第七章發(fā)動機增壓

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

用來壓縮空氣或其它氣體的設備稱為壓氣機

一、羅茨式壓氣機

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

三葉螺旋型羅茨式壓氣機

轉子式壓氣機是一種較早應用于發(fā)動機增壓的壓氣機,其優(yōu)點是結構比較簡單，使用壽命長，平衡性好，增壓壓力隨轉于轉速變化的規(guī)律比較理想，適應發(fā)動機變工況工作的要求。缺點:重量較大噪音較高。羅茨式壓氣機增壓、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帶輪1中，傳動帶輪1與主動板2固連接在一起，從動摩擦片6與花鍵套5固連接在一起。電控單元根據(jù)發(fā)動機工況的需要，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，電磁線圈3通電，主動板2吸引從動摩擦片6，使離合器處于接合狀態(tài)，增壓器工作。切斷電源時，電磁線圈斷電，主動板與從動摩擦片分開，增壓器停止轉動?？諝鉃V清器1空氣流量計2節(jié)氣門傳感器3怠速空氣控制閥4進氣旁通閥5機械增壓器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13三效催化轉換器14分電器15點火線圈16電控單元17機械增壓器6為羅茨式壓氣機，由曲軸帶輪12經(jīng)傳動帶和電磁離合器帶輪11驅動。當發(fā)動機在小負荷下工作時，電控單元ECU根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器3的信號使電磁離合器11斷電，增壓器停止工作。與此同時，使進氣旁通閥5通電而開啟，即在不增壓的前提下，空氣經(jīng)旁通閥5以及旁通管路進入氣缸。

機械傳動式增壓器要消耗發(fā)動機的部分功率，例如，要使增壓壓力達到0.15～0.2MPa，增壓器要消耗發(fā)動機有效功率的12～20%左右，相應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)動機的廢氣能量驅動渦輪來帶動離心式壓氣機。渦輪增壓器與其它增壓方式相比有其突出的優(yōu)點，這在于渦輪增壓系統(tǒng)中渦輪與發(fā)動機無機械上的聯(lián)系，不消耗發(fā)動機的功率，而是利用發(fā)動機排出的廢氣工作，實際上是回收了一部分廢氣能量，增壓后每個工作循環(huán)進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)動機的輸出功率，并降低燃油消耗，改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。

第三節(jié)渦輪增壓渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發(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，葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪壓縮更多的空氣進入氣缸?？諝獾膲毫兔芏仍龃罂梢匀紵嗟娜剂希鄳黾尤剂狭亢驼{(diào)整一下發(fā)動機的轉速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率。渦輪增壓工作原理廢氣渦輪增壓方式1.串聯(lián)前復合增壓進氣管發(fā)動機排氣排氣輸出軸吸氣2.串聯(lián)后復合增壓進氣管發(fā)動機排氣排氣輸出軸吸氣3.并聯(lián)復合增壓進氣管發(fā)動機排氣排氣輸出軸吸氣只有一個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，每組三個氣缸的排氣驅動一個渦輪增壓器一、渦輪增壓器的結構及工作原理※渦輪增壓器是增壓發(fā)動機的關鍵部件?！蓽u輪殼、中間體、壓氣機三大部分組成?！鶞u輪機與發(fā)動機的排氣管相接，壓氣機與發(fā)動機的進氣管相接，中間體與發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)相接。壓氣機蝸殼擴壓管壓氣機葉輪密封套增壓器軸進氣道推力軸承擋油板浮動軸承渦輪機葉輪出氣道隔熱板渦輪機蝸殼中間體10ZJ型徑流式渦輪增壓器主要供135型柴油機和146型柴油機增壓之用

壓氣機：由壓氣機葉輪3、壓氣機殼1、擴壓器后板14、無葉擴壓器2（由壓氣機殼與擴壓器后板形成的縫隙構成）、進氣道6組成。由增壓器軸5帶動旋轉。

1.離心式壓氣機壓氣機葉輪的作用是把渦輪的熱膨脹功轉變?yōu)榭諝獾膭幽芎蛪毫δ?，再?jīng)過無葉擴壓器和壓氣機殼的擴壓作用，把空氣的動能轉變?yōu)閴毫δ?，使空氣壓力進一步提高后進入發(fā)動機的進氣管。空氣沿進氣道進入工作輪隨工作輪一起旋轉，受到離心力的作用沿著工作輪上葉片所構成的通道流動，使空氣受到壓縮，這時壓力從P1增加到P2，氣流速度從c1增加到c2，驅動工作輪的機械功轉化為空氣在工作輪中獲得的動能，和以壓力形式表現(xiàn)的勢能。工作輪出口處的動能一般為氣流總能量的一半，因此，在工作輪后裝有擴壓器，使其轉換為壓力能。當氣流在擴壓器中流動時，由于流通面不斷擴大，氣流的速度從c2下降到c3，壓力從P2升高到P3。此時產(chǎn)生的損失是壓氣機損失中的主要部分。自擴壓器周圍出來的空氣進入蝸形管，由此進入發(fā)動機的進氣管，根據(jù)增壓器在發(fā)動機上的配置位置不同，蝸形管可以有一個或數(shù)個出口管。工作輪是壓氣機的主要零件，在工作中使空氣受到壓縮并獲得動能。工作輪一般用鋁臺金制造，以大大減少作用在工作輪上的離心力。在現(xiàn)代增壓器中，離心力可達很高的數(shù)值，有時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。壓氣機性能的主要參數(shù)是：單位時間內(nèi)壓氣機提供給內(nèi)燃機的空氣量，稱為流量，并有兩種表示方法?！莘e流量為單位時間內(nèi)所提供的空氣容積

