第11章 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓

如果汽車有生命，發(fā)動(dòng)機(jī)就是她的“心臟”，是她的動(dòng)力之源。人的心臟差別較小，但汽車則不同，汽車心臟不僅大小不一，而且構(gòu)造也有差別，導(dǎo)致力量和性格千差萬別，甚至排出的廢氣都不一個(gè)味兒。第11章汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓概述第二節(jié)渦輪增壓第三節(jié)機(jī)械增壓第四節(jié)氣波增壓第五節(jié)復(fù)合增壓補(bǔ)充：FSI、TFSI、TSI第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓概述增壓：將空氣預(yù)先壓縮然后再供入氣缸，以期提高空氣密度、增加進(jìn)氣量的一項(xiàng)技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：由于進(jìn)氣量增加，可相應(yīng)地增加循環(huán)供油量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率；改善燃油經(jīng)濟(jì)性。類型：渦輪增壓機(jī)械增壓氣波增壓汽、柴油機(jī)的增壓情況幾種常見的增壓車型汽、柴油機(jī)的增壓情況1880年，德國研究發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)，一戰(zhàn)期間應(yīng)用于飛機(jī)上，采用機(jī)械式增壓器，航空發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化。1905年，瑞典人AlfredBuchi博士申請了第一款渦輪增壓器的專利——?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)的軸向增壓器。瑞典（Saab）薩博公司是第一家把渦輪增壓器應(yīng)用到汽車產(chǎn)品上的汽車制造商。隨著材料科學(xué)及制造技術(shù)的進(jìn)步，柴油機(jī)的渦輪增壓技術(shù)在20世紀(jì)中葉開始大規(guī)模應(yīng)用，并逐步推廣到汽油機(jī)。目前絕大部分的大功率柴油機(jī)、半數(shù)以上的車用柴油機(jī)以及相當(dāng)比例的高性能汽油機(jī)均采用了增壓技術(shù)。一般而言，增壓后的功率可比原機(jī)提高40％~60％甚至更多，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力最高可達(dá)到3MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也有所提高，增壓已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化最有效的手段之一。TDI(TurboDirectInjection)渦輪增壓直接噴射奧迪V6增壓發(fā)動(dòng)機(jī)奔馳C級車尾，KOMPRESSOR為機(jī)械增壓德文翻譯compressor寶馬——3.0LN55渦輪增壓DOHC直6發(fā)動(dòng)機(jī)寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)奧迪V6增壓發(fā)動(dòng)機(jī)第二節(jié)機(jī)械增壓增壓器：由轉(zhuǎn)子、殼體等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)：由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸經(jīng)過齒輪增速器驅(qū)動(dòng);齒形帶及電磁離合器驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：低速增壓效果好、與發(fā)動(dòng)機(jī)容易匹配、結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、工作可靠、壽命長缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)增壓器消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率通過增速器驅(qū)動(dòng)通過齒形帶驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器奧迪A6機(jī)械增壓器機(jī)械增壓器的安裝位置第三節(jié)渦輪增壓（Turbo）一、渦輪增壓系統(tǒng)分類：單渦輪增壓系統(tǒng)雙渦輪增壓系統(tǒng)寶馬雙渦管單渦輪增壓（TwinPower）發(fā)動(dòng)機(jī)單渦輪增壓雙渦輪增壓雙渦輪增壓一般稱為Twinturbo或Biturbo:串聯(lián)一大一小兩只渦輪;并聯(lián)兩只同樣的渦輪寶馬雙渦管單渦輪增壓（TwinPower）twin-scrollturbocharger雙渦管渦輪增壓系統(tǒng)，采用單渦輪形式，只不過它是將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管分為兩個(gè)導(dǎo)管，并將每三個(gè)氣缸中的6個(gè)排氣門接通在一根導(dǎo)管上通向渦輪增壓器，廢氣依舊按照按照“1-5-3-6-2-4”的順序從氣缸內(nèi)排出，而兩個(gè)渦管則由于排氣時(shí)間上的不同前后依次將廢氣送入渦輪增壓器，也就使得渦輪增壓器受到前后兩股氣體的帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了利用一個(gè)渦輪達(dá)到雙增壓的效果。