第七章發(fā)動(dòng)機(jī)增壓

第二節(jié)機(jī)械增壓容積式壓氣機(jī)是按照空氣被壓縮時(shí)容積縮小、壓力升高的原理而工作的壓氣機(jī)。它把從進(jìn)氣腔來的一定量的空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，并轉(zhuǎn)送到壓縮腔。進(jìn)氣腔和壓氣腔被轉(zhuǎn)子隔開互不相通。在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用較廣的為轉(zhuǎn)子——齒輪式的羅茨壓氣機(jī)。

用來壓縮空氣或其它氣體的設(shè)備稱為壓氣機(jī)

一、羅茨式壓氣機(jī)

電磁離合器帶輪1電磁離合器2轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)子軸4后蓋5放油螺栓6傳動(dòng)齒輪7齒輪室罩8殼體9滾子軸承10當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣從壓氣機(jī)入口吸入，在轉(zhuǎn)子葉片的推動(dòng)下空氣被加速，然后從壓氣機(jī)出口壓出。出口與進(jìn)口的壓力比可達(dá)1.8，供氣量與轉(zhuǎn)速成正比。為了減少壓力和速度的脈動(dòng)，經(jīng)常采用三葉形轉(zhuǎn)子，如下圖所示。當(dāng)采用三葉轉(zhuǎn)子時(shí)，氣流流通部分的速度和壓力脈動(dòng)周期相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的60°角，因此，振幅比雙葉轉(zhuǎn)子的小。

三葉螺旋型羅茨式壓氣機(jī)

轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)是一種較早應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的壓氣機(jī),其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，平衡性好，增壓壓力隨轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律比較理想，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)變工況工作的要求。缺點(diǎn):重量較大噪音較高。羅茨式壓氣機(jī)增壓、壓力一般為:Pk＝0.15～0.17MPa以下。

二、電磁離合器

電磁離合器安裝在傳動(dòng)帶輪1中，傳動(dòng)帶輪1與主動(dòng)板2固連接在一起，從動(dòng)摩擦片6與花鍵套5固連接在一起。電控單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的需要，發(fā)出接通或切斷電磁離合器電源的指令，以控制增壓器的工作。接通電源時(shí)，電磁線圈3通電，主動(dòng)板2吸引從動(dòng)摩擦片6，使離合器處于接合狀態(tài)，增壓器工作。切斷電源時(shí)，電磁線圈斷電，主動(dòng)板與從動(dòng)摩擦片分開，增壓器停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？諝鉃V清器1空氣流量計(jì)2節(jié)氣門傳感器3怠速空氣控制閥4進(jìn)氣旁通閥5機(jī)械增壓器6中冷器7噴油器8爆燃傳感器9冷卻液傳感器10電磁離合器帶輪11曲軸帶輪12氧傳感器13三效催化轉(zhuǎn)換器14分電器15點(diǎn)火線圈16電控單元17機(jī)械增壓器6為羅茨式壓氣機(jī)，由曲軸帶輪12經(jīng)傳動(dòng)帶和電磁離合器帶輪11驅(qū)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷下工作時(shí)，電控單元ECU根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器3的信號(hào)使電磁離合器11斷電，增壓器停止工作。與此同時(shí)，使進(jìn)氣旁通閥5通電而開啟，即在不增壓的前提下，空氣經(jīng)旁通閥5以及旁通管路進(jìn)入氣缸。

機(jī)械傳動(dòng)式增壓器要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的部分功率，例如，要使增壓壓力達(dá)到0.15～0.2MPa，增壓器要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的12～20%左右，相應(yīng)增加了燃料的消耗量。為了避免這部分功率的損失，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪來帶動(dòng)離心式壓氣機(jī)。渦輪增壓器與其它增壓方式相比有其突出的優(yōu)點(diǎn)，這在于渦輪增壓系統(tǒng)中渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)無機(jī)械上的聯(lián)系，不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣工作，實(shí)際上是回收了一部分廢氣能量，增壓后每個(gè)工作循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量增加，允許向氣缸噴入更多的燃油，并保證充分燃燒，這樣就增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，并降低燃油消耗，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

