第十一章增壓中冷技術(shù)

第十一章增壓（中冷）技術(shù)從50年代起，隨著渦輪增壓器效率的改進，柴油機采用渦輪增壓技術(shù)后的功率和效率都得到了很大提高，從而被廣泛地推廣應用，增壓后，柴油機的功率能提高1-3倍。廢氣渦輪增壓對提高柴油機性能作出了重大的貢獻，在汽車發(fā)動機中有也采用比較普遍的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。11.1內(nèi)燃機增壓的基本概念

一.增壓的作用及增壓方式

內(nèi)燃機增壓的作用是將新鮮空氣(或可燃混合氣)在內(nèi)燃機工作氣缸外面事先進行壓縮，提高進氣壓力以提高進入氣缸內(nèi)的空氣(或可燃混合氣)的密度，供更多的燃料進行燃燒，從而提高發(fā)動機的功率。

大量實踐表明，增壓是提高發(fā)動機功率、改善經(jīng)濟性排污性的有效方法，因此得到了廣泛的應用。

用于內(nèi)燃機增壓將空氣或可燃混合氣壓縮到一定壓力的裝置，稱為壓氣機或增壓器?？諝獗粔汉筮_到的壓力稱為增壓壓力，一般以Pk表示。按增壓壓力大小可將增壓程度分為：低增壓Pk＜0.14MPa，中增壓Pk＝0.14～0.2MPa，高增壓Pk＞0.2MPa。壓氣機一般是容積式或葉片式的，壓氣機由曲軸或廢氣渦輪驅(qū)動。壓氣機、壓氣機的驅(qū)動裝置以及用以冷卻空氣的冷卻器等，構(gòu)成了內(nèi)燃機的增壓系統(tǒng)?？諝饫鋮s器亦稱為中間冷卻器或中冷器。按驅(qū)動增壓器的能量來源不同，增壓系統(tǒng)基本可分為三類：１.機械增壓系統(tǒng)

壓氣機由內(nèi)燃機曲軸直接驅(qū)動(左上)，通常只用在Pk不超過0.16～0.17MPa的場合，否則壓氣機消耗的功率很大，使發(fā)動機的效率下降，導致發(fā)動機經(jīng)濟性降低。這種增壓系統(tǒng)主要用在小型內(nèi)燃機上，壓氣機可以來用容積式的如羅茨式壓氣機，也可以采用離心式的。對于四沖程發(fā)動機，采用驅(qū)動式離心式壓氣機，在二沖程機上應用最廣的是羅茨型容積式壓氣機，亦稱為掃氣泵。2．廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

壓氣機K由內(nèi)燃機廢氣驅(qū)動的渦輪機T帶動(右上)，與發(fā)動機之間無任何傳動機械聯(lián)系。壓氣機與廢氣渦輪機組成廢氣渦輪增壓器。在增壓壓力比較高時，壓氣機出口和內(nèi)燃機進氣管間裝有中間冷卻器，對空氣進行冷卻，以降低發(fā)動機的機械負荷和熱負荷。由于增壓器的運轉(zhuǎn)不需消耗發(fā)動機所發(fā)出的有用功，經(jīng)濟性得以提高，因而這種增壓系統(tǒng)在發(fā)動機上獲得最廣泛的應用。將普通自然吸氣的柴油機經(jīng)過簡單的改裝為渦輪增壓，即可提高功率30～50％。目前單機功率從35kW到35000kW的現(xiàn)代柴油機上，大都采用廢氣渦輪增壓。

由于限制排放的要求，汽油機廢氣渦輪增壓得到進一步的重視，因為增壓有助于CH、CO的完全燃燒，有助于抑制N0X的形成。

3．復合式增壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括由發(fā)動機機械驅(qū)動的增壓器和與發(fā)動機氣體聯(lián)接的廢氣渦輪增壓器，并有兩種基本型式。(左下)為第一級壓氣機由曲軸驅(qū)動，用以保證發(fā)動機在啟動招低轉(zhuǎn)速低負荷時仍有必要的掃氣壓力。第二級由廢氣渦輪機驅(qū)動。(右下)的渦輪增壓器與曲軸連接，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速高負荷下，廢氣渦輪功率過剩時，這種結(jié)構(gòu)能把過剩功本輸送給曲軸，而在低負荷低轉(zhuǎn)速下即渦輪功率不足時，能從的軸上取得功率。如果達到了渦輪和壓氣機的功率相等，能量就不存在再分配的問題。

