣,用廢氣來(lái)轉(zhuǎn)

4、動(dòng)渦輪增壓器中的排氣側(cè)轉(zhuǎn)子,而排氣側(cè)轉(zhuǎn)子與進(jìn)氣側(cè)轉(zhuǎn)子(Compressor)是同軸異室,當(dāng)排氣側(cè)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)它帶動(dòng)另一側(cè)的Compressor,使Compressor轉(zhuǎn)子引進(jìn)外來(lái)的新鮮空氣,經(jīng)過(guò)壓縮倒入進(jìn)氣歧管內(nèi),因此Turbo車的進(jìn)氣是非自然方式,是經(jīng)過(guò)吸進(jìn)來(lái),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(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)增壓之后，動(dòng)力

5、可以達(dá)到2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，但是耗油量卻比1.8發(fā)動(dòng)機(jī)并不高多少，在另外一個(gè)層面上來(lái)說(shuō)就是提高燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)和徑流式渦輪機(jī)及中間體三部分組成。增壓器軸5通過(guò)兩個(gè)浮動(dòng)軸承9支承在中間體14內(nèi)。中間體內(nèi)有潤(rùn)滑和冷卻軸承的油道，還有防止?jié)櫥吐┤雺簹鈾C(jī)或渦輪機(jī)中的密封裝置等。 離心式壓氣機(jī)由進(jìn)氣道6、壓氣機(jī)葉輪3、無(wú)葉式擴(kuò)壓管2及壓氣機(jī)渦殼1等組成。 當(dāng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪，并在離心離的作用下沿著壓氣機(jī)葉片1之間形成的流道，從葉輪中心流向葉輪的周邊?？諝鈴男D(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

6、進(jìn)入葉片式擴(kuò)壓管3。擴(kuò)壓管為漸擴(kuò)形流道，空氣流過(guò)擴(kuò)壓管時(shí)減速增壓，溫度也有所提高。在擴(kuò)壓管中，空氣所具有的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋?擴(kuò)壓管分葉片式和無(wú)葉片式兩種，右圖為葉片式，而無(wú)葉片式擴(kuò)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(jiǎn)單，工況變化對(duì)壓氣機(jī)效率的影響很小，適用于車用增壓器。葉片式擴(kuò)壓管優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)壓比大，壓氣機(jī)效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況變化對(duì)壓氣機(jī)效率有較大的影響。 渦殼的作用是收集從擴(kuò)壓管中流出的空氣，將其引向壓氣機(jī)出口，空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓，完成由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿倪^(guò)程。壓氣機(jī)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(jī) 渦輪機(jī)作用是將發(fā)動(dòng)

7、機(jī)排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。徑流式渦輪機(jī)由渦殼、噴管、葉輪和出氣道等組成。 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)渦殼引導(dǎo)進(jìn)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(guò)噴管時(shí)降壓、降溫、增速、膨脹，使排氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。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(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。 渦輪機(jī)的噴管也有葉片式和無(wú)葉片式之分?，F(xiàn)代徑流式渦輪機(jī)多采用無(wú)葉式噴管。此時(shí)，渦輪機(jī)的渦殼除具有引導(dǎo)廢氣以一定角度進(jìn)入渦輪機(jī)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?dòng)能的作用。 渦輪機(jī)葉輪工作溫度經(jīng)常在900CA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。

8、陶瓷材料重量減輕2/3，可使渦輪增壓加速滯后的問(wèn)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(jī)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(jī)葉輪、壓氣機(jī)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(dá)10萬(wàn)20萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，因此，必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡檢驗(yàn)、調(diào)整。增壓器軸一般用韌性好、強(qiáng)度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA制造。4、增壓器軸承 車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器軸承采用浮動(dòng)軸承，實(shí)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(shí)，圓環(huán)在軸與軸承座之間緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。 增壓器工作時(shí)產(chǎn)生軸向推力

9、，由設(shè)置在壓氣機(jī)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?？刂颇ず兄械哪て瑢⑵浞殖勺笫矣沂?。右室通過(guò)連通管11與壓氣機(jī)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(jī)出口壓力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，經(jīng)過(guò)連動(dòng)桿2迫使排氣旁通閥打開，控制增壓壓力不超過(guò)限定值。 進(jìn)氣旁通閥是在發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷、渦輪增壓器不工作時(shí)工作（打開）的，向氣缸內(nèi)補(bǔ)充空氣。當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力克服進(jìn)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(dòng)機(jī)的電控單元根據(jù)壓氣機(jī)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(rùn)滑與冷卻 來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)

10、潤(rùn)滑系統(tǒng)主油道的機(jī)油，經(jīng)增壓器中間體上的機(jī)油進(jìn)口1進(jìn)入增壓器，潤(rùn)滑與冷卻增壓器軸與軸承，然后，機(jī)油經(jīng)機(jī)油出口2返回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼。在增壓器軸上安裝油封，若損壞，將導(dǎo)致機(jī)油消耗劇增，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒藍(lán)煙。 汽油機(jī)渦輪增壓器的熱負(fù)荷大，因此必須在渦輪機(jī)一側(cè)設(shè)置冷卻水套，并用軟水管與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系連通。進(jìn)水口3和出水口4均在中間體上。 如果只靠機(jī)油和空氣對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行冷卻，則當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速工作之后，如果立即停機(jī)，那么機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)軸承,隨之而來(lái)的高溫排除或增壓過(guò)度的泄壓就是關(guān)鍵。目前常用的就是機(jī)油導(dǎo)入來(lái)潤(rùn)滑與冷卻軸承,也有用水冷式的。 渦輪增壓的確

11、能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，不過(guò)它的缺點(diǎn)也有不少，其最明顯的就是動(dòng)力輸出反應(yīng)滯后。同時(shí)安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來(lái)的感覺(jué)是和大排量的汽車有一定差異的。 還有在經(jīng)過(guò)了增壓之后，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)候的壓力和溫度都大大升高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)壽命會(huì)比同樣排量沒(méi)有經(jīng)過(guò)增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)要短，而且機(jī)械性能、潤(rùn)滑性能都會(huì)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(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。一、增壓空氣中冷 增壓壓力較高時(shí)，功率對(duì)壓力的增長(zhǎng)率較低，這是因?yàn)樵鰤汉蟮目諝鉁囟壬?，一則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度下降，輸出功率降低；二則還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃。因此，對(duì)增壓后的空氣進(jìn)行冷卻，以提高它的密度，這就是增壓空氣的中間冷卻，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低燃油消耗率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和減輕發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃傾向都有利。進(jìn)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