發(fā)動機和空氣增壓系統(tǒng)的工作原理

1、發(fā)動機和空氣增壓系統(tǒng)的工作原理在討論渦輪增壓發(fā)動機系統(tǒng)之前，先回顧一下內燃機的基本工作原理及其同空氣增壓系統(tǒng)的關系。內燃機是一種耗氣機械，因為燃油需要與空氣混合才能完成燃燒沖程。一旦空氣燃比達到某一值后，再增加燃油，除了將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中外。不會產生更多功率，因此，超過空燃比極限后，增加供油量只會造成燃油消耗量過多、大氣污染、廢氣溫度升高，并使柴油機壽命縮短。是空燃比為9000比1典型情況。由此可見，增加空氣量的能力對發(fā)動機來說是多么重要。渦輪增壓器是一種利用發(fā)動機排氣中的剩余能量來工作的空氣泵。廢氣驅動渦輪葉輪總成(HOT SIDE 熱側)。它與壓氣機葉輪（COLD SIDE 冷

2、側）相連接，當渦輪增壓器轉子轉動時，大量的壓縮空氣被送到發(fā)動機的燃燒室里。由于增加了壓縮空氣的重量，就可以使更多的燃油噴入到發(fā)動機里去，使發(fā)動機在尺寸不變的條件下而產生更多的功率。一臺裝有渦輪增壓器的發(fā)動機的功率輸出與其非增壓時相比可增加40%或更多。渦輪增壓發(fā)動機或任何高比功率輸出的發(fā)動機，都需要經過仔細調整，發(fā)動機的零部件和系統(tǒng)都要能在“惡劣”的環(huán)境工況中工作。因為渦輪增壓器具有輸送和壓縮空氣能力，而這有時會超過發(fā)動機總體參數(shù)的要求，所以在選擇合適的渦輪增壓器和設定發(fā)動機燃油量時要特別小心。若選擇不當會導致發(fā)動機過熱，或燃燒室燃燒溫度和壓力過高。燃燒溫度和壓力過高會引起發(fā)動機零部件的嚴重故

3、障，從而對發(fā)動機壽命產生不利影響。在現(xiàn)場，對渦輪增壓發(fā)動機供油量作任何調整時，只能按照制造廠商推薦的參數(shù)和步驟進行。為了更好地理解渦輪增壓的原理，我們必須對發(fā)動機的工作原理以及在四個沖程中氣缸和進排氣管內氣體的壓力和流量有所了解。為使有用的作用力傳送到曲軸上，在燃燒沖程中氣缸內會產生非常高的壓力。在做功沖程結束時，盡管氣缸里的氣體已比原先膨脹了許多倍，但氣缸里的壓力仍然很高。當發(fā)動機運行到這一點時，排氣門被打開，氣體能量隨高壓燃氣釋放到排氣管中，所釋放的能量與發(fā)動機比功率的勢能成正比。當發(fā)動機低速或怠速運行時，極少的能量被釋放到排氣管中。但當發(fā)動機發(fā)出功率時，就有大量的能量以高溫燃氣的形式在氣

4、缸中膨脹做功并被排放到排氣系統(tǒng)中，這時，渦輪增壓器吸收其中的部分能量，用它來把盡可能多的空氣送到發(fā)動機中去。隨著氣缸中壓力的增加，有越來越多的能量來驅動渦輪增壓器，從而連續(xù)不斷地提高發(fā)動機的功率。在到達某一點后，渦輪增壓器、排氣管或發(fā)動機里的能量將阻止發(fā)動機功率的進一步增加?？紤]到發(fā)動機壽命和效率，需要使用控制系統(tǒng)來限制發(fā)動機最大極限轉速和功率。錯誤的控制設置及零件磨損和維護保養(yǎng)不當?shù)那闆r，常常會導致對增壓器的錯誤診斷。增壓發(fā)動機使用許多方法來限制發(fā)動機的最高轉速和功率輸出。在設計和選擇發(fā)動機零部件時必須非常注意，以確保該發(fā)動機能滿足排放限制、快速響應、可接受的效率和適當?shù)膲勖纫??？諝庠鰤?/p>

