第十章 內(nèi)燃機的增壓

1、工程機械發(fā)動機構(gòu)造 第十章 內(nèi)燃機的增壓 第一節(jié) 增壓的基本概念 增壓就是利用專用的裝置（增壓器）在進氣過程中采用 強制的方法，將新鮮氣體送入氣缸，其進氣量大大高于自然 進氣的進氣量，其平均有效壓力的數(shù)值可以大幅度提高。 內(nèi)燃機增壓后，其功率提高程度稱為增壓度。 內(nèi)燃機增壓后，進入氣缸的氣體壓力與大氣壓力之比稱 為增壓壓比。 用增壓的方法來提高內(nèi)燃機的功率指標也有一定的限度 ，主要受機械負荷、熱負荷、制造增壓器的耐熱材料許用 溫度的限制。 增壓的方式主要有機械增壓、渦輪增壓和 氣波增壓三種，各自的結(jié)構(gòu)工作的原理各不相 同，但都可以起到增加進氣壓力的作用。 最早的增壓器是機械增壓，在剛發(fā)明時被

2、稱為超級增壓器(Supercharger)，渦輪增壓發(fā) 明之后為了區(qū)隔兩者，將渦輪增壓器稱為 Turbo Supercharger，機械增壓則被稱為 Mechanical Supercharger，后來，兩者就分 別被簡化為Turbocharger與Supercharger了。 第二節(jié) 機械增壓 由機械增壓器產(chǎn)生壓力，達到增壓的效果 ，其低速增壓效果好，機構(gòu)比較緊湊，但驅(qū)動 增壓器需消耗發(fā)動機功率，燃油消耗率略高。 機械增壓器壓縮機的驅(qū)動力來自引擎曲軸 ，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將 曲軸運轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。 依構(gòu)造不同，機械增壓出現(xiàn)過許多種類，包括 葉片(Vane)

3、、羅茨(Roots)、溫克爾(Wankle) 等型式，羅茨增壓器有雙葉與三葉轉(zhuǎn)子兩種型 式，以雙葉轉(zhuǎn)子較普遍，其構(gòu)造是在橢圓形的 殼體中裝兩個繭形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間有極小的 間隙而不直接相連，借由螺旋齒輪連動，其中 一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動的皮帶輪連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓 時即放開離合器以停止增壓,離合器則由計算 機控制以達到省油的目的。 機械增壓的特征，除了在低轉(zhuǎn)速便可獲 得增壓外，增壓的動力輸出也與曲軸轉(zhuǎn)速成一 定的比例，即機械增壓引擎的油門反應隨著轉(zhuǎn) 速的提高，動力輸出隨之增強，因此機械增壓 引擎的操作感覺與自然氣極為相似，卻能擁有 較大的馬力與扭矩。 第三節(jié) 渦

4、輪增壓 渦輪增壓的原理是利用引擎運轉(zhuǎn)時所排出來的 廢氣,用廢氣來轉(zhuǎn)動渦輪增壓器中的排氣側(cè)轉(zhuǎn)子,而 排氣側(cè)轉(zhuǎn)子與進氣側(cè)轉(zhuǎn)子(Compressor)是同軸異室, 當排氣側(cè)轉(zhuǎn)子達到一定轉(zhuǎn)速時它帶動另一側(cè)的 Compressor,使Compressor轉(zhuǎn)子引進外來的新鮮空氣 ,經(jīng)過壓縮倒入進氣歧管內(nèi),因此Turbo車的進氣是非 自然方式,是經(jīng)過吸進來,再壓縮所以空氣壓力是 大于大氣壓力的。 渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動機進 氣量，從而提高發(fā)動機的功率和扭矩，讓車子 更有勁。一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其最 大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40% 甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺的發(fā)動機 在經(jīng)過增

5、壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。就拿我 們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動機來說，經(jīng)過增 壓之后，動力可以達到2.4L發(fā)動機的水平，但 是耗油量卻比1.8發(fā)動機并不高多少，在另外一 個層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟性和降低尾氣 排放。 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理 渦輪增壓器由離 心式壓氣機和徑流式 渦輪機及中間體三部 分組成。增壓器軸5 通過兩個浮動軸承9 支承在中間體14內(nèi)。 中間體內(nèi)有潤滑和冷 卻軸承的油道，還有 防止?jié)櫥吐┤雺簹?機或渦輪機中的密封 裝置等。 離心式壓氣機由 進氣道6、壓氣機葉 輪3、無葉式擴壓管2及壓氣機渦殼1等組成。 當壓氣機旋轉(zhuǎn)時，空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪，并在離心 離的作用

6、下沿著壓氣機葉片1之間形成的流道，從葉輪中心流向葉 輪的周邊?？諝鈴男D(zhuǎn)的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度 均有較大的提高，然后進入葉片式擴壓管3。擴壓管為漸擴形流道， 空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所提高。在擴壓管中，空 氣所具有的大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋?擴壓管分葉片式和無葉片式兩 種，右圖為葉片式，而無葉片式擴壓 管就是由渦殼和中間體側(cè)壁所形成的 環(huán)形空間，如圖7-11所示。其結(jié)構(gòu)簡 單，工況變化對壓氣機效率的影響很 小，適用于車用增壓器。葉片式擴壓 管優(yōu)點是擴壓比大，壓氣機效率高， 但結(jié)構(gòu)復雜，工況變化對壓氣機效率 有較大的影響。 渦殼的作用是收集從擴壓管中流出的空氣，將其引向壓

