第七章汽车发动机增压.pptx

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1、第七章第七章 汽车发动机增压汽车发动机增压第一节第一节 概述概述一、增压的目的是通过将空气预先压缩后供一、增压的目的是通过将空气预先压缩后供入气缸，增加进气质量，相应地增加循环供入气缸，增加进气质量，相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。油量，从而可以增加发动机功率。二、增压的基本类型分二、增压的基本类型分涡轮增压涡轮增压、机械增压机械增压、气波增压气波增压三种，对应的增压器称三种，对应的增压器称涡轮增压器涡轮增压器、机械增压器机械增压器、气波增压器气波增压器（不讲）。（不讲）。1、涡轮增压器涡轮增压器：由由涡轮机涡轮机和和压气机压气机构成。构成。将发动机发出的废气引入涡轮机，废气的将

2、发动机发出的废气引入涡轮机，废气的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。内增压后进入气缸。涡轮增压的最大优点是燃油经济性好，并涡轮增压的最大优点是燃油经济性好，并可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平。可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平。缺点是低速时排气能量低，增压效果差，低缺点是低速时排气能量低，增压效果差，低速加速性能较差。速加速性能较差。2、机械增压器：由发动机曲轴、机械增压器：由发动机曲轴1经齿轮增速器经齿轮增速器5驱动（图驱动（图a），或），或由曲轴齿形

3、传动带轮经齿形传动带由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带9及电磁离合器及电磁离合器6驱动。驱动。机械增压能有效机械增压能有效提高发动机功率，与涡提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增轮增压相比，其低速增压效果更好。由于机械压效果更好。由于机械增压器与发动机直接机增压器与发动机直接机械联系，因此，其变工械联系，因此，其变工况的瞬态响应性好，加况的瞬态响应性好，加速性好，尤其是低速时速性好，尤其是低速时加速性好。但发动机驱加速性好。但发动机驱动机械增压器要消耗输动机械增压器要消耗输出功率，因此发动机的出功率，因此发动机的燃油经济性较差。一般燃油经济性较差。一般适用于小型汽油机或与适用于小型汽油机或与涡

4、轮增压器复合使用。涡轮增压器复合使用。三、复合增压系统三、复合增压系统1、串联式复合增压系统串联式复合增压系统：空气先经过涡轮增压器提高压力后，：空气先经过涡轮增压器提高压力后，进入中间冷却器降温，再经机械增压器增压。这种增压方式主要进入中间冷却器降温，再经机械增压器增压。这种增压方式主要用于高增压发动机上。用于高增压发动机上。2、并联式复合增压系统并联式复合增压系统：由机械增压器和涡轮增压器同时向发：由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空气。在低速范围内主要靠机械增压，而在高动机供给增压后的空气。在低速范围内主要靠机械增压，而在高转速范围内主要靠涡轮增压。这种增压系统使发动机低转

5、速转矩转速范围内主要靠涡轮增压。这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善。特性得到改善。1、进气系统中节气门的存在使得发动机在低速小负荷时压气机、进气系统中节气门的存在使得发动机在低速小负荷时压气机容易发生喘振容易发生喘振涡轮增压的困难。涡轮增压的困难。2、汽油机增压后爆燃倾向增加汽油机增压后爆燃倾向增加。3、汽油机混合气的过量空气系数小，燃烧温度高，增压后发动、汽油机混合气的过量空气系数小，燃烧温度高，增压后发动机和涡轮增压器的热负荷高。机和涡轮增压器的热负荷高。4、汽油机转速高，范围广，发动机和增压器匹配困难。、汽油机转速高，范围广，发动机和增压器匹配困难。5、涡轮增压汽油机的加速性较差

