淺談現(xiàn)代汽車渦輪增壓器的原理及使用

1、淺談現(xiàn)代汽車渦輪增壓器的原理及使用在談到現(xiàn)代汽車渦輪增壓器之前，先解釋下渦輪增壓器。它實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量,利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率了。參加競賽的跑車一般在發(fā)動機上裝有渦輪增壓器，以使汽車迸發(fā)出更大的功率。發(fā)動機是靠燃料在氣缸內(nèi)燃燒來產(chǎn)生功率的，輸入的燃料量受到吸入氣缸內(nèi)空氣量的限制，所

2、產(chǎn)生的功率也會受到限制，如果發(fā)動機的運行性能已處于最佳狀態(tài)，再增加輸出功率只能通過壓縮更多的空氣進入氣缸來增加燃料量，提高燃燒做功能力。在目前的技術(shù)條件下，渦輪增壓器是唯一能使發(fā)動機在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機械裝置。渦輪增壓器的最大優(yōu)點是能在不加大發(fā)動機排量就能較大幅度地提高發(fā)動機的功率及扭力，一般而言，加裝增壓器后的發(fā)動機的功率及扭矩要增大2030。渦輪增壓器的缺點是滯后，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應(yīng)遲緩，使發(fā)動機延遲增加或減少輸出功率，這對于要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。渦輪增壓器按增壓方式分為廢氣渦輪增壓器、復(fù)合式廢氣渦輪增壓器和組合式渦輪增

3、壓器。它們的作用分別如下： 1.廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的具有一定能量的廢氣進入渦輪并膨脹做功，廢氣渦輪的全部功率用于驅(qū)動與渦輪機同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機工作葉輪，在壓氣機中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸。廢氣渦輪與壓氣機通常裝成一體，便稱為廢氣渦輪增壓器。其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，一般柴油機合理地加裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)后，可提高功率30%50%，降低比油耗5%左右，有利于改善整機動力性能、經(jīng)濟性能及排放品質(zhì)，因而得到廣泛應(yīng)用。 2.復(fù)合式廢氣渦輪增壓器。廢氣渦輪增壓器是將廢氣動力渦輪與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)起來工作，稱為復(fù)合式廢氣渦輪增壓器。在某些增壓度較高的柴油機上，廢氣能量除驅(qū)動廢氣

4、渦輪增壓器外，尚有多余的能量用于驅(qū)動低壓廢氣動力渦輪，該動力渦輪通過齒輪變速器及液力耦合器與發(fā)動機輸出軸聯(lián)接。這樣，廢氣渦輪增壓器達到增壓的目的，而廢氣動力渦輪將廢氣能量直接變?yōu)楣β仕徒o曲軸。復(fù)合式廢氣渦輪增壓器可充分利用廢氣能量，使動力性能、經(jīng)濟性能大為改善，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高且技術(shù)難度大。 3.組合式渦輪增壓器。組合式渦輪增壓器由廢氣渦輪增壓與進氣慣性增壓組合而成。在該增壓系統(tǒng)中，除廢氣渦輪增壓器外，還有由穩(wěn)壓箱、共振管、共振室等構(gòu)成的進氣慣性增壓系統(tǒng)，利用壓力峰值可進一步提高增壓后的進氣壓力。該系統(tǒng)使柴油機加速性能變好，并對改善柴油機的低速轉(zhuǎn)矩有利。汽油發(fā)動機不同于柴油發(fā)動機，

5、它進入氣缸的不是空氣，而是汽油與空氣的混合氣，壓力過大容易爆燃。因此，安裝渦輪增壓器必須要避免爆燃，這里涉及兩個相關(guān)問題，一個是高溫控制，另一個是點火時間控制。強制性增壓后，汽油機壓縮和燃燒時的溫度和壓力都會增加，爆燃傾向增加。另外，汽油機排氣溫度比柴油機高，而且不宜采用增大氣門重疊角（進、氣排門同時開啟的時間）方式來加強排氣的降溫，降低壓縮比又會造成燃燒不充分。還有，汽油機的轉(zhuǎn)速比柴油機高，空氣流量變化大，很容易造成渦輪增壓器反應(yīng)滯后。針對汽油機使用渦輪增壓器出現(xiàn)的一系列問題，工程師有針對性地一一做了改進，使汽油機也能用上廢氣渦輪增壓器。溫度增高，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要