第三節(jié)渦輪增壓渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸?？諝獾膲毫兔芏仍龃罂梢匀紵嗟娜剂?，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。渦輪增壓工作原理廢氣渦輪增壓方式1.串聯(lián)前復(fù)合增壓進(jìn)氣管發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排氣輸出軸吸氣2.串聯(lián)后復(fù)合增壓進(jìn)氣管發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排氣輸出軸吸氣3.并聯(lián)復(fù)合增壓進(jìn)氣管發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排氣輸出軸吸氣只有一個(gè)渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)為單渦輪增壓系統(tǒng)雙渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)之一六缸電控汽油噴射式汽油機(jī)常采用雙渦輪增壓系統(tǒng)，如圖示。其中，不連續(xù)發(fā)火的1、2、3缸作為一組，4、5、6缸作為另一組，每組三個(gè)氣缸的排氣驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪增壓器一、渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理※渦輪增壓器是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件?！蓽u輪殼、中間體、壓氣機(jī)三大部分組成?！鶞u輪機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管相接，壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管相接，中間體與發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)相接。壓氣機(jī)蝸殼擴(kuò)壓管壓氣機(jī)葉輪密封套增壓器軸進(jìn)氣道推力軸承擋油板浮動(dòng)軸承渦輪機(jī)葉輪出氣道隔熱板渦輪機(jī)蝸殼中間體10ZJ型徑流式渦輪增壓器主要供135型柴油機(jī)和146型柴油機(jī)增壓之用

壓氣機(jī)：由壓氣機(jī)葉輪3、壓氣機(jī)殼1、擴(kuò)壓器后板14、無葉擴(kuò)壓器2（由壓氣機(jī)殼與擴(kuò)壓器后板形成的縫隙構(gòu)成）、進(jìn)氣道6組成。由增壓器軸5帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

1.離心式壓氣機(jī)壓氣機(jī)葉輪的作用是把渦輪的熱膨脹功轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膭?dòng)能和壓力能，再經(jīng)過無葉擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)殼的擴(kuò)壓作用，把空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，使空氣壓力進(jìn)一步提高后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管?？諝庋剡M(jìn)氣道進(jìn)入工作輪隨工作輪一起旋轉(zhuǎn)，受到離心力的作用沿著工作輪上葉片所構(gòu)成的通道流動(dòng)，使空氣受到壓縮，這時(shí)壓力從P1增加到P2，氣流速度從c1增加到c2，驅(qū)動(dòng)工作輪的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為空氣在工作輪中獲得的動(dòng)能，和以壓力形式表現(xiàn)的勢(shì)能。工作輪出口處的動(dòng)能一般為氣流總能量的一半，因此，在工作輪后裝有擴(kuò)壓器，使其轉(zhuǎn)換為壓力能。當(dāng)氣流在擴(kuò)壓器中流動(dòng)時(shí)，由于流通面不斷擴(kuò)大，氣流的速度從c2下降到c3，壓力從P2升高到P3。此時(shí)產(chǎn)生的損失是壓氣機(jī)損失中的主要部分。自擴(kuò)壓器周圍出來的空氣進(jìn)入蝸形管，由此進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管，根據(jù)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的配置位置不同，蝸形管可以有一個(gè)或數(shù)個(gè)出口管。工作輪是壓氣機(jī)的主要零件，在工作中使空氣受到壓縮并獲得動(dòng)能。工作輪一般用鋁臺(tái)金制造，以大大減少作用在工作輪上的離心力。在現(xiàn)代增壓器中，離心力可達(dá)很高的數(shù)值，有時(shí)可能比零件的重量大5萬到10萬倍。由于工作輪背后b處的空氣壓力比工作輪前面的壓力高，為了減少由于壓差造成的使輪盤向左移動(dòng)的軸向推力，在工作輪毀上鉆有平衡a如下圖，以使工作輪前后的壓力得到平衡。壓氣機(jī)性能的主要參數(shù)是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)壓氣機(jī)提供給內(nèi)燃機(jī)的空氣量，稱為流量，并有兩種表示方法?！莘e流量為單位時(shí)間內(nèi)所提供的空氣容積