6、（增压器叶轮的惯性），尤其、涡轮增压汽油机的加速性较差（增压器叶轮的惯性），尤其是低速加速性差。是低速加速性差。四、汽油机增压的困难：四、汽油机增压的困难：1、爆燃控制爆燃控制：应用点火提前角自适应控制系统克服由于增压而增：应用点火提前角自适应控制系统克服由于增压而增加的爆燃倾向。利用爆震传感器检测爆燃信息，并传送给加的爆燃倾向。利用爆震传感器检测爆燃信息，并传送给ECU，电控单元则发出指令推迟点火时刻以消除爆震。待爆震消除后，电控单元则发出指令推迟点火时刻以消除爆震。待爆震消除后，自适应地加大点火提前角，使发动机在最理想的状况下工作。自适应地加大点火提前角，使发动机在最理想的状况下工作。五、

7、电控汽油喷射式汽油机普及增压的原因五、电控汽油喷射式汽油机普及增压的原因 克服了发动机和增压器匹配的困难。电控技术的应用，可以克服了发动机和增压器匹配的困难。电控技术的应用，可以方便地对汽油机增压系统进行爆燃控制（即点火提前角控制）、方便地对汽油机增压系统进行爆燃控制（即点火提前角控制）、放气控制（即增压压力控制）和排放控制。放气控制（即增压压力控制）和排放控制。2、放气控制放气控制：采用增压压力调节装置，有进气旁通阀和排气旁通：采用增压压力调节装置，有进气旁通阀和排气旁通阀以及控制膜盒。由于发动机在大负荷、高转速时，废气能量大，阀以及控制膜盒。由于发动机在大负荷、高转速时，废气能量大，增压器

8、转速高，增压压力高；而低转速、小负荷时，废气能量小，增压器转速高，增压压力高；而低转速、小负荷时，废气能量小，增压器转速低，增压压力低。因此，若增压器按高速、大负荷设增压器转速低，增压压力低。因此，若增压器按高速、大负荷设计，则低速、小负荷时发动机的转矩小，加速性差。因此，轿车计，则低速、小负荷时发动机的转矩小，加速性差。因此，轿车用发动机涡轮增压器的设计转速一般为标定转速的用发动机涡轮增压器的设计转速一般为标定转速的40%，为了限，为了限制高转速时的过高的增压压力（发动机热负荷过大并发生爆燃），制高转速时的过高的增压压力（发动机热负荷过大并发生爆燃），必须采用增压压力调节装置，其工作原理见第

9、三节。必须采用增压压力调节装置，其工作原理见第三节。3、增压中冷增压中冷：增压后的空气温度升高，一则发动机进入气缸内的：增压后的空气温度升高，一则发动机进入气缸内的空气密度下降，输出功率降低；二则还会引起发动机爆燃。因此，空气密度下降，输出功率降低；二则还会引起发动机爆燃。因此，对增压后的空气进行冷却，对提高发动机功率、降低燃油消耗率、对增压后的空气进行冷却，对提高发动机功率、降低燃油消耗率、降低发动机热负荷和减轻发动机爆燃倾向都有利。这是通过在压降低发动机热负荷和减轻发动机爆燃倾向都有利。这是通过在压气机后面连接一个中冷器实现的。在高增压柴油机上的增压系统气机后面连接一个中冷器实现的。在高增

10、压柴油机上的增压系统中也设有中冷器。中也设有中冷器。第二节第二节 机械增压机械增压一、机械增压系统一、机械增压系统 图中，机械增压器图中，机械增压器6为罗茨式为罗茨式压气机，由曲轴带轮压气机，由曲轴带轮12经传动带经传动带和电磁离合器带轮和电磁离合器带轮11驱动。驱动。当发动机在小负荷下当发动机在小负荷下工作时，电控单元工作时，电控单元ECU根根据节气门位置传感器据节气门位置传感器3的的信号使电磁离合器断电，信号使电磁离合器断电，增压器停止工作。与此同增压器停止工作。与此同时，使进气旁通阀时，使进气旁通阀5通电通电而开启，即在不增压的前而开启，即在不增压的前提下，空气经旁通阀提下，空气经旁通阀

