淺談渦輪增壓器和存在的技術(shù)問(wèn)題

1、淺 談 渦 輪 增 壓 器 和 存 在 的 技 術(shù) 問(wèn) 題摘要:隨著生活水品的逐漸提高,越來(lái)越多的普通家庭已經(jīng)擁有了屬于自己的汽車(chē)。汽車(chē)作 為一大產(chǎn)業(yè),對(duì)環(huán)境的影響是不可忽視的。為了滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),汽車(chē)企業(yè)需要不斷 地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。渦輪增壓器是為柴油、汽油動(dòng)力裝置配套的環(huán)保、節(jié)能型高科技產(chǎn)品,它能夠 很好地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況,從而滿足高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。雖然渦輪增壓器已經(jīng)廣泛使用于當(dāng)現(xiàn)生活,但是還有大部分的人對(duì)渦輪增壓器不太了解。本 課題主要詳細(xì)敘述渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、使用要點(diǎn),以及渦輪增壓器在實(shí)際生 活使用中出現(xiàn)的一些技術(shù)問(wèn)題和問(wèn)題的改進(jìn)方法。 旨更多的人能簡(jiǎn)單了解

2、這種生活中常能見(jiàn)到的 先進(jìn)機(jī)械的基本情況。關(guān)鍵詞:渦輪增壓器,葉輪,爆燃傳感器,全浮式軸承,使用要點(diǎn)正文:渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī), 通過(guò)壓縮空氣來(lái)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(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪, 渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪, 葉輪壓送 由空氣濾清器管道送來(lái)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī) 的輸出功率了。一、結(jié)構(gòu)原理先簡(jiǎn)述一下渦輪增壓器的大概結(jié)構(gòu)原理,廢氣渦輪增壓器主要由泵輪和渦輪組

3、成,當(dāng)然還有其他一些控制元件。泵輪和渦輪由一根軸相連,也就是轉(zhuǎn)子,發(fā)動(dòng)機(jī)排 出的廢氣驅(qū)動(dòng)泵輪, 泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn), 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。 增壓器安裝在 發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣一側(cè), 所以增壓器的工作溫度很高, 而且增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非 常高, 可達(dá)到每分鐘十幾萬(wàn)轉(zhuǎn), 如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見(jiàn)的機(jī)械滾針或滾珠軸承 無(wú)法為轉(zhuǎn)子工作, 因此渦輪增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承, 由機(jī)油來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑, 還有冷 卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。 以前, 渦輪增壓器大都用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上, 現(xiàn)在一些汽油發(fā) 動(dòng)機(jī)也采用渦輪增壓器。 因?yàn)槠秃筒裼偷娜紵绞讲灰粯? 因此發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增 壓器的形式也有所區(qū)別。 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同

4、于柴油發(fā)動(dòng)機(jī), 它進(jìn)入氣缸的不是空氣, 而 是汽油與空氣的混合氣, 壓力過(guò)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(gè)相關(guān)問(wèn)題,一個(gè)是高溫控制,另一個(gè)是點(diǎn)火時(shí)間控制。強(qiáng)制性增壓后, 汽油機(jī)壓縮和燃燒時(shí)的溫度和壓力都會(huì)增加, 爆燃傾向增加。 另 外,汽油機(jī)排氣溫度比柴油機(jī)高,而且不宜采用增大氣門(mén)重疊角(進(jìn)、氣排門(mén)同時(shí)開(kāi) 啟的時(shí)間方式來(lái)加強(qiáng)排氣的降溫,降低壓縮比又會(huì)造成燃燒不充分。還有,汽油機(jī) 的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)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(duì)汽油機(jī) 使用渦輪增壓器出現(xiàn)的一系列問(wèn)題, 工程師有針對(duì)性地一一做了改進(jìn), 使汽油機(jī)也能 用上廢氣渦輪增壓器。二

5、、主要結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的主要結(jié)構(gòu)可分成中冷器,葉輪,爆燃傳感器和其他部分。(1中冷器:溫度增高,這樣不僅影響充氣效率,還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝 置降低進(jìn)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(jìn)氣管之間, 對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)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(guò)冷卻而逸散到大氣中去。 據(jù)測(cè)試, 性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動(dòng)機(jī) 壓縮比能保持一定值而不會(huì)產(chǎn)生爆燃, 同時(shí)降低溫度也可提高進(jìn)氣壓力, 進(jìn)一步提高 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。(2葉輪:由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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