5、系統(tǒng)的優(yōu)點 渦輪增壓由許多好處。非增壓發(fā)動機通過曲軸的運動直接從大氣中吸進空氣，而渦輪增壓器向發(fā)動機提供壓縮空氣。由于進入氣缸的空氣增多，所以允許噴入較多的燃油，使發(fā)動機產生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這意味著一臺尺寸和重量相同的發(fā)動機經增壓后可以產生較多的功率，或者說，一臺小排量發(fā)動機經增壓后可產生與較大發(fā)動機相同的功率。其它還有節(jié)約燃燒油和降低排放等優(yōu)點。由于渦輪增壓氣為發(fā)動機提供了更多的空氣，燃油在發(fā)動機氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更徹底。發(fā)動機進氣管的空氣保持正壓力（大于大氣壓的壓力）對發(fā)動機有幾方面的好處。當發(fā)動機進排氣門重疊開啟時，新鮮空氣吹入燃燒室，清除所有殘留在燃燒室里的廢

6、氣，同時冷卻氣缸頭、活塞和氣門。渦輪增壓器可使非增壓發(fā)動機在高原上工作時得到氧氣補償（使其達到標準大氣條件）。發(fā)動機和渦輪增壓器相匹配，使進氣管壓力保持海平面大氣壓。而一臺自然吸氣的發(fā)動機，隨著海拔高度的增加，其功率將下降，如圖所示?？諝庠鰤合到y(tǒng)空氣增壓系統(tǒng)由一個或多個機械部件組成，其功能是增加柴油機的功率?；鞠到y(tǒng)由一臺燃氣渦輪驅動的空氣壓縮機（渦輪增壓器）和一個中冷器（熱交換器）組成。圖中所示的基本系統(tǒng)由一臺燃氣渦輪驅動的空氣壓縮機(渦輪增壓器)和一個中冷器（熱交換器）組成。渦輪增壓器時輸送進發(fā)動機的空氣的壓力和密度增加，從而最大限度地增加發(fā)動機的扭矩或功率輸出。中冷器位于渦輪增壓器壓氣機

7、的下游。在換熱過程中它帶走了由于空氣壓縮和摩擦所產身的熱量。中冷器的冷卻作用增加了燃燒室里的空氣密度，也降低了燃燒室的溫度。圖中上半部對在相同輸出功率下增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機的情況做了比較，下半部對帶空對空中冷器的增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機的情況做了比較。有些發(fā)動機帶有輔助風扇（輪緣風扇），通過熱交換器吸入環(huán)境空氣，如圖所示。輪緣風扇是由從渦輪增壓器輸氣管中引出來的少量壓縮空氣驅動的。渦輪增壓器和中冷器要經過精確匹配，以滿足發(fā)動機生產廠在轎車和工業(yè)柴油機應用方面的性能和排放要求。這些要求常常表示為對渦輪增壓器供氣量的特別精確的控制。圖中所示的旁通閥（廢氣閥/調節(jié)閥）在許多系統(tǒng)里提供了這種控

8、制。該裝置經過精確的校準，當它打開時，一部分燃氣被旁通掉，即不再通過渦輪葉輪，這就限制軸的轉速，也就控制了增壓壓力。旁通使發(fā)動機能以最大增壓響應性來產生最高增壓壓力，而在發(fā)動機高轉速或高負荷時，消除進氣管里空氣壓力過大（過增壓）的可能性。渦輪增壓器、中冷器、輪緣風扇和控制裝置有其各自的作用，但當把這些部件組合成發(fā)動機空氣增壓系統(tǒng)后，隨著發(fā)動機的運行，整個系統(tǒng)的作用將是自動的、直接的并與發(fā)動機的運行完全同步。渦輪增壓器的零部件膨脹后的發(fā)動機廢氣通過排氣管進入渦輪殼。廢氣壓力和來自廢氣中的熱能使渦輪葉輪旋轉，而后者又驅動壓氣機葉輪。當廢氣通過渦輪葉輪并被排入大氣中時，其壓力和溫度都下降。旋轉的壓氣

9、機葉輪通過空氣濾清系統(tǒng)吸進環(huán)境空氣，并使空氣在葉輪中加速后被送入壓氣機殼。在壓氣機殼中空氣被壓縮，并通過輸送管送入發(fā)動機的進氣管中。渦輪增壓器的性能要與每種發(fā)動機的尺寸和功率輸出相匹配。功率輸出的需求決定了需要輸送到發(fā)動機里去的空氣壓比和流量。而這些參數(shù)取決于壓氣機葉輪尺寸、葉輪轉速和壓氣機殼尺寸。渦輪增壓器（見圖）是由廢氣驅動的渦輪和徑流使壓氣機組成的，它們分別被安裝在軸的兩頭并有各自的鑄造殼體。軸本身被安裝在中間殼中來支撐。中間殼的兩側分別同壓氣機殼和渦輪殼相連接，典型的渦輪增壓器轉速可以在100,000轉/分以上。渦輪部分是個向心式的徑流或混流裝置，由鑄造的渦輪葉輪、葉輪隔熱罩及渦輪殼組