11、5以以及旁通管路进入气缸。及旁通管路进入气缸。带中冷器和点火提前带中冷器和点火提前角控制（不发生爆燃）。角控制（不发生爆燃）。二、机械增压器二、机械增压器 罗茨式压气机结构如图示。罗茨式压气机结构如图示。它由转子它由转子3、转子轴、转子轴4、传、传动齿轮动齿轮7、壳体、壳体9、后盖、后盖5和齿和齿轮室罩轮室罩8等组成。等组成。在压气机前端装有电在压气机前端装有电磁离合器磁离合器2及电磁离合器带及电磁离合器带轮轮1。有两个转子。发动机。有两个转子。发动机曲轴带轮经传动带、电磁曲轴带轮经传动带、电磁离合器带轮离合器带轮1和电磁离合器和电磁离合器2驱动其中一个转子，而另驱动其中一个转子，而另一个转子

12、由传动齿轮一个转子由传动齿轮7带动。带动。罗茨式压气机有两叶罗茨式压气机有两叶（直线型）和三叶（螺旋（直线型）和三叶（螺旋型）之分。三叶转子有较型）之分。三叶转子有较低的工作噪声及较好的增低的工作噪声及较好的增压器特性。压器特性。罗茨式压气机工作原理如图示。当转子旋转时，空气从压气罗茨式压气机工作原理如图示。当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出机入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出口压出。出口与进口的压力比可达口压出。出口与进口的压力比可达1.8，供气量与转速成正比。，供气量与转速成正比。三、电磁离合器三、电磁离合器 电磁离合器安装

13、在传动带轮电磁离合器安装在传动带轮1中，结构如图示。中，结构如图示。传动带轮传动带轮1与主动板与主动板2固连接在一起，固连接在一起，从动摩擦片从动摩擦片6与花键套与花键套5固连接在一起。固连接在一起。电控单元根据发动机工况的需要，电控单元根据发动机工况的需要，发出接通或切断电磁离合器电源的指令，发出接通或切断电磁离合器电源的指令，以控制增压器的工作。以控制增压器的工作。当接通电源时，电磁线圈当接通电源时，电磁线圈3通电，主通电，主动板动板2吸引从动摩擦片吸引从动摩擦片6，使离合器处于，使离合器处于结合状态，增压器工作。结合状态，增压器工作。当切断电源时，电磁线圈断电，主当切断电源时，电磁线圈断

14、电，主动板与从动摩擦片分开，增压器停止转动板与从动摩擦片分开，增压器停止转动。动。第三节第三节 涡轮增压涡轮增压一、涡轮增压系统一、涡轮增压系统 涡轮增压系统分单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。涡轮增压系统分单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。涡轮增压系统涡轮增压系统 除包括涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀除包括涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀1、排气旁通阀排气旁通阀9和排气旁通阀控制装置和排气旁通阀控制装置10等，如图示。等，如图示。六缸电控汽油喷射式汽油机常采用双涡轮增压系统，如图六缸电控汽油喷射式汽油机常采用双涡轮增压系统，如图示。其中，不连续发火的示。其中，不连续发火的1、2、3缸作为一组，

15、缸作为一组，4、5、6缸作为缸作为另一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器。另一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器。此系统除包括涡此系统除包括涡轮增压器轮增压器9、进气旁通、进气旁通阀阀2、排气旁通阀、排气旁通阀10及及排气旁通阀控制装置排气旁通阀控制装置11之外，还包括中冷之外，还包括中冷器器3、谐振室、谐振室4和增压和增压压力传感器压力传感器5等。等。二、涡轮增压器的结构及工作原理二、涡轮增压器的结构及工作原理 车用涡轮增压器车用涡轮增压器由由离心式压气机离心式压气机和和径径流式涡轮机流式涡轮机及及中间体中间体三部分组成。增压器三部分组成。增压器轴轴5通过两个浮动轴通过两个浮动轴

