涡轮增压技术.doc

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1、1.3 废气涡轮增压技术1905年，波西首次提出了涡轮增压的概念，并被授予德国专利，这标志着涡轮增压技术诞生。1912年，世界上第一台废气驱动的增压器正式问世，1961年，小轿车开始尝试性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。经过百年的不断发展，涡轮增压技术已经日趋成熟和完善。增压，就是借助于装在发动机上的专用增压装置，预先压缩进入气缸的空气，以提高进入气缸中的充气密度。增压的作用是在气缸容积一定的情况下，充气密度越大，新鲜空气的绝对量越大，就可以喷入较多的燃料进行燃烧，发动机就能发出更大的功率。1.3.1发动机增压类型（1）按其增压方式可分为三类: 机械增压废气

2、涡轮增压气波增压（2）按增压压力划分，一般划分的范围为： 低增压 0. 35MPa (2.0MPa)（3）废气涡轮增压的类型废气涡轮增压是通过发动机排出的废气能量推动涡轮增压器实现增压。根据涡轮回收废气能量的方式不同，废气涡轮增压系统可分为串联前复合增压、串联后复合增压以及并联复合增压等几种方式（图1-3-1）。串联前复合增压是在废气涡轮增压器前串联一个涡轮机，发动机排出的废气先流入前置涡轮机，回收部分能量后再排入涡轮增压器的涡轮机，由此带动压气机进行增压的系统。这种增压系统的特点是，可充分利用废气的能量，因此可提高整机的热效率；同时在增压器前利用涡轮机事先回收废气的部分能量，所以可避免增压器

3、的转速过高的现象串联后复合增压是在增压器后再串联一个废气涡轮，其主要目的就是进一步回收利用经增压器后排出的废气能量，以便堤高整机的热效率。并联复合增压是将发动机排出的废气分两路同时排入一个废气涡轮和废气涡轮增压器的涡轮的系统。对排量较大的发动机，通过这种复合系统提高废气能量的再回收利用，在提高整机热效率的同时减轻了废气涡轮增压器的工作负担。图1-3-1 涡轮增压方式a）串联前复合增压 b）串联后复合增压 c）并联复合增压废气涡轮增压器根据增压器的数量又可分为单级增压和双级复合增压。普通车型常用单级增压系统，即采用一个废气涡轮增压器；而双级增压系统采用两个废气涡轮增压器，主要用于大排量车用柴油机

4、。根据两个增压器的连接方式不同，双级增压方式又可分为直列双级复合增压和并列双级复合增压两种系统（图1-3-2）。直列双级复合增压系统一般由一个小型增压器4和一个大型增压器5直列布置构成，并根据发动机转速分别使用。低速时关闭进气切换阀3和排气切换阀6，使小型增压器4工作，以提高低速进气量，改善低速转矩特性；中、高速时如图1-3-2a所示，打开排气切换阀6和进气切换阀3，使排气流向大型增压器5，以便增压发动机在高效率区进行匹配，提高发动机的经济性。此时，小型增压器4涡轮的进、出口压力相等，所以自动停止工作。6缸机常采用并列式双级复合增压系统，1、2、3缸和4、5、6缸分别采用相同的增压器。与6个缸

5、采用一个增压器相比，采用并列双级增压器时流过废气涡轮的排气流量减少一半，所以采用小型增压器，由此达到兼顾低速转矩特性和中、高速在高效率区的良好匹配，提高整机性能的目的；多缸发动机采用并列式双级复合增压系统的另一个目的，就是为了避免产生各缸排气干涉现象。由于废气涡轮增压器是流体机械，而发动机是动力机械，二者属于两种不同类型的机械，所以废气涡轮增压发动机有待进一步解决的课题是：如何提高发动机的低速转矩；低速时应避免增压器工作线接近喘振线；防止高速时进气压力过高或增压器超速；降低高速时的泵气损失；防止缸内产生最高压力及热负荷增加。图11 复合增压系统a）直列双级复合增社 b）并列双级复合增压1-发动

6、机 2、9-中冷器 3-迸气切换阀 4-小型增压器 5-大型增压器 6-排气切换阀7-喷油器 8-增压器 10-催化转化装置11-消声器 12-排气管 13-爆震传感器1.3.2涡轮增压器的结构及工作原理（1）组成车用涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成（图1-3-3）。增压器轴5通过两个浮动轴承9支承在中间体14内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还有防止机油漏人压气机或涡轮机中的密封装置等。图1-3-3 涡轮增压器结构1一压气机蜗壳 2一无叶式扩压管 3一尺气机叶轮 4一密封套 5一增压器轴6一进气道 7一推力轴承8一挡油板 9一浮动轴承 10一涡轮机叶轮 11出气道