10、成，進氣口位于渦輪殼的外直徑處。廢氣流進渦輪，敬業(yè)輪葉片，從渦輪殼直徑的中心部位流出。壓氣機部分是個離心式或徑向外流使裝置，由鑄造的壓氣機葉輪、后蓋板及壓氣機殼，組成，進氣口位于壓氣機殼直徑的中心部位處?？諝庠趬簹鈾C內向外流，經葉輪葉片，從壓氣機殼的外直徑處流出。渦輪增壓器卸去所連接的壓氣機殼和渦輪殼后剩下的部分稱為中間殼和轉子總成（CHRA）。中間殼（又稱軸承殼）以一個精心設計的軸承系統(tǒng)來支撐壓氣機和渦輪的輪軸系統(tǒng)。這一為高速運轉而設計的軸承系統(tǒng)不能像曲軸的軸承那樣承受重的載荷，而是必須精確的定位兩只葉輪的位置，使其盡可能靠近兩端殼子的輪廓型線。這種定位的關鍵是向中間殼油孔、軸承和軸之間的間

11、隙注入潤滑油。注入到間隙里的潤滑油對提高渦輪增壓器的效率和延長使用壽命是極其重要的。圖是潤滑油流動的示意圖，它說明從發(fā)動機潤滑系統(tǒng)流出的潤滑油是如何通過油孔和油槽流入兩個主軸承的。潤滑油流過軸承中的油孔去潤滑和冷卻軸承、軸承孔和軸頸。潤滑油也從進油孔直接進入推力軸承，或者通過在壓氣機殼后蓋板的油道進入推力軸承。潤滑油靠重力從中間殼排出。密封系統(tǒng)使中間殼同渦輪級和壓氣機級分開。密封限制潤滑油流進壓氣機和渦輪區(qū)域內，并阻止燃氣和空氣從這兩個區(qū)域流入中間殼。密封系統(tǒng)由活塞環(huán)密封、石墨和O 形圈密封、甩油環(huán)以及迷宮（螺紋狀的）密封組成，已完成密封任務。當軸旋轉和殼體內氣體壓力建立起來時，密封開始起作用

12、。見圖各種卡環(huán)和螺栓用來防護轉動部件或將它們定位。止推部件用來保證軸向位置。軸的螺母或車有螺紋的葉輪用來連接壓氣機葉輪和渦輪葉輪。渦輪殼和壓氣機殼同中間殼及轉子總成靠螺栓、V 形卡箍和/或壓板、鎖緊板來連接。平旋閥、提升閥和廢氣閥都是廢氣控制裝置。它們幫助控制渦輪轉速，從而也就控制了增壓壓力。它們有的同渦輪殼制成一體，有的安裝在別處，靠膜片或充滿空氣或油的氣缸和活塞起作用。當控制閥開啟時，過量的廢氣從渦輪殼釋放出去，排到廢氣系統(tǒng)或排入大氣中。型號的命名和零件號渦輪增壓器型號的命名往往同其結構尺寸有關。蓋瑞特渦輪增壓器產品分為緊湊型、小型、中型和大型四種。每種結構尺寸又有一系列具體的型號名稱。蓋

13、瑞特產品的零件號是六位數(shù)加短劃再加四位數(shù)，如465020-0005。零件號同結構尺寸沒有關系，但短劃后的第一位數(shù)有如下意義：465020-0002，新產品（-0XXX）465020-5002，新的維修備件（-5XXX）465020-9002，經工廠返修過的部件（-9XXX）操作步驟/預防性維護多年的經驗告訴我們，造成渦輪增壓器事故的主要原因是潤滑問題，例如潤滑油供油滯后、節(jié)流或缺油和在潤滑油里有雜質等。占第二位的原因是外來物體進入壓氣機葉輪或渦輪葉輪。要有良好的維護保養(yǎng)習慣，特別是對空氣濾請器、潤滑油品質和潤滑油濾請器等的維護保養(yǎng)。因為渦輪增壓器工作轉速很高。所以良好的維護保養(yǎng)是非常重要的。適

