第十章 內(nèi)燃機(jī)的增壓

1、工程機(jī)械發(fā)動機(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

2、稱為超級增壓器(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，兩者就分 別被簡化為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 增壓器需消耗發(fā)動機(jī)功率，燃油消耗率略高。 機(jī)械增壓器壓縮機(jī)的驅(qū)動力來自引擎曲軸 ，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)過許多種類，包括 葉片(Vane)

3、、羅茨(Roots)、溫克爾(Wankle) 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，其中 一個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動的皮帶輪連接，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，動力輸出隨之增強(qiáng)，因此機(jī)械增壓 引擎的操作感覺與自然氣極為相似，卻能擁有 較大的馬力與扭矩。 第三節(jié) 渦

4、輪增壓 渦輪增壓的原理是利用引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所排出來的 廢氣,用廢氣來轉(zhuǎn)動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)它帶動另一側(cè)的 Compressor,使Compressor轉(zhuǎn)子引進(jìn)外來的新鮮空氣 ,經(jīng)過壓縮倒入進(jìn)氣歧管內(nèi),因此Turbo車的進(jìn)氣是非 自然方式,是經(jīng)過吸進(jìn)來,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)動機(jī)進(jìn) 氣量，從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩，讓車子 更有勁。一臺發(fā)動機(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的發(fā)動機(jī) 在經(jīng)過增

5、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)動機(jī)來說，經(jīng)過增 壓之后，動力可以達(dá)到2.4L發(fā)動機(jī)的水平，但 是耗油量卻比1.8發(fā)動機(jī)并不高多少，在另外一 個(gè)層面上來說就是提高燃油經(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 通過兩個(gè)浮動軸承9 支承在中間體14內(nèi)。 中間體內(nèi)有潤滑和冷 卻軸承的油道，還有 防止?jié)櫥吐┤雺簹?機(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

6、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。空氣從旋轉(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能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋?擴(kuò)壓管分葉片式和無葉片式兩 種，右圖為葉片式，而無葉片式擴(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 單，工況變化對壓氣機(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

7、氣機(jī) 出口，空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓，完成由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿?過程。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。排氣流過噴管時(shí)降壓、 降溫、增速、膨脹，使排氣 的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽堋膰姽芨咚倭鞒龅膹U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，推動葉輪高速旋轉(zhuǎn)。 渦輪機(jī)的噴管也有葉片式和無葉片式之分?，F(xiàn)代徑流式渦輪 機(jī)多采用無葉式噴管。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

8、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)閯幽艿淖饔谩?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。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。 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)10萬20萬轉(zhuǎn)/分，因此，必須經(jīng)過動 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

9、機(jī)增壓器軸承采用浮動軸承，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。 增壓器工作時(shí)產(chǎn)生軸向推力，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?的膜片將其分成左室右室。右室通過連通管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)過連動桿2迫使排氣旁通閥打開，控制增壓壓力 不超過限定值。 進(jìn)氣旁通閥是在發(fā)動 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)

10、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、渦輪增壓器的潤滑與冷卻 來自發(fā)動機(jī)潤滑系統(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 渦

11、輪增壓器進(jìn)行冷卻，則當(dāng) 發(fā)動機(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 之而來的高溫排除或增壓過度的泄壓就是關(guān)鍵 。目前常用的就是機(jī)油導(dǎo)入來潤滑與冷卻軸承 ,也有用水冷式的。 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，其最明顯的就是動力輸出反應(yīng)滯 后。同時(shí)安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來的感覺 是和大排量的汽車有一定差異的。 還有在經(jīng)過了增壓之后，發(fā)動機(jī)在工作時(shí)候的 壓力和溫度都大大升高，因此發(fā)動機(jī)壽命會比同樣 排量沒有經(jīng)過增壓的發(fā)動機(jī)要短，而且機(jī)械性能、 潤滑性能都會受到影響，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)，功率對壓力的增長率較 低，這是因?yàn)樵鰤汉蟮目諝鉁囟壬?，一則發(fā) 動機(jī)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度下降，輸出功率降 低；二則還會引起發(fā)動機(jī)爆燃。因此，對增壓 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，對提高發(fā)動機(jī)功率、降 低燃油消耗率、降低發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷和減輕發(fā)動 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