6、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 接影響到到渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 葉輪形狀角度越合理, 質(zhì)量越輕, 葉輪的啟動(dòng)就 越靈敏,渦輪增壓器的天生缺陷“反應(yīng)滯后”也就越小。(3爆燃傳感器:除了降低溫度來(lái)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(shí), 傳感器感到不正常的振動(dòng)會(huì)立即將信息反饋至發(fā)動(dòng)機(jī) ECU (電子控制單元控制系統(tǒng),將點(diǎn)火定時(shí)稍推遲一點(diǎn),不產(chǎn)生爆燃的時(shí)候再恢復(fù) 正常點(diǎn)火定時(shí)。(4其他部分:渦輪增壓器的關(guān)鍵零件是軸承。這種根據(jù)潤(rùn)滑形式命名的軸承 被稱為“全浮式軸承” ,工作轉(zhuǎn)速極高,工

7、作環(huán)境惡劣。因此,保證潤(rùn)滑是非常重要 的事情。如果因油壓低導(dǎo)致機(jī)油供給緩慢,就會(huì)損壞軸承從而導(dǎo)致渦輪增壓器失效。 在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是不會(huì)發(fā)生此類(lèi)故障的, 但如果發(fā)動(dòng)機(jī)更換機(jī)油和機(jī)油過(guò)濾器后 第一次啟動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生機(jī)油供給緩慢現(xiàn)象,使軸承缺乏機(jī)油潤(rùn)滑。在這種情況下,啟 動(dòng)后要怠速運(yùn)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(dòng)轉(zhuǎn)速。 同樣, 在 高速及上坡后也不要使發(fā)動(dòng)機(jī)立即停止, 要使發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)怠速運(yùn)行 1分鐘左右, 使仍 繼續(xù)空轉(zhuǎn)的渦輪增壓器軸承不會(huì)缺油。 因此, 使用渦輪增壓器汽車(chē)的司機(jī), 一定要遵 循廠家的指示操作, 還要十分注意機(jī)油的質(zhì)量, 不宜將渦輪增壓器汽車(chē)視同一般汽車(chē) 進(jìn)行

8、操作。轎車(chē)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)。三、渦輪增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積增加很少的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)不需要作重大改變很容易提 高功率 20%50%.由于不像機(jī)械增壓時(shí)增壓比受到限制,故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì)越來(lái) 越明顯。高增壓時(shí)功率提高甚至可大于 100%。(2由于廢氣能量的收回發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯的提高,一般由于廢氣能量的回 收能提高經(jīng)濟(jì)性 3%4%,再加上相對(duì)地減少了機(jī)械損失及散熱損失,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和熱效率,使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后油耗率降低 5%10%。(3渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度的變化有較高的適應(yīng)力,在高

9、原地區(qū)工作時(shí)比 非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降要減少的多, 故渦輪增壓除了用來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率外, 還可用 作高原發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)功率。(4渦輪增壓后排氣噪聲相對(duì)減少,排氣煙度及排氣中有害成分也減少,故對(duì) 減少污染是有利的。缺點(diǎn)(1至今為止渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性已接近非增壓或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī),但仍 有差異。(2與機(jī)械增壓相比,渦輪增壓時(shí)熱負(fù)荷問(wèn)題較嚴(yán)重。(3對(duì)大氣溫度及排氣背壓比較敏感,故經(jīng)常在高背壓下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)不宜采 用渦輪增壓。四、使用中的一些問(wèn)題及改進(jìn)方法(1渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率車(chē)用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)一樣, 必須有低轉(zhuǎn)速大扭矩特性, 要有一個(gè)較大的速度 系數(shù)或一個(gè)較大的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)。 扭矩特性交叉的

10、原因是隨著轉(zhuǎn)速的增加, 負(fù)荷的提 高,排氣溫度也相應(yīng)升高,增壓器轉(zhuǎn)速提高,增壓壓力上升,相應(yīng)扭矩增大。這種匹 配情況,不僅容易發(fā)生高速爆震,而且扭矩特性也不符合車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。目前改善增壓汽油機(jī)特性的措施一般有下列方法 :(a 采用放氣。在增壓器上裝放氣閥。(b 壓氣機(jī)進(jìn)口節(jié)流, 在壓氣機(jī)進(jìn)氣處放置一個(gè)節(jié)流閥, 使進(jìn)口壓力適當(dāng)減少, 相應(yīng)壓氣機(jī)出口壓力也降低。當(dāng)小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速時(shí),希望有較大的扭矩,此時(shí),正值流 量小,所以節(jié)流效果弱,增壓壓力沒(méi)受多大的影響。當(dāng)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí),扭矩不希望 很大,而這時(shí)流量較大,節(jié)流效節(jié)流效果較強(qiáng),因而增壓壓力得到控制。(c 采用可變噴嘴環(huán)截面積。(d 采用具有共振