V(m3/h或m3/min);※質(zhì)量流量為單位時(shí)間內(nèi)所提供的空氣質(zhì)量

Gk(kg/s)?！鰤罕然驂毫ι弑?，為壓氣機(jī)出口空氣壓力pk與進(jìn)口空氣壓力p0之比，表示為π=pk/p0。

離心式壓氣機(jī)屬于葉片機(jī)械，其工作原理是以高速氣流與工作葉輪和固定葉片的相互動(dòng)力作用為基礎(chǔ)，與容積式壓氣機(jī)相比離心式壓氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：◆消耗同樣的功率時(shí)，比容積式壓氣機(jī)的效率高，并能得到較高的增壓壓力，一般能達(dá)到0.147～0.196MPa以上；◆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，金屬消耗量少。目前離心式壓氣機(jī)在內(nèi)燃機(jī)增壓方面獲得廣泛的應(yīng)用?！綦x心式壓氣機(jī)的缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速的降低，增壓壓力便急劇下降。由渦輪10、渦輪殼13、無葉噴嘴環(huán)（由渦輪殼內(nèi)徑環(huán)形縫隙通道構(gòu)成）組成。它是驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣進(jìn)入渦輪殼，再經(jīng)由噴嘴環(huán)以一定的速度和方向進(jìn)入渦輪，廢氣在渦輪中絕熱膨脹作功，由渦輪軸輸出帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。2.徑流式渦輪機(jī)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(shí)降壓、降溫、增速、膨脹，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)。(1)噴管其上裝有許多導(dǎo)向葉片，構(gòu)成漸縮形通道。廢氣從這里被引入工作輪。其材質(zhì)采用耐高溫、抗腐蝕的合金鋼。

(2)葉輪它是把從噴管出口噴出的高速?gòu)U氣的動(dòng)能和壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的場(chǎng)所。工作輪的葉片與輪盤做成一體，多采用精密鑄造成型。(3)渦殼其作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器連接起來，將廢氣經(jīng)過整理引導(dǎo)到噴嘴環(huán)的方向，并按噴嘴環(huán)進(jìn)口形狀均勻地進(jìn)入噴嘴環(huán)，以減少流動(dòng)損失．充分利用廢氣能量。渦輪機(jī)葉輪工作溫度經(jīng)常在700C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(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。寶馬新開發(fā)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為3.0L排量直噴雙渦輪類型，每3個(gè)氣缸配備1個(gè)渦輪增加壓。最大輸出功率為225kW（306PS），最大扭矩為400N·m。與該公司排量相同的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，輸出功率及扭矩分別增加了15％和30％。另外，通過采用直噴設(shè)計(jì)，與采用進(jìn)氣孔噴射的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃效提高了10％。渦輪葉輪采用耐熱性超過1050℃的特種鋼寶馬新開發(fā)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為3.0L排量直噴雙渦輪類型，每3個(gè)氣缸配備1個(gè)渦輪增加壓。最大輸出功率為225kW（306PS），最大扭矩為400N·m。與該公司排量相同的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，輸出功率及扭矩分別增加了15％和30％。另外，通過采用直噴設(shè)計(jì)，與采用進(jìn)氣孔噴射的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃效提高了10％。渦輪葉輪采用耐熱性超過1050℃的特種鋼配備壓電式噴射閥，活塞頂部設(shè)計(jì)有凹陷燃?xì)怆x開工作輪時(shí)還具有一定的速度

c2

，也就是還有一部分動(dòng)能未能在渦輪中得到利用，這部分動(dòng)能損失稱為余速損失。在噴嘴環(huán)中因斷面是漸縮的，使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能，壓力降低到p1，溫度下降到了T1，流動(dòng)速度增加到c1。廢氣從噴嘴環(huán)噴出，以相對(duì)速度ω1和一定角度進(jìn)入工作輪，工作輪葉片間的通道也是呈漸縮形狀，氣體在通道中繼續(xù)膨脹，在工作輪出口處壓力下降到p1

