渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及使用分析解析

1、論文封面成績：青島科技大學(xué)2015-2016學(xué)年第1學(xué)期過程裝備與控制專業(yè)概論班級：裝控 153 學(xué) 號：1505020312姓名：張明海開課學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院任課教師：欒德玉、翟紅巖論文題目：論文要求：（1）在查閱文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，選擇與過控專業(yè)相關(guān)或相近的題目；（2）結(jié)合課程內(nèi)容，闡述所選課題內(nèi)容的原理、發(fā)展、應(yīng)用等；（3）論文格式按學(xué)校的課程論文規(guī)范要求；（4）字?jǐn)?shù)不少于3000字，對于創(chuàng)新設(shè)計(jì)及思路可降低字?jǐn)?shù)要求， 但應(yīng)有設(shè)計(jì)草圖;（5）完成PPT制作并演講；PPT以圖片形式附在論文后面，每頁插 4-6個(gè)圖片；（6）用單獨(dú)一頁紙?zhí)岢鲆恢炼€(gè)問題，并簡略解釋所提出的問題。教師評語:教師簽字：年

2、 月 日渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及改進(jìn)渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及改進(jìn)摘要渦輪增壓簡稱Turbo，我們經(jīng)?？梢栽谄囄膊靠吹?Turbo或者T的標(biāo)志， 這些標(biāo)志表明該車采用的發(fā)動機(jī)是渦輪增壓發(fā)動機(jī)。本文介紹了渦輪增壓器的構(gòu) 造和原理，對它的保養(yǎng)及使用進(jìn)行了闡述，同時(shí)，通過分析常見故障，對改進(jìn)措 施以及發(fā)展方向有了一定的看法。關(guān)鍵詞：渦輪增壓廢氣常見故障改進(jìn)措施【引言】渦輪增壓器，一個(gè)近十年出現(xiàn)的詞語。人們只知道汽車排量后面帶T的車輛 就是帶有渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)，汽車的加速就會快，性能也好。渦輪增壓器會產(chǎn)生更大的扭矩以滿足駕駛樂趣。 為了滿足發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下 的需求，1989年出現(xiàn)了可變增壓的

3、渦輪增壓器（VNT。在發(fā)動機(jī)低速時(shí)，渦輪 增壓器減小喉口，提高增壓；在發(fā)動機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪增壓器喉口增大，保證 增壓不會超出需求。喉口可用真空管控制。優(yōu)點(diǎn)是提高了發(fā)動機(jī)低速時(shí)的加速性 能。目前，渦輪增壓器已經(jīng)占到了 50%在亞洲、美國也都在增長。現(xiàn)代渦輪增 壓器也改變了人們對柴油機(jī)的看法，渦輪增壓器已經(jīng)成為提高動力性能的主流方 向。一. 渦輪增壓器的作用和構(gòu)造以及工作原理（一）作用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 式渦輪增壓器。他們的作用分別如下：1. 廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機(jī)排出的具有一定能量的廢氣進(jìn)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(jī)同

4、軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪，在 壓氣機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸。 廢氣渦輪與壓氣機(jī)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(jī)合理地加裝廢氣渦輪增 壓系統(tǒng)后，可提高功率20%30%，降低比油耗5%左右，有利于改善整機(jī)動 力性能、經(jīng)濟(jì)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(jī) 上,廢氣能量除驅(qū)動廢氣渦輪增壓器外，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(jī)輸出軸聯(lián)接。這樣，廢氣渦輪增壓器達(dá)到增壓的

5、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。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(jìn)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(jìn)氣慣性增壓系統(tǒng)，利用壓力峰值可進(jìn)一步提高增壓后的進(jìn)氣壓力。（二）構(gòu)造廢氣渦輪增壓器一般由單級離心式壓氣機(jī)和單級軸式渦輪機(jī)或徑流式渦輪 機(jī)組成為機(jī)組，并分別稱為軸流式廢氣渦輪增壓器和徑流式廢氣渦輪增壓器。壓氣機(jī)和渦輪機(jī)二者的工作輪裝在同一根軸上， 稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由發(fā)動機(jī)排出的廢 氣驅(qū)動。這種渦輪增壓器工作的條件，除 壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相同外，在任 何工況下其效率也是相同的。渦輪增壓器按轉(zhuǎn)