二.增壓后發(fā)動機性能的變化

采用廢氣渦輪增壓后發(fā)動機性能在以下各方面得到改善：

1.功率大大提高

功率提高的程度視增壓程度而定，可增加50～200％，甚至更高。發(fā)動機增壓后的功率Peh與不增壓時功率Pe之比值尺稱為增壓度。

2.發(fā)動機機械效率提高

雖然增壓后燃燒壓力將提高，使各摩擦面上的摩擦損失增加，但發(fā)動機的功率增加的更多，因此機械效率得到提高。3．經(jīng)濟性提高

因為增壓使進氣壓力提高，改善了掃氣效果和燃燒條件，并且發(fā)動機的機械效率又有提高，因而使燃油消耗率顯著降低。

4．發(fā)動機單位功率重量大大降低發(fā)動機增壓后功率顯著增加，而結(jié)構(gòu)重量卻增加很少。

伴隨著發(fā)動機增壓出現(xiàn)的新問題主要是：

(1)機械負荷增加。因為進氣壓力的提高，使壓縮壓力和最高燃燒壓力相應增大，導致零件的機械負荷增加，磨損加大，引起損杯。

(2)熱負荷增加。增壓后工作循環(huán)溫度大大提高，使零件工作溫度升高，熱負荷增加，材料的機械強度降低。

在高的機械負荷、熱負荷共同作用下，情況就更為嚴重，因此發(fā)動機增壓后零件結(jié)構(gòu)必須強化。三、增壓發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點

增壓后發(fā)動機性能顯著變化，機械負荷及熱負荷大為提高，要求發(fā)動機結(jié)構(gòu)也要相應地改變：

1．適當?shù)販p少壓縮比。防止燃燒壓力過大，以保證發(fā)動機工作可靠，延長使用期。但過低的壓縮比將造成起動困難。

2．供油系統(tǒng)的變化。增壓后由于進氣量的增加，可燃燒更多的燃料，要求供油量增加，同時要求增大噴油壓力，加大噴油器噴孔的直徑。此外，增壓后壓縮壓力和溫度的增加，將使燃料著火落后期縮短，為防止最大燃燒壓力過高，應減少供油提前角，但如供油提前角過小，會使燃燒惡化。

3．進、排氣系統(tǒng)的變化。增壓后發(fā)動機氣缸進氣量增加，為減小進氣阻力，應適當加大進氣流通截面積；為了改善掃氣效果，增加充氣量，以降低熱負荷，應增加氣閥重疊角；有的增壓系統(tǒng)還要求將排氣管分支，以充分利用廢氣能量并改善掃氣效果。此外，由于氣閻機構(gòu)零件的工作溫度升高，變形加大，須相應加大氣閥間隙，以保證配氣機構(gòu)正常工作。

4．此外，增壓發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及主要運動機件的結(jié)構(gòu)強度都應適當?shù)募訌姟?/p>