16、承承9支承在中间体支承在中间体14内。中间体内有润滑内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，和冷却轴承的油道，还有防止润滑油漏入还有防止润滑油漏入压气机或涡轮机中的压气机或涡轮机中的密封装置等。密封装置等。离心式压气机由离心式压气机由进气道进气道6、压气机叶、压气机叶轮轮3、无叶式扩压管、无叶式扩压管2及压气机涡壳及压气机涡壳1等组成。等组成。当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心离的作用下沿着压气机叶片离的作用下沿着压气机叶片1之间形成的流道，从叶轮中心流向叶之间形成的流道，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

17、流速、压力和温度轮的周边。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提高，然后进入叶片式扩压管均有较大的提高，然后进入叶片式扩压管3。扩压管为渐扩形流道，。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所提高。在扩压管中，空空气流过扩压管时减速增压，温度也有所提高。在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。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片式两种，扩压管分叶片式和无叶片式两种，右图为叶片式，而无叶片式扩压管就右图为叶片式，而无叶片式扩压管就是由涡壳和中间体侧壁所形成的环形是由涡壳和中间体侧壁所形成的环形空间，如图空间，如图7-11所示。其结构简

18、单，所示。其结构简单，工况变化对压气机效率的影响很小，工况变化对压气机效率的影响很小，适用于车用增压器。叶片式扩压管优适用于车用增压器。叶片式扩压管优点是扩压比大，压气机效率高，但结点是扩压比大，压气机效率高，但结构复杂，工况变化对压气机效率有较构复杂，工况变化对压气机效率有较大的影响。大的影响。涡壳的作用是收集从扩压管中流出的空气，将其引向压气机涡壳的作用是收集从扩压管中流出的空气，将其引向压气机出口，空气在涡壳中继续减速增压，完成由动能转变为压力能的出口，空气在涡壳中继续减速增压，完成由动能转变为压力能的过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造，涡壳也用铝合金铸造。过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造

19、，涡壳也用铝合金铸造。2、径流式涡轮机、径流式涡轮机 涡轮机作用是将发动机涡轮机作用是将发动机排气的能量转变为机械功。排气的能量转变为机械功。径流式涡轮机由径流式涡轮机由涡壳涡壳、喷管喷管、叶轮叶轮和和出气道出气道等组成。等组成。发动机排气经涡壳引导发动机排气经涡壳引导进入叶片式喷管进入叶片式喷管3。喷管是由。喷管是由相邻叶片之间构成的减缩形相邻叶片之间构成的减缩形流道。排气流过喷管时降压、流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。从喷管高速流出的废气冲击叶轮的压力能转变为动能。从喷管高速流出的废气冲击叶轮1，并在叶，并在叶片片2所形成的流道

20、中继续膨胀做功，推动叶轮高速旋转。所形成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮高速旋转。涡轮机的喷管也有叶片式和无叶片式之分。现代车用径流式涡轮机的喷管也有叶片式和无叶片式之分。现代车用径流式涡轮机多采用无叶式喷管。此时，涡轮机的涡壳除具有引导废气涡轮机多采用无叶式喷管。此时，涡轮机的涡壳除具有引导废气以一定角度进入涡轮机叶轮的功能外，还具有将排气的压力能和以一定角度进入涡轮机叶轮的功能外，还具有将排气的压力能和热能部分地转变为动能的作用。热能部分地转变为动能的作用。涡轮机叶轮工作温度经常在涡轮机叶轮工作温度经常在900 CA左右，并承受巨大的离心左右，并承受巨大的离心惯性力作用，所以采用镍基耐热合金