14、當?shù)牟僮鞑襟E和預防性的維護保養(yǎng)，可以保增渦輪增壓器的使用壽命和良好性能。以發(fā)動機工作時間、車輛行駛里程或時間周期為基礎的維護保養(yǎng)方法，往往不適用于渦輪增壓器，因為潤滑油的種類和發(fā)動機的工作方式及條件常常差別很大，并且在維修渦輪增壓器時往往不做校準和調整工作，以及渦輪增壓器的潤滑油是由它所在的發(fā)動機供應的，所以對蓋瑞特渦輪增壓起不需要做通常情況下的周期性維護保養(yǎng)，除了偶爾要對壓氣機級進行清洗以外。由于這些原因，渦輪增壓器的預防性維護保養(yǎng)主要是保證發(fā)動機與空氣增壓系統(tǒng)的完整性以及不讓發(fā)動機以損害渦輪增壓器和發(fā)動機自身的方式來工作。應該鼓勵車主遵守以下預防性措施，以確保渦輪增壓氣又最長的工作壽命：1

15、.在發(fā)動機潤滑油壓力建立以前，必須使發(fā)動機保持在怠速狀態(tài)。發(fā)動機在啟動之后立即加速，會時渦輪增壓器在其軸承還來不及得到充分潤滑的情況下就以最大轉速工作。渦輪增壓器在潤滑不充分的情況下工作會損壞它的軸承。重復地這樣做會導致渦輪增壓器過早地損壞。2.在發(fā)動機停車之前，要是他的溫度和轉速逐步地從最大值降下來。渦輪增壓器的工作轉速和連續(xù)工作溫度都比其它機器要高。當發(fā)動機在最大輸出功率或最大扭矩狀態(tài)下工作時，渦輪增壓器的轉速和溫度也達到最大值,見圖。當發(fā)動機在這一工作點突然停車時，會使發(fā)動機尤其是渦輪增壓器出問題。這時需要發(fā)動機中速怠速或在輕負荷工況下工作一段時間，同時仍要保持發(fā)動機的潤滑油壓力和流過冷

16、卻系統(tǒng)的空氣量不變。遵循這些準則可以防止渦輪增壓器長期在缺乏潤滑油的情況下運轉，并可以防止形成如圖所示的積碳現(xiàn)象，這是在熱回吸的作用下使軸承或中間殼里的殘留潤滑油炭化而形成的。3.預先潤滑渦輪增壓器。在更換滑油或做任何維修（包括放出潤滑油）之后，渦輪增壓器需要進行預先潤滑。在發(fā)動機啟動前要將曲軸盤動幾次。啟動發(fā)動機后，在進入高速運轉前，讓它怠速一段時間，以建立起整個潤滑油循環(huán)和壓力。4.低溫使啟動發(fā)動機必須謹慎。當環(huán)境溫度過低或車輛長時間不用時，會影響發(fā)動機建立正常的潤滑油壓力和流量。在這種情況下，發(fā)動機啟動后必須怠速幾分鐘才能進入高速工作狀態(tài)。5.要避免發(fā)動機長時間的怠速。當渦輪和壓氣機中氣

17、體壓力過低和渦輪增壓器軸的轉速過低時，潤滑油會通過密封健滲漏到渦輪和壓氣機種。這一般不會造成機械損傷，但會弄臟葉輪，使用戶產生抱怨。安裝和啟動步驟 安裝者應遵守下列預防措施，以確保成功地更換渦輪增壓器。1. 要確保潤滑油泵和整個發(fā)動機狀態(tài)在內的發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的完好，確保所有通道和管路暢通，使它們能夠產生保持所需的潤滑油流量和壓力。 2.  要確保潤滑油進口供油管路和出口排油管路清潔并布置適當。a.       潤滑油進儲油管路的布置應盡量減少從發(fā)動機排氣管和其它高溫熱源傳來的熱量。b.   &#

18、160;   潤滑油進油管被積碳堵賽時，要更換它。c.       若使用軟管，要確保管不硬化，不折疊，它的內襯不損壞，不包落。d.       若使用金屬管，要確保管子沒有速俠段（節(jié)流）或折疊現(xiàn)象。e.       一些潤滑油機油軟管有可以反復使用的接頭，這樣允許只調換軟管而不環(huán)接頭。要確認接頭安裝正確，軟管的內襯碎片不能遺留在有關總成中。3. 當渦輪增壓器潤滑油進出口處使用液體成型的密封墊片和