11、系統(tǒng)的復(fù)合增壓。(2渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速問(wèn)題渦輪增壓系統(tǒng)在汽油機(jī)工況突變時(shí), 不能隨工況變化供應(yīng)的增壓空氣流量和增壓 壓力,而要滯后一段時(shí)間才能適應(yīng),滯后時(shí)間越長(zhǎng),汽油機(jī)的加速性也越差。汽油機(jī) 的增壓滯后問(wèn)題更顯得突出,因?yàn)槠蜋C(jī)本身的慣性小,靈活性強(qiáng),轉(zhuǎn)速范圍寬廣, 所以對(duì)增壓器的反應(yīng)要求更高。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有 :(a 減小進(jìn)排氣道的容積。過(guò)大的進(jìn)排氣系統(tǒng)的容積,特別是進(jìn)氣系統(tǒng)的容積 是造成增壓器反應(yīng)遲緩的重要原因, 因此任何有利于減少進(jìn)排氣系統(tǒng)容積的設(shè)計(jì)都有 利于縮短滯后期。(b 縮小渦輪增壓器的尺寸。小尺寸的渦輪增壓器具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,對(duì)于提高加速性的作用很大, 為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,

12、在條件具備的情況下, 寧可使用兩個(gè)小增 壓器而不用一個(gè)大增壓器。 如果大增壓器的葉輪比小增壓器的葉輪重 1.5倍, 半徑大 1.3倍,則大增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性就要比小增壓器大 2.535倍,也就是說(shuō),小增壓器的 滯后時(shí)間就可以縮短兩倍多。(c 排氣管尺寸的影響。排氣管應(yīng)該短,管子直徑應(yīng)該小,也就是排氣管的容 積較小, 并且應(yīng)能很好地將各缸的壓力脈沖不相干擾地引入渦輪。 排氣系統(tǒng)的阻力應(yīng) 盡可能地小。 排氣管短而直以及具有一定尺寸的圓錐形擴(kuò)壓器均能減少排氣系統(tǒng)的阻 力,使低速扭矩特性滿足于所希望的扭矩曲線,隨著轉(zhuǎn)速提高,扭矩能夠迅速提高, 保證了汽油機(jī)具有滿意加速性能。五、使用注意事項(xiàng)(1勿著車(chē)就走

13、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后, 特別是在冬季, 應(yīng)讓其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間, 以便在增壓器轉(zhuǎn)子高 速運(yùn)轉(zhuǎn)之前讓潤(rùn)滑油充分潤(rùn)滑軸承。 所以剛啟動(dòng)后千萬(wàn)不能猛轟油門(mén), 以防損壞增壓 器油封。(2勿立即熄火發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)后, 不能立即熄火。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí), 有一部分機(jī)油供給渦 輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承潤(rùn)滑和用于冷卻的。 正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)突然停機(jī)后, 機(jī)油壓力迅速 下降為零, 增壓器渦輪部分的高溫傳到中間, 軸承支承殼內(nèi)的熱量不能迅速帶走, 而 同時(shí)增壓器轉(zhuǎn)子仍在慣性作用下高速旋轉(zhuǎn),因此,發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)狀態(tài)下如果突然停機(jī), 會(huì)引起渦輪增壓器內(nèi)滯留的機(jī)油過(guò)熱而損壞軸承和軸。 所以發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷、 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn) 行后,在熄火前應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)

14、 3-5min ,讓增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速降下來(lái)以后再熄火。特別 要防止猛轟幾腳油門(mén)后突然熄火。(3保持清潔拆卸增壓器時(shí), 要保持清潔, 各管接頭一定要用清潔的布堵塞好, 防止雜物掉進(jìn) 增壓器內(nèi),損壞轉(zhuǎn)子。維修時(shí)應(yīng)注意不要碰撞損壞葉輪,如果需要更換葉輪,應(yīng)對(duì)其 做動(dòng)平衡試驗(yàn)。重新裝復(fù)完畢后,要取出堵塞物。(4要進(jìn)行清洗由于增壓器經(jīng)常處于高溫下運(yùn)轉(zhuǎn), 它的潤(rùn)滑油管線因受高溫作用, 內(nèi)部機(jī)油容易 有部分的結(jié)焦, 這樣會(huì)造成增壓器軸承的潤(rùn)滑不足而損壞。 因此, 潤(rùn)滑油管線在運(yùn)行 一段時(shí)間后要進(jìn)行清洗。(5注意檢修在出車(chē)前、收車(chē)后,應(yīng)檢查氣道各管的連接情況,防止松動(dòng)、脫落而造成增壓器 失效和空氣短路進(jìn)入氣缸