21、钢或陶瓷材料制造。陶瓷材惯性力作用，所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。陶瓷材料重量减轻料重量减轻2/3，可使涡轮增压加速滞后的问题大大改善，但耐热，可使涡轮增压加速滞后的问题大大改善，但耐热冲击性能差。冲击性能差。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。涡壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应光洁。涡壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应光洁。3、转子、转子 涡轮机叶轮涡轮机叶轮、压气机叶轮压气机叶轮和和密封套密封套等零件安装在增压器轴上，等零件安装在增压器轴上，构成增压器转子，其转速高达构成增压器转子，其转速高达10万万20万转万转/分，因此，

22、必须经过分，因此，必须经过动平衡检验、调整。增压器轴一般用韧性好、强度高的合金钢动平衡检验、调整。增压器轴一般用韧性好、强度高的合金钢40Cr或或18CrNiWA制造。制造。4、增压器轴承、增压器轴承 车用发动机增压器轴承采用浮动轴承，实际是套在轴上的圆环，车用发动机增压器轴承采用浮动轴承，实际是套在轴上的圆环，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。在增压器工作时，圆环在轴与轴承座之间浮在轴与轴承座之间。在增压器工作时，圆环在轴与轴承座之间缓慢转动。缓慢转动。增压器工作时产生轴向推力，由设置在压气机一

23、侧的推力轴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承受。承承受。三、增压压力的调节三、增压压力的调节 涡轮增压系统中的排气旁通阀涡轮增压系统中的排气旁通阀3受控制膜盒受控制膜盒1控制。控制膜盒中控制。控制膜盒中的膜片将其分成左室右室。右室通过连通管的膜片将其分成左室右室。右室通过连通管11与压气机出口相通，与压气机出口相通，左室通大气，其中的弹簧预紧力向右作用，当压气机出口压力大于左室通大气，其中的弹簧预紧力向右作用，当压气机出口压力大于弹簧预紧力时，经过连动杆弹簧预紧力时，经过连动杆2迫使排气旁通阀打开，控制增压压力迫使排气旁通阀打开，控制增压压力不超过限定值。不超过限定值。进

24、气旁通阀是在发动进气旁通阀是在发动机在低速小负荷、涡轮增压机在低速小负荷、涡轮增压器不工作时工作（打开）的，器不工作时工作（打开）的，向气缸内补充空气。当涡轮向气缸内补充空气。当涡轮增压器工作时，压气机出口增压器工作时，压气机出口压力克服进气旁通阀膜片内压力克服进气旁通阀膜片内侧的弹簧预紧力而关闭。侧的弹簧预紧力而关闭。现代发动机的电控单元现代发动机的电控单元根据压气机出口处增压压力根据压气机出口处增压压力传感器大小控制电磁阀通电传感器大小控制电磁阀通电或断电，以开闭排气旁通阀。或断电，以开闭排气旁通阀。四、涡轮增压器的润滑与冷却四、涡轮增压器的润滑与冷却 来自发动机润滑系统主油道的机油，经增

25、压器中间体上的机油来自发动机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上的机油进口进口1进入增压器，润滑与冷却增压器轴与轴承，然后，机油经机进入增压器，润滑与冷却增压器轴与轴承，然后，机油经机油出口油出口2返回发动机油底壳。在增压器轴上安装油封，若损坏，将返回发动机油底壳。在增压器轴上安装油封，若损坏，将导致机油消耗剧增，发动机排气冒蓝烟。导致机油消耗剧增，发动机排气冒蓝烟。汽油机涡轮增压器的热汽油机涡轮增压器的热负荷大，因此必须在涡轮机负荷大，因此必须在涡轮机一侧设置冷却水套，并用软一侧设置冷却水套，并用软水管与发动机的冷却系连通。水管与发动机的冷却系连通。进水口进水口3和出水口和出水口4均在中间均在中间体上。体上。如果只靠机油和空气对如果只靠机油和空气对涡轮增压器进行冷却，则当涡轮增压器进行冷却，则当发动机在大负荷或高转速工发动机在大负荷或高转速工作之后，如果立即停机，那作之后，如果立即停机，那么机油可能因轴承温度太高么机油可能因轴承温度太高而燃烧。而燃烧。