6、子的支承情況有各種不同結(jié)構(gòu)方案，最常見的有幾種：1. 外雙支承式即轉(zhuǎn)子兩端有支撐，這種方案亦稱無懸臂式支承，在軸流式大型渦輪增壓器 上應(yīng)用最廣。2. 雙內(nèi)支承式即二個(gè)軸承都放在葉輪里面，所以又叫懸臂支承，這樣可保證渦輪增壓器的 尺寸小、重量輕。這種結(jié)構(gòu)形式在小型徑流式渦輪增壓器上應(yīng)用最廣。3.單懸臂式支承-2 -渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及改進(jìn)即壓氣機(jī)的工作輪呈懸臂布置，轉(zhuǎn)子支點(diǎn)在渦輪機(jī)工作輪的兩側(cè)。這種方案 可使壓氣機(jī)進(jìn)口損失最小和渦輪結(jié)構(gòu)緊湊，因此應(yīng)用也較廣。4. 懸臂支撐壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)的工作輪緊挨著， 像是兩面部有葉輪的工作艙，所以 又稱單轉(zhuǎn)子。上述幾種方案中的支點(diǎn)可采用滑動軸承，

7、 也可采用滾動軸承。滾動軸承的摩 擦損失不大，長度也小，但壽命不如滑動軸承。因此，國內(nèi)外的增壓器廣泛采用 滑動軸承。（三）工作原理渦輪增壓器實(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)動機(jī)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(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快， 廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快， 葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)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)整一下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn) 速，就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率了。二. 汽車渦輪增壓器的分類及優(yōu)缺點(diǎn)（一）汽車渦輪增壓器的分類1. 機(jī)械增壓系統(tǒng)

8、這個(gè)裝置安裝在發(fā)動機(jī)上并由皮帶與發(fā)動機(jī)曲軸相連接，從發(fā)動機(jī)輸出軸獲 得動力來驅(qū)動增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 從而將空氣增壓吹到進(jìn)氣岐道里。其優(yōu)點(diǎn)是渦 輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)相同，因此沒有滯后現(xiàn)象，動力輸出非常流暢。但是由于裝在發(fā) 動機(jī)轉(zhuǎn)動軸里面，因此還是消耗了部分動力，增壓出來的效果并不高。2. 氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓系統(tǒng)利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣壓縮。這種系統(tǒng)增壓性能好、加速性好、 但是整個(gè)裝置比較笨重，不太適合安裝在體積較小的轎車?yán)锩妗?. 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)這就是我們平時(shí)最常見的渦輪增壓裝置了，增壓器與發(fā)動機(jī)無任何機(jī)械聯(lián) 系，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)動機(jī)排 出的廢氣慣

9、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(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出 速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)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)增加燃料量就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機(jī)功率及扭矩要增大20% 30%4. 復(fù)合增壓系統(tǒng)復(fù)合增壓系統(tǒng)即廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用，機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出， 但 是高轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大的功率輸出，但 低轉(zhuǎn)速時(shí)則力不從心。發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)師們于是就設(shè)想把機(jī)械增壓和渦輪增壓結(jié)合 在一起，來解

10、決兩種技術(shù)各自的不足，同時(shí)解決低速扭矩和高速功率輸出的問題。 這種裝置在大功率柴油機(jī)上采用比較多， 汽油機(jī)上采用雙增壓系統(tǒng)（復(fù)合增壓系 統(tǒng)）的車型還比較少，大眾的1.4 TSI發(fā)動機(jī)（這款發(fā)動機(jī)兼顧了低速扭力輸 出和高速功率輸出。（二）汽車渦輪增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)1. 渦輪增壓的最大優(yōu)點(diǎn)是它可在不增加發(fā)動機(jī)排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機(jī)的功率非增壓發(fā)動機(jī)通過曲軸的運(yùn)動直接從大氣中吸進(jìn)空氣，而渦輪增 壓發(fā)動機(jī)由渦輪增壓器向發(fā) 動機(jī)提供壓縮空氣。由于進(jìn)入氣缸的空氣增多所以 允許噴入較 多的燃油使發(fā)動機(jī)產(chǎn)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(jī)經(jīng)增壓后可以產(chǎn)生較多的功率或