7、12土隔热板 13一涡轮机蜗壳 14一中闷体（2）离心式压气机离心式压气机由进气道6、压气机叶轮3、无叶式扩压管2及压气机蜗壳1等组成（图1-3-4）。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴5带动旋转。当压气机旋转时，空气经进气道进人压气机叶轮，并在离心力的作用下沿相邻压气机叶片1之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管3。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高，即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。扩压管分叶片式和无叶式两种。无叶式扩压管实际上是由蜗壳和中间体侧壁所形成的环形空间，

8、其构造简单，工况变化对压气机效率的影响很小，适于车用增压器。叶片式扩压管是由相邻叶片构成的流道，其扩压比大，效率高，但结构复杂，工况变化对压气机效率有较大的影响。蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出曰。空气在蜗壳中继续减速增压，完成其由动能向压力能转变的过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造，蜗壳也用铝合金铸造。图1-3-4 离心式压气机示意图l一压气机叶片 2一叶轮 3一叶片式扩压管4一压气机蜗壳（3）径流式涡轮机涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成（图1-3-5），蜗壳4的进口与发动机排气管相连，发动机的排气经蜗壳引导进入叶

9、片式喷管3。喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击叶轮1，并在叶片2所形成的流道中继续膨胀作功，推动叶轮旋转与压气机的扩压管类似，涡轮机的喷管也有叶片式和无叶式之分。现代车用径流式涡轮机多采用无叶式喷管。涡轮机的蜗壳除具有引导发动机排气以一定的角度逆人涡轮机叶轮的功能外，还有将排气的压力能和热能部分地转变为动能的作用。涡轮机叶轮经常在700左右高温的排气冲击下工作，并承受巨大的离心力作用，所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的质量大约减轻23，涡轮增压加速滞后的问题也在

10、很大程度上得到了改善。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或经机械加工成形。蜗壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应该光浩，以减少气体流动损失。图1-3-5 径流式涡轮机示意图1一叶轮 2一叶片 3一叶片式喷管 4一蜗壳（4）转子涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子。转子以超过10104rmin，最高可达20104rmin的高转速旋转，因此，转子的平衡是非常重要的。增压器轴在工作中承受弯曲和扭转交变应力，一般用韧性好、强度高的合金钢40Cr或18CrNiWA制造.（5）增压器轴承增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一。现代车用涡轮增压器都采用浮动轴承（图1-

11、3-6）。浮动轴承实际上是套在轴上的圆环。圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙，形成双层油膜。圆环浮在轴与轴承座之间。一般内层间隙为005mm左右，外层间隙大约为01mm。轴承壁厚约34.5mm，用锡铅青铜合金制造，轴承表面镀一层厚度约为00050008mm的铅锡合金或金属铟。在增压器工作时，轴承在轴与轴承座中间转动。增压器工作时产生轴向推力，由设置在压气机一侧的推力轴承1承受。为了减少摩擦在整体式推力轴承两端的止推面6上各加工有四个布油槽7；在轴承上还加工有进油孔5，以保证止推面的润滑和冷却。图1-3-6 涡轮增压器轴承及其润滑a）润滑油道 b）浮动轴承结构 c）推力轴承结构l一推力轴承 2

12、一涧滑油入口 3一涧滑油道 4一浮动轴承5一进油孔 6一止推面 7一布油槽1.3.3 增压压力的调节在涡轮增压系统中都设有进气旁通阀和排气旁通阀，用以控制增压压力。排气旁通阀及其控制装置在增压器上的安装位置如图1-3-7所示。控制膜盒1中的膜片将膜盒分为左室和右室，右室经连通管1l与压气机出口相通，左室设有膜片弹簧作用在膜片上。膜片还通过连动杆2与排气旁通阀3连接。当压气机出口压力，也就是增压压力低于限定值时，膜片在膜片弹簧的作用下移向右室，并带动连动杆使排气旁通阀保持关闭状态。当增压压力超过限定值时，增压压力克服膜片弹簧力，推动膜片移向左室，并带动连动杆将排气旁通阀打开，使部分排气不经过涡轮