15、。 由此可見(jiàn), 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)增壓后, 零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)化, 從使用、保養(yǎng)方面講,必須加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制保養(yǎng)工作,注意采用正確的操縱方法。 所以發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,在熄火前應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn) 3-5min ,讓增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速降下來(lái)以后再熄火。 特別要防止猛轟幾腳油門(mén)后突然熄火, 這就是熄火延時(shí)裝置 的作用!在最近 30年時(shí)間里,渦輪增壓器已經(jīng)普及到許多類(lèi)型的汽車(chē)上,它彌補(bǔ)了 一些自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的先天不足, 使發(fā)動(dòng)機(jī)在不改變排氣量的情況下可以提高輸出 功率 10%。六、渦輪增壓器的發(fā)展前景盡管渦輪增壓是基于 50多年前的技術(shù), 但它正是 21世紀(jì)汽車(chē)制造商尋求的用來(lái) 滿足日益嚴(yán)格的排放要求的技

16、術(shù)。 隨著世界各國(guó)包括中國(guó)政府對(duì)汽車(chē)排放越來(lái)越嚴(yán)格 的限制,渦輪增壓器以其獨(dú)特的技術(shù)性能,將迎來(lái)前所未有的市場(chǎng)發(fā)展機(jī)遇。在生產(chǎn)和使用中也不斷產(chǎn)生了一些新理念。新型的廢氣渦輪增壓器以提高可靠 性、 可維修性和經(jīng)濟(jì)性為重點(diǎn), 采用整體集成設(shè)計(jì)結(jié)合先進(jìn)的材料使增壓器提高了效 率,減少了系統(tǒng)的零部件,簡(jiǎn)化了在機(jī)器上的安裝,延長(zhǎng)了大修間隔期,減少了維修 工作量及維修工時(shí), 保證在整個(gè)壽命周期更低的運(yùn)行成本。 渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增 壓柴油機(jī)未來(lái)發(fā)展的要求密相切相關(guān), 其主要服從于未來(lái)的排放法規(guī)要求和進(jìn)一步降 低燃油消耗, 渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率; 渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率; 壓 系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的

17、匹配上有可能采用電子控制系統(tǒng), 使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)全 工況內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳匹配 ; 對(duì)車(chē)用渦輪增壓器將要求尺寸更小, 質(zhì)量更輕, 效率更高, 同 時(shí)要求增壓器有良好的可靠性,并可按機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。新工藝、 新材料也是研究渦輪增壓器的重要方向。 渦輪增壓器制造工藝的發(fā)展主 要得益于 CAD/CAM、 CFD 技術(shù)的發(fā)展與新設(shè)備的應(yīng)用。目前采用準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) 離心式壓氣機(jī)與徑流渦輪已經(jīng)很普遍。 三元流方法可以更準(zhǔn)確、 更全面地描述葉輪內(nèi) 部流場(chǎng), 利用它對(duì)各種損失模型與葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的深入研究已經(jīng)取得很大成績(jī), 現(xiàn)已 成為渦輪增壓器葉輪設(shè)計(jì)的基本方法。 近年也開(kāi)始進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、 三元流場(chǎng)分 析、葉輪及葉型設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及性能預(yù)測(cè)等等?，F(xiàn)在渦輪增壓技術(shù)的工藝、材料的 發(fā)展集中體現(xiàn)在對(duì)渦輪增壓器零部件的改進(jìn)和創(chuàng)新。 當(dāng)前, 金屬渦輪增壓器已廣泛應(yīng) 用在汽車(chē)和國(guó)外摩托車(chē)上, 而陶瓷渦輪增壓器及陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)代表了該技術(shù)的重要發(fā)展 方向。結(jié)論經(jīng)過(guò)一個(gè)月的時(shí)間里, 完成了此次課題。 期間努力地查找需要的資料, 付出了不 少的時(shí)間和精力, 但是通過(guò)此次課題我也學(xué)習(xí)到了很多課本上學(xué)習(xí)不到的知識(shí), 也鞏 固了在校期間學(xué)習(xí)的有關(guān)知識(shí),是我再一次形象的解所了在課本上學(xué)習(xí)的一些知識(shí)。 在尋找資料的過(guò)程