11、者說一臺小排量發(fā)動機(jī)經(jīng)增壓后可產(chǎn)生與較大發(fā)動機(jī)相同的功率。其它還有節(jié)約燃油和降低排放等優(yōu)點(diǎn)。由于渦輪增壓器為發(fā)動機(jī)提供了更多的空氣燃油在發(fā)動機(jī)氣缸里 燃燒時(shí)會 燃燒得更充分、更徹底。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管的空氣保持正壓力（大 于大氣 壓的壓力）對發(fā)動機(jī)有幾方面的好處。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣門重疊開啟時(shí)新鮮空氣吹入燃燒室清除所有殘留在燃燒室里的廢氣同時(shí)冷卻氣缸頭、活塞和氣門。2. 誠然，渦輪增壓的確能夠提升發(fā)動機(jī)的動力， 不過它的缺點(diǎn)也有不少，其 中最明顯的就是動力輸出反應(yīng)滯后。即由于葉輪的慣性作用對油門驟時(shí)變化反應(yīng) 遲緩，即大腳踩油門加大馬力，到葉輪轉(zhuǎn)動將更多空氣壓進(jìn)發(fā)動機(jī)獲得更大動力 之間存在一個(gè)時(shí)間差，而且

12、這個(gè)時(shí)間還不短。一般經(jīng)過改良的渦輪增壓也要至少 2秒左右來增加或者減少發(fā)動機(jī)動力輸出。如果需要突然加速的話，瞬間會有提 不上速度的感覺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，雖然各個(gè)使用渦輪增壓的廠家都在對渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行改 進(jìn)，但是由于設(shè)計(jì)原理問題，因此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。譬如說一輛 1.8T的渦輪增壓汽車，在實(shí)際的行駛 之中，加速肯定不如2.4L 的,只要過了那段等待期，1.8T的動力同樣會竄上來， 因此單單追求駕駛感覺的話，渦輪增壓引擎并不合適，如果是跑高速之類的，渦 輪增壓才顯得特別有用。如果車輛經(jīng)常在城市內(nèi)行駛，那么有必要考慮需要什么樣的渦輪增壓，因?yàn)闇u輪并

13、不是隨時(shí)都在啟動。對于那些啟動轉(zhuǎn)速高的渦輪增壓發(fā)動機(jī)， 例如斯巴魯（富士）翼豹的渦輪增壓，它的啟動是在 3500轉(zhuǎn)左右，5檔能上到3500轉(zhuǎn)速度 會破120，除非故意停留在低檔位，否則不超過 120公里的時(shí)速翼豹的渦輪增壓 根本無法啟動。這時(shí)那些低轉(zhuǎn)速啟動的渦輪增壓發(fā)動機(jī)更為合適，例如大眾的 1.4Tsi/1.8Tsi 發(fā)動機(jī)，在1750甚至1500轉(zhuǎn)的時(shí)候渦輪增就能介入，即使在 20003000換檔，也能保證換檔前后轉(zhuǎn)速保持在燃油應(yīng)用效率更高的渦輪增壓區(qū) 域。此外渦輪增壓還有維護(hù)保養(yǎng)方面的問題，例如寶來的1.8T,6萬公里左右就 要更換渦輪了，雖然次數(shù)不多，畢竟給自己的車無形之中又增加了一筆

14、維護(hù)保養(yǎng) 費(fèi)，這個(gè)對經(jīng)濟(jì)環(huán)境還不是特別好的車主來說特別值得注意。三. 渦輪增壓器的發(fā)展趨勢早在100年前就有人提出壓縮空氣提高進(jìn)氣密度的設(shè)想，1926年瑞士人Alfred J.Buchi 博士設(shè)計(jì)出了第一臺帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動機(jī)，但由于 當(dāng)時(shí)制造工藝和材料的限制，發(fā)動機(jī)不能獲得足夠的壓縮空氣壓力，經(jīng)過30多年的發(fā)展，渦輪增壓器的性能有了很大的改善，開始大量被應(yīng)用到車用發(fā)動機(jī)上。近些年來，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用和加工水平的飛速發(fā)展，尤其是前傾后彎葉片的應(yīng)用使壓氣機(jī)效率提高了 1% 10%發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)型和動力性都 得到大幅提高。目前，中，重型車輛已經(jīng)普遍選用增壓柴油機(jī)作為動力，渦輪增

15、壓技術(shù)已成為提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)型和降低廢氣、噪聲排放的最有效措施之 一,特別是為了應(yīng)對新的發(fā)動機(jī)排放法規(guī)，增壓技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，增壓技術(shù)進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期。（一）柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀由于傳統(tǒng)增壓器流量范圍窄，難以兼顧與發(fā)動機(jī)高低工況點(diǎn)的合理匹配， 增 壓器與發(fā)動機(jī)的良好匹配時(shí)保障燃油經(jīng)濟(jì)性以及柴油機(jī)具有良好排放性能的關(guān) 鍵，因此近幾年來采用各種不同設(shè)計(jì)概念的新型渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng) 用。1. 相繼增壓系統(tǒng)相繼增壓系統(tǒng)的基本工作原理是采用多個(gè)小型渦輪增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提高，按次序地投入運(yùn)行，改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)由于排氣能量 減少而是用渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不