這一技術(shù)改進(jìn)了普通雙渦輪增壓結(jié)構(gòu)重量大、成本高的弊端，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)重量以及制造成本。另外，雙渦管結(jié)構(gòu)還減小了排氣歧管內(nèi)的氣流干涉，使尾氣流更加順暢。雙渦管渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)雙渦管與單渦管的區(qū)別對比單渦管，雙渦管具有很好的低扭性能，能有效減少TurboLag。徑流式渦輪增壓器組成：渦輪機(jī)、壓氣機(jī)、中間體、旁通閥原理：將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣引入渦輪機(jī)，利用廢氣的能量推動(dòng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)與其同軸安裝的壓氣機(jī)葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機(jī)增壓后進(jìn)入氣缸優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好、可降低有害物的排放和噪聲水平缺點(diǎn)：低速時(shí)轉(zhuǎn)矩增加不多，而且發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)差，加速性能差渦輪增壓器構(gòu)造渦輪增壓器實(shí)體渦輪增壓器增壓原理渦輪增壓器實(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(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪機(jī)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。第三節(jié)渦輪增壓（Turbo）二、增壓壓力的調(diào)節(jié)1．旁通閥作用：調(diào)節(jié)增壓壓力工作原理：控制膜盒中的膜片將膜盒分為上、下兩個(gè)室。上室為空氣室經(jīng)連通管與壓氣機(jī)出口相通；下室為膜片彈簧室，膜片彈簧作用在膜片上，膜片通過連動(dòng)桿與排氣旁通閥連接。當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力低于限定值時(shí)，膜片在膜片彈簧的作用下上移，并帶動(dòng)連動(dòng)桿將排氣旁通閥關(guān)閉；當(dāng)增壓壓力超過限定值時(shí)，增壓壓力克服膜片彈簧力，推動(dòng)膜片下移，并帶動(dòng)連動(dòng)桿將排氣旁通閥打開，使部分排氣不經(jīng)過渦輪機(jī)直接排放到大氣中，從而達(dá)到控制增壓壓力及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。二、增壓壓力的調(diào)節(jié)排氣旁通閥工作原理示意圖二、增壓壓力的調(diào)節(jié)旁通閥為了不讓增壓器的壓力過大而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的失控，必須有一個(gè)部件來限制最大壓力，這就是旁通閥，目前的旁通閥可以通過ECU的信號來調(diào)節(jié)增壓值。而在渦輪增壓車型上，旁通閥還兼顧另外的作用，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)收油，此時(shí)節(jié)氣門開度變小，但渦輪因?yàn)閼T性不能立即停止因而繼續(xù)向發(fā)動(dòng)機(jī)輸入高壓空氣，如果不將這種情況加以控制，會(huì)損害渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)，所以必須將此時(shí)產(chǎn)生的增壓效果予以疏散，這就是旁通閥在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的必要性。二、增壓壓力的調(diào)節(jié)電控排氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)二、增壓壓力的調(diào)節(jié)2.變截面渦輪增壓器（VGT）通過改變噴管出口截面積來調(diào)節(jié)增壓壓力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，縮小噴管出口截面積，使噴管出口的排氣流速增大，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨之升高，增壓壓力和供氣量都相應(yīng)增加；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速工作時(shí)，增大噴管出口截面積，使噴管出口的排氣流速減小，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相對降低，這樣增壓器將不會(huì)超速，增壓壓力也不致于過高。