11.2離心式壓氣機的工作原理容積式壓氣機是按照空氣披壓縮時容積縮小、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(zhuǎn)送到壓縮腔。進氣腔和壓氣腔被轉(zhuǎn)于隔開互不相通。在內(nèi)燃機上應用較廣的為轉(zhuǎn)子－齒輪式的羅茨壓氣機。一.羅茨衰式壓寫氣機它的膚工作呢原理門是：限兩轉(zhuǎn)豎子支株承在堪殼體軌中，映另外盡一個沫轉(zhuǎn)子吹由曲傾軸帶母動，你轉(zhuǎn)子右軸上軟的齒眨輪傳財動轉(zhuǎn)框子上握的齒悼輪，紀因此殘它為性主動井轉(zhuǎn)子哄．兩頁個轉(zhuǎn)膚子支蓄承在孝完體拴兩端展的軸窗承上肝同步碎轉(zhuǎn)動差，并債保證圓轉(zhuǎn)子諸與轉(zhuǎn)胖子、炒轉(zhuǎn)于份與殼墻體間窩互不董相碰剝，但鵝間隙掌很小溫。轉(zhuǎn)伶子外簽廓把票進氣枯口和棍出氣槳口隔傳開。當轉(zhuǎn)址子轉(zhuǎn)捷動時捆，下過轉(zhuǎn)子累把一內(nèi)定容陰積的盤空氣化擠向忠壓縮獸腔．紹與此藥同時副，由漆于上身轉(zhuǎn)子右的齒紡離開餓出氣濕口邊畜緣，配壓縮嫂空氣勾在壓報力差丑的作汁用下桂，自掙壓氣濟腔倒快流入請上轉(zhuǎn)惰子和亦殼體惜之間做的空銀腔，閘一直縱持續(xù)卡到兩米腔壓著力相丈等為待止。問從壓撕力平閱衡的慘時刻味起到漏相應漏于位茅置Ⅲ的時殲刻止框為壓股縮過擱程，墻位置I和位鍛置Ⅲ在工宣作過碌程中建所起繪的作閉用是癥相同根的，擁所以它雙葉術(shù)轉(zhuǎn)子那壓氣辨機氣跌流流中通部白分的繁壓力缺和速掌度的撿脈動飄周期換，相愁當于盛轉(zhuǎn)子設的90存°轉(zhuǎn)角籃。為了宿減少醬壓力冤和速榮度的霜脈動報，經(jīng)裙常采臥用三背葉形蠢轉(zhuǎn)子惡，如到下圖緣瑞所示便。當麥采用敬三葉罷轉(zhuǎn)子圣時，華氣流貞流通梢部分茂的速廣度和鼻壓力保脈動禍周期促相當皺于轉(zhuǎn)隔子的60尖°轉(zhuǎn)角仁，因蜘此，療振幅獵比雙傲葉轉(zhuǎn)鋤子的角小。圖中賊轉(zhuǎn)子睜裝在召由鋁府合金慕鑄成拘的殼通體中隆，外輛側(cè)開樓口為勇進氣汗口，圈內(nèi)側(cè)臨對著招發(fā)動臘機為絕出氣網(wǎng)口，蛋殼體進表面遼有加查強筋廉以提轎高剛雷度。故鋁合錫金蓋聚板和8上裝團有雙怨排徑量向止遲推軸吉承，豈用以暑固定踩轉(zhuǎn)子叔的軸不向位肺置。僚單列洽滾珠駛軸承界允許襪微量珍位移叢，以撓保證寶轉(zhuǎn)于鉤和殼男體微樣變形養(yǎng)時不赤致咬江死。兩空端心轉(zhuǎn)啟子由封鋁合邁金鑄門成，足每個每轉(zhuǎn)子卻的兩蔬端都斥裝有或鋼軸帽，轉(zhuǎn)蠢子的嬸外旋枝輪線歡型經(jīng)裂過精嫁加工格，以插保證臘在工希作過做程中臭各單京獨空恒腔的吸密封印性。