19、密封條時，曾經發(fā)現(xiàn)過問題。即在擰緊接頭時，這種密封墊片和密封條因受擠壓而被擠壓潤滑油的油道中。當這種材料進入潤滑油的進口后，流向一個或多個軸承中去的潤滑油將被堵塞或切斷，潤滑油流量和壓力會迫使這種材料進入軸承，從而引起軸承的異常磨損。在中間殼潤滑油出口處，由于沉淀物增多，足以在出口處形成潤滑油的節(jié)流現(xiàn)象。4對渦輪增壓器進行預潤滑時要注意不可使?jié)櫥徒]增壓器。5從開口的潤滑油供油管道中清除空氣。把潤滑油排油管從渦輪增壓器上拆下來，這時，盤動曲軸而不起發(fā)動機，直到潤滑油從中間殼排油口中流出。若潤滑油連續(xù)不斷地從排油管中流出來，就表明空氣泡已經被排出潤滑油系統(tǒng)。用漏斗把潤滑油倒回到排油管中。6要確

20、保潤滑油清潔并處于正常工作所需要的油量水平上。如果有可能，應當用清潔的潤滑油灌滿潤滑油濾清器，以減少啟動發(fā)動機所需的時間。HONEYWELL渦輪增壓器系統(tǒng)（上海）有限公司國內配套情況主機廠發(fā)動機型號蓋瑞特型號常見車型東風汽車廠康明斯6BT5.9TB34中、重型載貨車東風朝陽柴油機廠CY6102QZTB34中型載貨車南京依維柯索菲姆8140.27/47TB25輕型載貨車，輕型客車中國重汽集團斯太爾WD615系列TA45/TA51重型載貨車上海卡特彼勒3306B系列TV/63/T04B工程機械/重型載貨車玉柴機器福特6112TBP4/TA45中、重型載貨車玉柴機器6108TB34中型載貨車天津帕金

21、斯飛馳系列TBP4中型載貨車天津帕金斯1000系列TBP4工程機械，農用機械江西五十鈴五十鈴4JB1TTB25輕型載貨車，輕型客車云南內燃機廠4100QZTB28輕型載貨車，輕型客車上海柴油機廠D6114QZTBP4重型載貨車，大客車一汽大連柴油機廠6110QZTB34中、重型載貨車整機型號整機品牌發(fā)動機型號原廠件號備注一汽錫柴解放卡車6110（170馬力）AKZ5A2一汽錫柴解放卡車6110（200馬力）1118010L/AKZ一汽錫柴解放卡車6110（180馬力）1118010S/AKZ1A1一汽錫柴*解放卡車6110（170馬力）1118010S/AKZ5A2一汽錫柴4113Z（140馬

22、力）一汽錫柴#4110（140馬力）125ZLA1一汽錫柴4110（122馬力）125ZL1一汽錫柴4110（130馬力）125ZA5一汽大柴解放卡車6110（190馬力）6110Z3A1大口徑一汽大柴解放卡車6110（180馬力）1118020A113BZ/1B大口徑一汽大柴解放卡車6113（210馬力）1118020-113BZS東風朝柴東風卡車6102（160馬力）62BZ1010-1東風朝柴4102（120馬力）4102BZ東風康明斯6BTA（180馬力）A3960454東風康明斯6BT（160馬力）A3960404東風康明斯6BTAA（210馬力）A3960478(9)東風康明斯6B

23、T（160馬力）3523294/H1C無旁通東風康明斯4BTAA（125馬力）Z3900038/WH1C玉柴6112（210馬力）玉柴6112（240馬力）187-1118020玉柴6112（270馬力）194-1118020A玉柴6108（200馬力）A30-1118020B江鈴輕卡JX493ZQ1（100馬力）1118300ADB117座江鈴全順JX493ZQ1（100馬力）1118300TC40-10依維柯8140.27（100馬力）99431083低排49-12依維柯8140.47（100馬力）99431084中冷斯太爾61重汽集團615.61（260馬力）斯太爾67重汽集團615.6

24、7（280馬力）斯太爾68重汽集團615.68（310馬力）200-1日立挖掘機6BD1T114400-2100200-2/3日立挖掘機6BD1T114400-2720280/UH07-7住友挖掘機6BD1T114400-1070PC200-3小松挖掘機S6D1056137-82-8200PC200-5小松挖掘機S6D956207-81-8210PC200-6小松挖掘機S6D956207-81-8331卡特挖掘機49179-00451714460-5001康明斯挖掘機6CT8.33524034706058-5001PC200-5小松挖掘機S6D1406152-81-8210W380小松裝載機S6D1146138-82-8201如何提高增壓器的使用壽命 由于增壓器是高速/高溫/高壓下動轉的部件，正常情況下增壓器的使用依靠機油保證，因此確保進入增壓器機油的品質（質量/級別和干凈）是提高增壓器使用壽命