6、裝置降低進氣溫度的設(shè)備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進氣管之間，對進入氣缸的空氣進行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風(fēng)冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過冷卻而逸散到大氣中去。據(jù)測試，性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動機壓縮比能保持一定值而不會產(chǎn)生爆燃，同時降低溫度也可提高進氣壓力，進一步提高發(fā)動機的有效功率。由于汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍寬，空氣流量變化大，因此渦輪增壓器的壓縮葉輪外形是復(fù)雜的三元曲面超薄壁葉輪片，一般有1230片葉，呈放射線狀曲線排列，葉片厚度在0.5毫米以下，采用鋁材用特殊鑄造法制作。葉片形狀的優(yōu)劣直接影響到渦輪增壓發(fā)動機的性能。葉輪形狀角度越合理，質(zhì)量越輕，葉輪的啟動就越

7、靈敏，渦輪增壓器的天生缺陷“反應(yīng)滯后”也就越小。除了降低溫度來減少爆燃的可能外，還要采用爆燃傳感器，它的作用就是在產(chǎn)生爆燃之時，傳感器感到不正常的振動會立即將信息反饋至發(fā)動機ECU（電子控制單元）控制系統(tǒng)，將點火定時稍推遲一點，不產(chǎn)生爆燃的時候再恢復(fù)正常點火定時。由于轎車汽油機的轉(zhuǎn)速比柴油機高，空氣流速快而且變化范圍大，因此它的渦輪增壓器有更高的要求?，F(xiàn)代轎車發(fā)動機已普遍采用電子噴射系統(tǒng)，在電子控制技術(shù)及新材料的配合下，渦輪增壓器在汽油機上的應(yīng)用也會日益普遍。轎車用的廢氣渦輪增壓器都采用單入口渦輪外殼，也就是說只利用廢氣排氣的壓力能量，不需使用其它的輔助能量。由于轎車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍大，因此廢

8、氣渦輪增壓器必須要有調(diào)節(jié)裝置，以使發(fā)動機能在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得比較恒定的增壓壓力。另外，汽油機是點燃式點火，它的壓縮比是有一定范圍限制的，過高就會引發(fā)爆燃。因此，還要有爆燃檢測及控制機構(gòu)，隨時調(diào)整點火提前角。轎車的廢氣渦輪增壓器一般安裝在排氣管附近，渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接，同步旋轉(zhuǎn)。目前的渦輪增壓器的調(diào)節(jié)裝置大都在排氣側(cè)進行調(diào)節(jié)，當不需要增壓時，例如怠速或者有爆燃先兆時，一部分排氣會通過旁通閥泄出而不進入渦輪增壓器。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速每分鐘達到1800轉(zhuǎn)時，電磁閥就會關(guān)閉旁通閥讓排氣流指向渦輪一側(cè)，使渦輪轉(zhuǎn)動。另外還有一種設(shè)計，就是調(diào)節(jié)渦輪葉片的角度，通過阻力的改變來調(diào)

9、節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速，從而改變增壓量。對空氣進行冷卻可以使空氣收縮增大密度，在同等容積下塞進更多空氣，還可以防止爆燃。因此轎車的渦輪增壓器都安裝有中間冷卻器，這種中間冷卻器一般用空氣冷卻，安裝在發(fā)動機散熱器前面、旁邊或者單獨一個位置，利用汽車迎面氣流或者自身風(fēng)扇冷卻。渦輪增壓器的關(guān)鍵零件是軸承。這種根據(jù)潤滑形式命名的軸承被稱為“全浮式軸承”，工作轉(zhuǎn)速極高，工作環(huán)境惡劣。因此，保證潤滑是非常重要的事情。如果因油壓低導(dǎo)致機油供給緩慢，就會損壞軸承從而導(dǎo)致渦輪增壓器失效。在正常的發(fā)動機啟動是不會發(fā)生此類故障的，但如果發(fā)動機更換機油和機油過濾器后第一次啟動，就會產(chǎn)生機油供給緩慢現(xiàn)象，使軸承缺乏機油潤滑。在這種

10、情況下，啟動后要怠速運轉(zhuǎn)3分鐘左右，不可直接將轉(zhuǎn)速提升到渦輪增壓器啟動轉(zhuǎn)速。同樣，在高速及上坡后也不要使發(fā)動機立即停止，要使發(fā)動機繼續(xù)怠速運行1分鐘左右，使仍繼續(xù)空轉(zhuǎn)的渦輪增壓器軸承不會缺油。因此，使用渦輪增壓器汽車的司機，一定要遵循廠家的指示操作，還要十分注意機油的質(zhì)量，不宜將渦輪增壓器汽車視同一般汽車進行操作。我們正確使用汽車渦輪增壓器，使其保持良好的工作性能，滿足汽車發(fā)動機的正常工作需求。發(fā)動機在正常工作情況下，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速在8-12萬/分鐘（r/min），渦輪排氣的溫度可達600-900攝氏度。 發(fā)動機的機油要按說明書規(guī)定使用，對于低增壓柴油機，應(yīng)選用不低于CC級的柴機油