腐斜齒劫輪同隸步轉(zhuǎn)眉動可安保證潮轉(zhuǎn)子裝和殼哥體間祝的必瞎要間薄隙，炮以避古免轉(zhuǎn)咐子和杏殼體脾間以列及轉(zhuǎn)甩子相算互間怨的接慚觸。餡轉(zhuǎn)子冒的徑鐮向間亡隙和哈在軸賞向與談殼體換間的筒間隙漸大小趴應合鳥理選華擇，完使其悉能保誼證空逼氣的秘泄漏巨量最裹小，淘又可浪完全濕避免端轉(zhuǎn)子戶工作虛時互牽相接岡觸。壓氣許機通愛過彈肉性爪注式離昨臺器靠和扭蓄力軸雹驅(qū)動被，防磨止發(fā)億動機財扭振法時損閣壞壓勤氣機鋒，也悟可防匙止曲學軸轉(zhuǎn)瓣速急然劇變氣化時呀產(chǎn)生劇過載嗚而損石壞齒鏡輪。犯轉(zhuǎn)子謀式壓嗚氣機譜是一境種較宗早應腫用于擾發(fā)動夾機增品壓的壘壓氣筍機,其優(yōu)岔點是孔結(jié)構(gòu)謀比較干簡單育，使走用壽手命長嫌，平穩(wěn)衡性已好，綁增壓漆壓力笨隨轉(zhuǎn)裙于轉(zhuǎn)攏速變珍化的雖規(guī)律捐比較尋理想共，適廚應發(fā)茄動機誤變工餡況工割作的研要求迅。缺席點是禽重量企較大慨，噪僑音較戚高。測羅茨悼式壓針氣機熟增壓抬壓力盛一般暖為Pk＝0.歪15～0.貪17鄉(xiāng)豐MP柱a以下這。二.螺旋賢型轉(zhuǎn)污子壓繞氣機螺旋勉型與林上述夫轉(zhuǎn)子教式壓掀氣機漢不同嘆，其義流通澇部分刺的空惹氣運臟動是份斜線嘩方向陪，而留且旋施轉(zhuǎn)的鑼螺桿良和殼算體間成的空摩腔有溫容積黑變化跌，進悅行內(nèi)冒部壓柜縮，殘將空半氣壓友縮到公一定振的壓燥力。攪螺丹旋型掀轉(zhuǎn)子左壓氣曠機，提兩個坐平行旬的轉(zhuǎn)嫌子制鍋成螺前旋形岡，由爆兩齒叨輪傳知動，拾在外議殼中趨旋轉(zhuǎn)刺，轉(zhuǎn)末子之脈間間穿隙很儉小。折進氣籌口和五排氣胳口位惕于對墾角線屋上，紡空氣貓沿螺雙旋槽朵流動野。徐轉(zhuǎn)子撤葉型草的橫癥截面養(yǎng)如下寬圖所德示。一個嶄轉(zhuǎn)子駐的葉何片位纖于節(jié)椅圓之寨外呈標凸出茂狀，閣而另楊一個賀轉(zhuǎn)子魔的葉拋片在愿節(jié)圓灰之內(nèi)故呈凹惕入狀領。在攀轉(zhuǎn)子鞋的全戲長上絡葉片鉤的扭澤轉(zhuǎn)角里度為24剛0°。當轉(zhuǎn)也子旋騎轉(zhuǎn)時搬，其愚凹處皆開始蒼與外脾殼上束的進吐氣口玩相通給充滿軋空氣瀉，隨揀后凹鍛處與錦進氣帶口斷寄開，妥各轉(zhuǎn)急子間嚷的接摟觸線歸則逐忘漸地直沿軸惹線方饒向向洽外移次動。秘同時紛，由夫凹處蹤蝶所構(gòu)昌成的物容積定也逐集漸縮安小，斜使其蜻中的吉空氣秤受到箏壓縮捐，當初凹處冤與排說氣口待相通紅時，對受壓貝縮的親空氣兩就進行入增乘壓腔里。掀螺都旋轉(zhuǎn)突子壓基氣機銀可連宋續(xù)而戶均勻炮地向才增壓舉腔供糾氣，為能達鞋到較獅高的擊壓力伶。當匹增壓奮壓力Pk≥0運.1劑7M笑Pa時，聚采用蒜這種陸壓氣雄機較瞧為合芬適?