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

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

離心式壓氣機屬于葉片機械，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力作用為基礎，與容積式壓氣機相比離心式壓氣機的優(yōu)點是：◆消耗同樣的功率時，比容積式壓氣機的效率高，并能得到較高的增壓壓力，一般能達到0.147～0.196MPa以上；◆結構簡單緊湊，重量輕，金屬消耗量少。目前離心式壓氣機在內(nèi)燃機增壓方面獲得廣泛的應用?！綦x心式壓氣機的缺點是隨著轉速的降低，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)形縫隙通道構成）組成。它是驅動壓氣機葉輪旋轉的原動機，發(fā)動機排出的廢氣進入渦輪殼，再經(jīng)由噴嘴環(huán)以一定的速度和方向進入渦輪，廢氣在渦輪中絕熱膨脹作功，由渦輪軸輸出帶動壓氣機葉輪高速旋轉。2.徑流式渦輪機噴管是由相鄰葉片之間構成的減縮形流道。排氣流過噴管時降壓、降溫、增速、膨脹，排氣的壓力能轉變?yōu)閯幽埽瑥膰姽芨咚倭鞒龅膹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。(1)噴管其上裝有許多導向葉片，構成漸縮形通道。廢氣從這里被引入工作輪。其材質采用耐高溫、抗腐蝕的合金鋼。

(2)葉輪它是把從噴管出口噴出的高速廢氣的動能和壓力能轉變?yōu)闄C械功的場所。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)動機與增壓器連接起來，將廢氣經(jīng)過整理引導到噴嘴環(huán)的方向，并按噴嘴環(huán)進口形狀均勻地進入噴嘴環(huán)，以減少流動損失．充分利用廢氣能量。渦輪機葉輪工作溫度經(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械加工成形。渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造，內(nèi)表面應光潔。寶馬新開發(fā)的渦輪發(fā)動機為3.0L排量直噴雙渦輪類型，每3個氣缸配備1個渦輪增加壓。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)動機相比，輸出功率及扭矩分別增加了15％和30％。另外，通過采用直噴設計，與采用進氣孔噴射的渦輪發(fā)動機相比，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)動機為3.0L排量直噴雙渦輪類型，每3個氣缸配備1個渦輪增加壓。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)動機相比，輸出功率及扭矩分別增加了15％和30％。另外，通過采用直噴設計，與采用進氣孔噴射的渦輪發(fā)動機相比，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，活塞頂部設計有凹陷燃氣離開工作輪時還具有一定的速度

c2

，也就是還有一部分動能未能在渦輪中得到利用，這部分動能損失稱為余速損失。在噴嘴環(huán)中因斷面是漸縮的，使部分壓力能轉變?yōu)闅怏w的動能，壓力降低到p1，溫度下降到了T1，流動速度增加到c1。廢氣從噴嘴環(huán)噴出，以相對速度ω1和一定角度進入工作輪，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，相對速度增加到ω2，由于廢氣在噴嘴中膨脹得到的動能大部分傳給了工作輪，所以絕對速度迅速下降到c2，c2

＜＜c1

。轉子總成:渦輪增壓器的轉子總成由渦輪10與軸5、密封套4、壓氣機葉輪3、鎖緊螺母等組成。轉子以超過10×104r／min，最高可達20×104r／min的高轉速旋轉，因此它是渦輪增壓器中有動平衡要求的部件。3.轉子總成軸承機構：渦輪增壓器轉子上裝有浮動軸承，它的內(nèi)孔與軸、外圓與中間體內(nèi)孔具有規(guī)定的間隙，形成雙層油膜潤滑，使轉子在高速旋轉時自動定心和增強冷卻效果，浮動軸承承受轉子的徑向載荷。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子是軸向串動量，止推軸承承受轉子的軸向載荷。4.軸承機構增壓器軸承的結構是車用渦輪增壓器可靠性的關鍵之一。浮動軸承潤滑油道潤滑油入口推力軸承現(xiàn)代車用渦輪增壓器采用的浮動軸承實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。進油孔5布油槽7布油槽7進油孔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)中部設有進氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力。控制膜盒連動桿排氣旁通閥排氣管渦輪機葉輪壓氣機蝸殼增壓器軸中間體壓氣機葉輪連通管與壓氣機出口相同渦輪機蝸殼三、增壓器的潤滑與冷卻中間體：中間體是渦輪增壓器的支承機構,用圓柱頭內(nèi)六角螺栓把擴壓器后板固定在中間體上，用螺栓把壓氣機殼固定在擴壓器后板上，轉子的徑向載荷和軸向載荷分別經(jīng)浮動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滑冷卻裝置。它的進油口接至發(fā)動機潤滑系的主油道?；赜涂诮又劣偷讱?。潤滑油冷卻水潤滑油冷卻水四、中冷器的作用：降低發(fā)動機的進氣溫度

（１）發(fā)動機排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導會提高進氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會升高，這必然也會導致空氣溫度的升高，從而影響發(fā)動機的充氣效率。如果想要進一步提高充氣效率，就要降低進氣溫度。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)動機功率就能提高３％～５％。

（２）如果未經(jīng)冷卻的增壓空氣進入燃燒室，除了會影響發(fā)動機的充氣效率外，還很容易導致發(fā)動機燃燒溫度過高，造成爆震等故障，而且會增加發(fā)動機廢氣中的ＮＯｘ的含量，造成空氣污染。

風冷式：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)動機都使用了風