11、，對中增壓柴油機，應(yīng)選用不低于CD級的柴機油。對高增壓柴油機一般采用CH級的柴機油。發(fā)動機保養(yǎng)要按發(fā)動機工作小時要求及時更換機油和機油濾清器，保證油質(zhì)，使增壓器得到良好的潤滑和散熱。 柴油機在運轉(zhuǎn)中，當機油壓力低于0.15MPa時，應(yīng)停機檢查，增壓器轉(zhuǎn)子軸與軸承潤滑，以免機油壓力過低造成燒損，機油壓力過高也可造成機油竄入渦輪室或壓氣機室。嚴禁發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時間過長，以防機油壓力過低使增壓器潤滑不良。 汽車發(fā)動機和發(fā)電機組的發(fā)動機啟動后不能急加發(fā)動機油門，應(yīng)使發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)3-5min，以保證增壓器軸承得到充分的潤滑，增壓器的軸承是浮動軸承，如潤滑不良可使軸承瞬間燒損。在冬季

12、低溫啟動發(fā)動后急加油門可損壞增壓器油封，要使發(fā)動機至少怠速預(yù)熱5min。 發(fā)動機在熄火前應(yīng)使發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)3-5min。如發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速下突然熄火停止工作，機油壓力為零，而增壓器的轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)高速運轉(zhuǎn)，增壓器在高轉(zhuǎn)速下停止?jié)櫥?，熱量未被機油帶走及時冷卻，使增壓器的局部溫度可達900-1000攝氏度，產(chǎn)生軸承燒損和機油結(jié)焦產(chǎn)生積碳。所以在高轉(zhuǎn)速下應(yīng)怠速運轉(zhuǎn)3-5min，來降低增壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和降低增壓器的溫度。發(fā)動機在工作中，根據(jù)發(fā)動機怠速和中速及變換發(fā)動機轉(zhuǎn)速情況下檢查，使增壓器應(yīng)運轉(zhuǎn)均勻，無金屬撞擊或金屬磨擦異響，無喘振或不正常振動現(xiàn)象。 經(jīng)常檢查增壓器固定情況，排氣

13、和導(dǎo)管使否漏氣潤滑油管和接頭是否漏油，例如卡特彼勒電控柴油機3512B裝配水冷卻增壓器，要檢查冷卻水管和接頭密封是否漏水。出現(xiàn)滲漏及時檢修。 檢查渦輪和空壓輪應(yīng)完整清潔，渦輪葉背面有積碳，是機油焦化或機油燃燒產(chǎn)生積碳?？諌狠喨~背面有積塵，是進氣管路漏氣。在拆檢時應(yīng)注意不要碰撞損壞葉輪。 要經(jīng)常檢查密封環(huán)是否密封，密封不良可使機油進入進氣管道及氣缸燃燒。造成發(fā)動機機油燒損增壓器在安裝前應(yīng)將增壓器的所有零、部件采用非堿性清潔劑和軟刷清洗干凈，并用壓縮空氣吹干。安裝時各摩擦面應(yīng)加注潤滑油，以防止零件拉傷。經(jīng)過浸泡不能除去積碳層的零件，必要時用毛刷清除，嚴禁用金屬或硬刷子。葉輪必須經(jīng)過單件動平衡，轉(zhuǎn)子總成必須經(jīng)整體平衡效驗合格后裝配。 .渦輪端和壓氣機端兩密封環(huán)開口互成180度安裝，密封環(huán)開口想對中間體進油口成90度。 .裝配渦輪軸、壓氣機葉輪及鎖緊螺母的相對位置記號需對正。 .增壓器各間隙的裝配應(yīng)依據(jù)其型號的主要技術(shù)數(shù)值。 裝配完畢，應(yīng)從增壓器進油口加注適量機油，加入同時應(yīng)手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，測聽有無碰、擦異響，及卡阻現(xiàn)象，如有應(yīng)查明原因并排除。更換新增壓器總成時，應(yīng)在安裝前從增壓器進油口加注適量機油，加入同時應(yīng)手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，以保證增壓器在安裝后啟動發(fā)動機的瞬間使軸及軸承得到良好的