；镞@種謝增壓話器的翁缺點萍是尺役寸較莖大，挽因為杠橫截罪面的除大部脫分為船轉(zhuǎn)子棒本身競所占遺滿，劃此外程，型鞏線復塊雜制努造困忌難。11早.3離心蹈式壓午氣機梨的工拌作原售理離心形式壓眨氣機餃屬于蛋葉片例機械荒，其劣工作渾原理毛是以腐高速廣氣流濁與工驕作葉響輪和劉固定享葉片累的相迅互動絹力作禽用為弟基礎推，與廊容積錦式壓膠氣機軍相比牢離心荒式壓黑氣機案的優(yōu)跡點是紹：消勺耗同腸樣的勝功率攝時，形比崗容積蜘式壓恨氣機遇的效饑率高畢，并冰能得諒到較進高的變增壓殿壓力獄，一遮般能甜達到0.嫁14朽7～0.襪19追6M糟Pa以上景；結(jié)掃構(gòu)簡率單緊營湊，荒重量密輕，揚金屬萍消耗阿量少蝦。目猜前離牲心式小壓氣旗機在伐內(nèi)燃詳機增呼壓方哭面獲昂得廣胖泛的刺應用倘。離煎心式習壓氣晌機的譜缺點贊是隨達著轉(zhuǎn)裳速的揮降低帆，增遠壓壓咽力便婦急劇舍下降評。離心常式壓堆氣機乞由以辛下幾鞭部分粉組成危。包績括進媽氣道甘、工曠作輪(又稱待葉輪)、擴壞壓器布及出厚氣蝸蟲殼。五擴壓燒器可跌以是噴有葉袍片式翅也可辜以是瞧無葉句片式退的?？諝庥嫿?jīng)濾獄清器產(chǎn)進入黨氣道吵，進薄氣道境的斷趨面沿丘氣流扶方向抄逐漸輩縮小卻，以艱便提紅高氣邊流的姥穩(wěn)定煮性。圓進氣辨道一收定要工能保框證在茫流動飼損失梁為最朽小的駕情況燒下，航把空妙氣均遲勻地呼導向梯工作忽輪。場工作驚輪裝纖裝花聯(lián)鏈軸皺上，衣尺寸修小的憶可安求裝在壁光軸透上。釋工作出輪可蹤蝶由曲習軸通鎖過機刃械驅(qū)部動，指也可投直接為由渦鼻輪機臉驅(qū)動弄?？諝庾鲅剡M關氣道讓進入拆工作昆輪隨馬工作育輪一斃起旋脆轉(zhuǎn)，翠受到辱離心醒力的岸作用佛沿著藏工作免輪上蹤蝶葉片材所構(gòu)笑成的琴通道載流動堂，使鎮(zhèn)空氣繡受到像壓縮增，這崖時壓稀力從p1增加婚到p2，氣拘流速快度從c1增加拒到c2，驅(qū)李動工息作輪警的機匠械功喂轉(zhuǎn)化逢為空滋氣在那工作騎輪中該獲得怨的動離能，篇和以越壓力濱形式釋表現(xiàn)璃的勢疫能。舊工作床輪出切口處臺的功遮能一晚般為賄氣流忌總能蒼量的腫一半槍，因站此，薄在工槽作輪乎后裝斜有擴宣壓器愈，使述其轉(zhuǎn)搖換為瀉壓力見能。戒當氣未流在脹擴壓謎器中誤流動務時，穗由于床流通敵面不炎斷擴嬸大，賣氣流焰的速潤度從c2下降帽到c3，壓刻力從p2升高男到p3。此衫時產(chǎn)圣生的但損失竟是壓趨氣機圾損失狡中的襯主要雖部分束。吁豆片式品擴壓玻器的依損失臟比無將葉片潛式擴澇壓器服的損洗失為陽小。自擴謹壓器皮周圍貨出來酬的空氏氣進朵入蝸驗形管桿，從燙此進歸入發(fā)惱動機危的進徑氣管借，根漲據(jù)增讓壓器盼在發(fā)遲動機戲上的莖配置司位置各不同盤，蝸駱形管餓可以集有一量個或冠數(shù)個目出口射管。聯(lián)工作煙輪是桶壓氣按機的崇主要耍零件嚷，在鳥工作太中使何空氣律受到脂壓縮懲并獲索得動駐能。狗工作朵輪一灑般用徑鋁臺抵金制衛(wèi)造，糊以大考大減攻少作客用在湊工作兔輪上等的離極心力蘇。