13、机而直接排放到大气中，从而达到控制涡轮机转速及增压压力的目的。图1-3-7 排气旁通阀及其控制装置在增压器上的安装位置l-控制膜盒 2-连动杆 3-排气旁逼阀 4-排气管 5-涡轮机叶轮 6-涡轮机蜗壳7-增压器轴 8-中间体 9-压气机蜗壳 10-压气机叶轮 11-连通管进气旁通阀的工作原理与排气旁通阀相似在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电控单元操纵的电磁线圈控制。电控单元根据压气机出口增压压力的高低，对电磁线圈进行通电或断电控制，以开闭排气旁通阀。有的电控单元还能按照预编程序，在发动机突然加速时，允许增压压力短时间超出限定值，以提高发动机的加速性。1.3.4涡轮增压器的润滑及冷却来自发动

14、机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上的机油进口1进人增压器，润滑和冷却增压器轴和轴承。然后，机油经中间体上的机油出口2返回发动机油底壳（图1-3-8）。在增压器轴上装有油封，用来防止机油窜入压气机或涡轮机蜗壳内。如果油封损坏将导致机油消耗量增加和排气冒蓝烟。由于汽油机增压器的热负荷大，因此在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套，并用软管与发动机的冷却系统连通。冷却液自中间体上的冷却液进口3流入中间体内的冷却水套4，从冷却液出口5流回发动机冷却系统。冷却液在中间体的冷却水套中不断循环，使增压器轴和轴承得到冷却有些涡轮增压器在中间体内不设置冷却水套，只靠机油及空气对其进行冷却。当发动机在大负荷或

15、高转速工作之后，如果立即停机，那么机油可能由于轴承温度太高而在轴承内燃烧。因此，这类涡轮增压发动机应该在停机之前，至少在怠速下运转1 min。1.3.5汽油机增压（1）汽油机废气涡轮增压研究意义增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大中功率柴油机已全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达80%。汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机。20世纪70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完善，1990年美国生产的汽油机已有1/4采用了增压技术，1992年国际市场上出售的汽油机有巧%采用增压技术，目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段。内燃机增压的先

16、进技术主要集中于美国、德国和日本。相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车发动机领域，有其独特的应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车性能都具有重要意义（2）汽油机增压的特点1）车用汽油机的速度和功率范围宽广，工况变化频繁，扭矩储备要大，这些在采用废气涡轮增压后，不采取特殊措施，会限制它的推广。2）汽油机的比较小，所以工作温度比柴油机高，增压后尤为突出。而且汽油机空燃比由于工作循环的性质决定，仍需限制在较浓的狭窄范围内，又不能用较大的气门重叠角使较多的扫气空气来降低燃烧室零件和排气的温度。3）对增压汽油机来说，进入汽缸的混合气，因受压气机压缩的影响，其温度一般要比非增压

17、高30-600左右，这就为加速混合气的焰前反应创造了有利条件。又由于增压汽油机的热负荷高，燃烧室和气缸的壁面温度较高，对新鲜充量的热辐射和热传导都将增加，这也会导致焰前反应的增加，促使正常燃烧速度增加，但对未燃混合气的压爆作用也增强。4）汽油机增压易发生爆燃。增压使压缩终了混合气的温度、压力趋于升高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比较低，因而造成膨胀不充分，致使排气温度较高，热效率下降。5）汽油机增压热负荷大。汽油机混合气的浓度范围窄(过量空气系数a=0.85-1.1)，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大。同时，汽油机又不能通过提高气门重叠角加大扫气来冷却受热零件

18、(如气门、燃烧室等)，造成汽油机在增压后的热负荷偏高。汽油机增压后热负荷大又促使爆燃倾向的发生。6）汽油机与增压器匹配困难。与柴油机相比，汽油机的转速范围宽，从低速到高速混合气质量流量变化大。当节气门突然开大时，增压器响应滞后造成动力响应的滞后。汽油机增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏，并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。（3）汽油机废气涡轮增压的障碍 废气涡轮增压技术和废气涡轮增压器在柴油车上已经得到大量的使用和装配，是柴油车发展的一种必然趋势。但是在提高汽油机动力性、经济性和排放性的同时，车用汽油机废气涡轮增压技术存在不少问题和障碍，这些问题和障碍限制了废气涡轮增压技术在汽油机上的应用。