16、足，從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。 在標(biāo)定工況，柴油機(jī)的每臺增壓器都在高效率工作， 燃油消耗率低；在部分工況， 減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量，使得投入使用的在一起仍然在高效率區(qū)附近工 作，最大限度地增加了氣缸的進(jìn)氣量，從而改善了柴油機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性。MTI公司首先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于該公司的 956/1163雙系列船用柴油機(jī) 上。目前，相繼增壓技術(shù)也應(yīng)用到卡車的發(fā)動機(jī)（沃爾沃）、跑車的發(fā)動機(jī)（保 時(shí)捷）和轎車發(fā)動機(jī)（奧迪）等車上。2. 可變截面渦輪增壓系統(tǒng)可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面，來提高發(fā)動機(jī)低工況時(shí)的過量空氣系數(shù)。 燃?xì)馔ㄟ^渦輪噴嘴葉片

17、時(shí)， 根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參 數(shù)發(fā)生變化，從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配?？勺兘孛鏈u輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是渦 輪增壓器的成本較高，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要專門的控制機(jī)構(gòu)。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面渦輪增壓器，而且為了達(dá)到嚴(yán)格的排放 法規(guī)，在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 歐美采用可變截面渦輪增壓器已成 主流。3低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)的原理是當(dāng)柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，增壓空氣繞過氣缸直 接進(jìn)入渦輪前的排氣管，從而增大氣體流量，提高發(fā)動機(jī)的增壓壓力，以避免發(fā) 動機(jī)低

18、工況的喘振，改善發(fā)動機(jī)低速工況性能。如果利用廢氣余熱對旁通的空氣 加熱，效果會更好。MTI公司396柴油機(jī)就采用了進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)來改善低速工況性能，但該系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)部分較為復(fù)雜，因此主要應(yīng)用于大功率高增壓柴油機(jī)。4.廢氣旁通增壓系統(tǒng)廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)匹配點(diǎn)，對無法兼顧的高負(fù)荷 區(qū)，通過打開渦輪上與大氣連通的一個(gè)可調(diào)節(jié)閥， 釋放多余廢棄能量。這種增壓 器的好處是通過設(shè)計(jì)較小的渦輪殼截面，迅速建立起低速壓力，改善低速時(shí)的動 力性、經(jīng)濟(jì)型排放指標(biāo)及瞬態(tài)響應(yīng)性，將柴油機(jī)在高速區(qū)所需要的進(jìn)氣壓力由旁 通閥調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，解決了因較小的渦輪殼截面導(dǎo)致的告訴高負(fù)荷區(qū)過高的增 壓壓力而造

19、成柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力大幅升高、可靠性降低、性能指標(biāo)惡化等問題。 帶廢氣旁通閥的增壓器目前在車用柴油機(jī)上應(yīng)用較為普遍， 不足之處是由于釋放 了一部分廢氣，造成了能量損失，因此柴油機(jī)高工況的燃油消耗有一定增加。此外，還有超高增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)以及諧振符合增壓系統(tǒng)等 多種型式的增壓系統(tǒng)。他們正在逐步得到發(fā)展和應(yīng)用，使增壓發(fā)動機(jī)的性能不斷 有新的提高。四. 渦輪增壓器的改進(jìn)措施（一）現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)方面在渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方法上，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓氣機(jī)和渦輪的空氣動力學(xué)計(jì) 算、流場分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在國外已展開多年。一些發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)60年代 中后期就已開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行徑渦輪的空氣動力學(xué)與三元流場分析，隨后又利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離心式壓氣機(jī)的空氣動力學(xué)計(jì)算、三元流場分析、葉輪及葉型設(shè)計(jì) 和強(qiáng)度分析等。目前，國外主要增壓器生產(chǎn)廠家都已擁有先進(jìn)的CAD/CAM口 CAT系統(tǒng)，并采用有限元法和先進(jìn)的激光測試技術(shù)來進(jìn)行 3-D粘性流動的建模和驗(yàn)證 分析。增壓器的加工制造技術(shù)近年來也發(fā)展很快，國外于20世紀(jì)70年代末成功地 將“硅橡膠”技術(shù)用于鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪；到 20世紀(jì)80年代初期，世界 各大增壓器公司相繼推出了帶后彎壓氣機(jī)葉輪的新型增壓器。 KK