在佩現(xiàn)代夸增壓則器中貝，離局心力傻可達星很高裹的數(shù)譽值，設有時訊可能偵比零卵件的譜重量童大5萬到10萬倍是。工作榨輪可運制成憶半開鬧式或鄭閉式媽的，歉半開嫌式工我作輪猴將徑意向葉更片和傘輪盤敬制成棉一體襯。半鬧開式拒工作爪輪的際特點沾是強楊度高腰，工誕藝性劉好，尤當空鄉(xiāng)豐氣流貨經(jīng)葉煮片間榆的溝劍槽時踩，流尊動損酬失變劣化平峰緩。非閉式戚工作近輪還薯具有派前封另閉蓋桌，特效點是罵可大裁大降領低流瀉動損覺失和嗓空氣藝與殼該體的扮摩擦戴損失浴，但教工藝揀復雜席。扭由于例工作充輪背絕后b處的少空氣遣壓力慌比工趴作輪叮前面亭的壓秩力高斃，為貍了減遣少由注于壓志差造弓成的悄使循輪盤坑向左呀移動啦的軸涌向推央力，態(tài)在工箏作輪苗輪轂原上鉆皆有平柏衡a如下湊圖，找以使模工作雁輪前仙后的銅壓力鄙得到胸平衡缸。工作撈輪進閱口處罰的葉助片順恰著工透作輪陜轉(zhuǎn)動雷方向崖扭轉(zhuǎn)詞一定燃角度晉，通爹常稱萄為導啊向器捉，其怠作用考是使因空氣肥進入納工作抱輪時細不發(fā)限生沖找擊現(xiàn)逃象。愁導向么器與膜工作奇輪制倍成一賽體，銷導向磚器也努可單鞠獨制丈造與驚工作小輪裝勺在一午起。睬閉闖式工奧作輪愧與半赤開式牲工作慨輪不獲同之桿處是紙具有壯前封盛閉蓋新，其察特點曠是可走以大隊大降巨低空止氣流夠經(jīng)相怕鄰葉漫片溝牧槽時通的損什失和摟空氣后與完脹體的倒摩擦撈損失鋪，這圣種工夾作輪虎適宜幫于耗師氣量造大、樣增壓耀比高己的發(fā)今動機織壓氣襲機，止增壓擠比愈呈高、撇耗氣疤量愈書大，插封閉騾式工停作輪融的優(yōu)辛點就息愈突遮出。筒但這嚇種工跑作輪趙又重幸又大胡，制稼造難賓度比敘半開予式工耕作輪語高。壓氣戲機性戚能的徑主要回參數(shù)熊是：艦單位州時間益內(nèi)壓敗氣機池提供結(jié)給內(nèi)謊燃機踢的空紋氣量朵，稱罰為流謹量，腿并有稻兩種盛表示酷方法遼。容史積流癢量為叛單位街時間鋤內(nèi)所吹提供甚的空簡氣客啄積V(鞠m3/h或m3/m裳in程)，重鋪量流訓量為追單位使時間叼內(nèi)所裂提供占的空慈氣重揮量mk(k臣g/劣s)。另一蠶個參箱數(shù)是鈔增壓擠比或趨壓力箏升高緞比，姜為壓喂氣機蝕出口成空氣雜壓力pk與進鞏口空勤氣壓剝力p0之比令，表墓示為πk=pk/p0。第四階節(jié)岔渦輪哀機的始基本導原理機械汁傳動沫式增把壓器奇要消混耗發(fā)并動機擁的部撲分功錯率，貍例如傳，要愿使增申壓壓巴力達頭到0.云15～0.潑2M繼Pa，增吉壓器治要消爽耗發(fā)蜻動機游有攻生功率績的12～20騙%左右呈，相辨應增歐加了賴燃料鄭的消墨耗量魔。為焰了避漫免這閉部分搭功率曬的損談失，挖利用他發(fā)動鹽機的顫廢氣訪能量窗驅(qū)動春渦輪重來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