7、氣機 出口，空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓，完成由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿?過程。壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造，渦殼也用鋁合金鑄造。 2、徑流式渦輪機 渦輪機作用是將發(fā)動機 排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。 徑流式渦輪機由渦殼、噴管、 葉輪和出氣道等組成。 發(fā)動機排氣經(jīng)渦殼引導 進入葉片式噴管3。噴管是由 相鄰葉片之間構(gòu)成的減縮形 流道。排氣流過噴管時降壓、 降溫、增速、膨脹，使排氣 的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。從噴管高速流出的廢氣沖擊葉輪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(zhuǎn)。 渦輪機的噴管也有葉片式和無葉片式之分?，F(xiàn)代徑流式渦輪 機多采用無葉式噴管。此時，渦輪機的渦殼除具有引導廢氣以一 定角度進入

8、渦輪機葉輪的功能外，還具有將排氣的壓力能和熱能 部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿淖饔谩?渦輪機葉輪工作溫度經(jīng)常在900CA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。 3、轉(zhuǎn)子 渦輪機葉輪、壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上， 構(gòu)成增壓器轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)速高達10萬20萬轉(zhuǎn)/分，因此，必須經(jīng)過動 平衡檢驗、調(diào)整。增壓器軸一般用韌性好、強度高的合金鋼40Cr 或18CrNiWA制造。 4、增壓器軸承 車用發(fā)動

9、機增壓器軸承采用浮動軸承，實際是套在軸上的圓環(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。在增壓器工作時，圓環(huán)在軸與軸承座之間 緩慢轉(zhuǎn)動。 增壓器工作時產(chǎn)生軸向推力，由設(shè)置在壓氣機一側(cè)的推力軸 承承受。 三、增壓壓力的調(diào)節(jié) 渦輪增壓系統(tǒng)中的排氣旁通閥3受控制膜盒1控制。控制膜盒中 的膜片將其分成左室右室。右室通過連通管11與壓氣機出口相通， 左室通大氣，其中的彈簧預緊力向右作用，當壓氣機出口壓力大于 彈簧預緊力時，經(jīng)過連動桿2迫使排氣旁通閥打開，控制增壓壓力 不超過限定值。 進氣旁通閥是在發(fā)動 機在低速小負荷、渦輪增壓 器不工作時工作（打開）的， 向氣缸內(nèi)

10、補充空氣。當渦輪 增壓器工作時，壓氣機出口 壓力克服進氣旁通閥膜片內(nèi) 側(cè)的彈簧預緊力而關(guān)閉。 現(xiàn)代發(fā)動機的電控單元 根據(jù)壓氣機出口處增壓壓力 傳感器大小控制電磁閥通電 或斷電，以開閉排氣旁通閥。 四、渦輪增壓器的潤滑與冷卻 來自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道的機油，經(jīng)增壓器中間體上的機油 進口1進入增壓器，潤滑與冷卻增壓器軸與軸承，然后，機油經(jīng)機 油出口2返回發(fā)動機油底殼。在增壓器軸上安裝油封，若損壞，將 導致機油消耗劇增，發(fā)動機排氣冒藍煙。 汽油機渦輪增壓器的熱 負荷大，因此必須在渦輪機 一側(cè)設(shè)置冷卻水套，并用軟 水管與發(fā)動機的冷卻系連通。 進水口3和出水口4均在中間 體上。 如果只靠機油和空氣對 渦

11、輪增壓器進行冷卻，則當 發(fā)動機在大負荷或高轉(zhuǎn)速工 作之后，如果立即停機，那 么機油可能因軸承溫度太高 而燃燒。 渦輪增壓由于是超高轉(zhuǎn)速地運轉(zhuǎn)軸承,隨 之而來的高溫排除或增壓過度的泄壓就是關(guān)鍵 。目前常用的就是機油導入來潤滑與冷卻軸承 ,也有用水冷式的。 渦輪增壓的確能夠提升發(fā)動機的動力，不過它 的缺點也有不少，其最明顯的就是動力輸出反應滯 后。同時安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來的感覺 是和大排量的汽車有一定差異的。 還有在經(jīng)過了增壓之后，發(fā)動機在工作時候的 壓力和溫度都大大升高，因此發(fā)動機壽命會比同樣 排量沒有經(jīng)過增壓的發(fā)動機要短，而且機械性能、 潤滑性能都會受到影響，這樣也在一定程度上限制 了渦輪增壓技術(shù)在發(fā)動機上的應用。 一、增壓空氣中冷 增壓壓力較高時，功率對壓力的增長率較 低，這是因為增壓后的空氣溫度升高，一則發(fā) 動機進入氣缸內(nèi)的空氣密度下降，輸出功率降 低；二則還會引起發(fā)動機爆燃。因此，對增壓 后的空氣進行冷卻，以提高它的密度，這就是 增壓空氣的中間冷卻，對提高發(fā)動機功率、降 低燃油消耗率、降低發(fā)動機熱負荷和減輕發(fā)動 機爆燃傾向都有利。進行中間冷卻的裝置稱為 中冷器。 中冷器的冷卻介質(zhì)可以是水，也可以 是空氣。 二、增壓