因此，使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器都不需要設(shè)置排氣泄壓閥。二、增壓壓力的調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)動(dòng)噴管葉片改變徑流渦輪機(jī)有葉噴管出口截面積二、增壓壓力的調(diào)節(jié)用活動(dòng)擋板來改變徑流式渦輪機(jī)無葉噴管出口截面積二、增壓壓力的調(diào)節(jié)用轉(zhuǎn)動(dòng)舌片來改變渦輪進(jìn)口截面積VNT(viriablenozzleturbine)VGT可變截面渦輪增壓華泰現(xiàn)代2.0L柴油圣達(dá)菲，搭載了當(dāng)今世界最先進(jìn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——CRDi高壓共軌燃油直噴和VGT可變截面渦輪增壓。CRDi高壓共軌燃油直噴系統(tǒng)采用預(yù)噴射共軌直噴技術(shù)，使噴射過程與燃油壓力無關(guān)，超高壓的燃油通過電磁閥精確的控制直接噴射入氣缸，使柴油霧化更徹底，燃燒更充分，在省油的同時(shí)保證了歐III的排放標(biāo)準(zhǔn)。VGT可變截面渦輪增壓系統(tǒng)克服了以往渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪延遲的現(xiàn)象，大幅提升了低速扭矩及高速馬力，大大滿足了其越野功能的需要，真正做到了動(dòng)力澎湃、經(jīng)濟(jì)耐用。三、渦輪增壓器的潤滑及冷卻渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣歧管上，處在高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對制造的材料和加工技術(shù)都要求很高。其中制造難度最高的是支承渦輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)的“浮式軸承”，它工作轉(zhuǎn)速可達(dá)10萬轉(zhuǎn)/分以上，加上環(huán)境溫度可達(dá)六、七百度以上，決非一般軸承所能承受，由于軸承與機(jī)體內(nèi)壁間有油液做冷卻，又稱“全浮式軸承”。三、渦輪增壓器的潤滑及冷卻中冷器由理想氣體定律得出，氣體在壓縮時(shí)內(nèi)能會(huì)增加，也就是溫度升高，而同樣氣壓下，氣體密度會(huì)因溫度升高而降低，所以將壓縮后的高溫氣體降溫，可以進(jìn)一步的增加空氣流量，而中冷器的作用就是將空氣在進(jìn)入氣缸前降溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)更多的吸入空氣，并避免爆燃。經(jīng)過機(jī)械增壓之后的空氣溫度可以達(dá)到100℃，經(jīng)過渦輪增壓之后的溫度就更高了，所以中冷器是個(gè)很有必要的部件。中冷器第四節(jié)氣波增壓利用高壓廢氣對低壓空氣產(chǎn)生的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進(jìn)氣壓力。氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭矩大，加速性好等優(yōu)點(diǎn)。氣波式增壓器體積大、重量大、噪音大等缺點(diǎn)。另外，空氣壓力波對進(jìn)、排氣阻力過于敏感，要求進(jìn)氣濾清器及排氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸并減小阻力。由于存在許多問題，氣波式增壓器目前仍處于研究試驗(yàn)階段。第四節(jié)氣波增壓高壓燃?xì)馊肟诘蛪喝細(xì)獬隹诟邏嚎諝獬隹诘蛪嚎諝馊肟诘谖骞?jié)復(fù)合增壓復(fù)合式增壓就是把機(jī)械增壓器與廢氣渦輪增壓器聯(lián)合起來工作的增壓裝置。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；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。第五節(jié)復(fù)合增壓補(bǔ)充：FSI、TFSI、TSIFSI是FuelStratifiedInjection的詞頭縮寫，意指燃油分層噴射。TFSI是英文Turbo-ChargingFuelStratifiedInjection的所寫，意為渦輪燃油直噴，TFSI實(shí)際上就是比FSI多了一個(gè)T字，這個(gè)T字代表的則是渦輪增壓技術(shù)。TSI發(fā)動(dòng)機(jī)中的T代表Turbo（渦輪增壓）、S代表Supercharge（機(jī)械增壓），渦輪增壓器由于廢氣渦輪的慣性，會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的遲滯現(xiàn)象。而機(jī)械增壓器則是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸直接帶動(dòng)，能夠隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而線性地改變自己的轉(zhuǎn)速。由于TSI發(fā)動(dòng)機(jī)配置了渦輪增壓器與機(jī)械增壓器兩種增壓器，所以它能在很小排氣量的設(shè)定下能夠達(dá)到很大的動(dòng)力，屬于大馬力、低轉(zhuǎn)速大扭力的發(fā)動(dòng)機(jī)。V6;T