，溫度降低到了T2，相對(duì)速度增加到ω2，由于廢氣在噴嘴中膨脹得到的動(dòng)能大部分傳給了工作輪，所以絕對(duì)速度迅速下降到c2，c2

＜＜c1

。轉(zhuǎn)子總成:渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子總成由渦輪10與軸5、密封套4、壓氣機(jī)葉輪3、鎖緊螺母等組成。轉(zhuǎn)子以超過10×104r／min，最高可達(dá)20×104r／min的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此它是渦輪增壓器中有動(dòng)平衡要求的部件。3.轉(zhuǎn)子總成軸承機(jī)構(gòu)：渦輪增壓器轉(zhuǎn)子上裝有浮動(dòng)軸承，它的內(nèi)孔與軸、外圓與中間體內(nèi)孔具有規(guī)定的間隙，形成雙層油膜潤(rùn)滑，使轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)定心和增強(qiáng)冷卻效果，浮動(dòng)軸承承受轉(zhuǎn)子的徑向載荷。中間體上裝有止推軸承，止推軸承與止推環(huán)的軸向尺寸差值為轉(zhuǎn)子是軸向串動(dòng)量，止推軸承承受轉(zhuǎn)子的軸向載荷。4.軸承機(jī)構(gòu)增壓器軸承的結(jié)構(gòu)是車用渦輪增壓器可靠性的關(guān)鍵之一。浮動(dòng)軸承潤(rùn)滑油道潤(rùn)滑油入口推力軸承現(xiàn)代車用渦輪增壓器采用的浮動(dòng)軸承實(shí)際上是套在軸上的圓環(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。進(jìn)油孔5布油槽7布油槽7進(jìn)油孔5止推面6外雙支承式渦輪增壓器內(nèi)雙支承式渦輪增壓器懸臂支承二、增壓壓力調(diào)節(jié)在渦輪增壓系統(tǒng)中部設(shè)有進(jìn)氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力?？刂颇ず羞B動(dòng)桿排氣旁通閥排氣管渦輪機(jī)葉輪壓氣機(jī)蝸殼增壓器軸中間體壓氣機(jī)葉輪連通管與壓氣機(jī)出口相同渦輪機(jī)蝸殼三、增壓器的潤(rùn)滑與冷卻中間體：中間體是渦輪增壓器的支承機(jī)構(gòu),用圓柱頭內(nèi)六角螺栓把擴(kuò)壓器后板固定在中間體上，用螺栓把壓氣機(jī)殼固定在擴(kuò)壓器后板上，轉(zhuǎn)子的徑向載荷和軸向載荷分別經(jīng)浮動(dòng)軸承和止推軸承最終傳遞給中間體。中間體又是渦輪增壓器的潤(rùn)滑冷卻裝置。它的進(jìn)油口接至發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系的主油道?；赜涂诮又劣偷讱ぁ?rùn)滑油冷卻水潤(rùn)滑油冷卻水四、中冷器的作用：降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度

（１）發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導(dǎo)會(huì)提高進(jìn)氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會(huì)升高，這必然也會(huì)導(dǎo)致空氣溫度的升高，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。如果想要進(jìn)一步提高充氣效率，就要降低進(jìn)氣溫度。有數(shù)據(jù)表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降１０℃，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就能提高３％～５％。

（２）如果未經(jīng)冷卻的增壓空氣進(jìn)入燃燒室，除了會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率外，還很容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度過高，造成爆震等故障，而且會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的ＮＯｘ的含量，造成空氣污染。

風(fēng)冷式：華泰特拉卡ＴＣＩ越野車和一汽－大眾寶來１．８Ｔ轎車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用了風(fēng)