第七章汽車發(fā)動機增壓

1、第七章第七章 汽車發(fā)動機增壓汽車發(fā)動機增壓第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、增壓的目的是通過將空氣預先壓縮后供一、增壓的目的是通過將空氣預先壓縮后供入氣缸，增加進氣質(zhì)量，相應地增加循環(huán)供入氣缸，增加進氣質(zhì)量，相應地增加循環(huán)供油量，從而可以增加發(fā)動機功率。油量，從而可以增加發(fā)動機功率。二、增壓的基本類型分二、增壓的基本類型分渦輪增壓渦輪增壓、機械增壓機械增壓、氣波增壓氣波增壓三種，對應的增壓器稱三種，對應的增壓器稱渦輪增壓器渦輪增壓器、機械增壓器機械增壓器、氣波增壓器氣波增壓器（不講）。（不講）。1、渦輪增壓器渦輪增壓器： 由由渦輪機渦輪機和和壓氣機壓氣機構成。構成。 將發(fā)動機發(fā)出的廢氣引入渦輪機，廢氣

2、的將發(fā)動機發(fā)出的廢氣引入渦輪機，廢氣的能量推動渦輪機葉輪旋轉，并帶動與其同軸能量推動渦輪機葉輪旋轉，并帶動與其同軸安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內(nèi)增壓后進入氣缸。內(nèi)增壓后進入氣缸。 渦輪增壓的最大優(yōu)點是燃油經(jīng)濟性好，并渦輪增壓的最大優(yōu)點是燃油經(jīng)濟性好，并可大幅度降低有害氣體的排放和噪聲水平。可大幅度降低有害氣體的排放和噪聲水平。缺點是低速時排氣能量低，增壓效果差，低缺點是低速時排氣能量低，增壓效果差，低速加速性能較差。速加速性能較差。2、機械增壓器：由發(fā)動機曲軸、機械增壓器：由發(fā)動機曲軸1經(jīng)齒輪增速器經(jīng)齒輪增速器5驅(qū)動（圖驅(qū)動（圖a），），或或由曲

3、軸齒形傳動帶輪經(jīng)齒形傳動帶由曲軸齒形傳動帶輪經(jīng)齒形傳動帶9及電磁離合器及電磁離合器6驅(qū)動。驅(qū)動。 機械增壓能有效機械增壓能有效提高發(fā)動機功率，與渦提高發(fā)動機功率，與渦輪增壓相比，其低速增輪增壓相比，其低速增壓效果更好。由于機械壓效果更好。由于機械增壓器與發(fā)動機直接機增壓器與發(fā)動機直接機械聯(lián)系，因此，其變工械聯(lián)系，因此，其變工況的瞬態(tài)響應性好，加況的瞬態(tài)響應性好，加速性好，尤其是低速時速性好，尤其是低速時加速性好。但發(fā)動機驅(qū)加速性好。但發(fā)動機驅(qū)動機械增壓器要消耗輸動機械增壓器要消耗輸出功率，因此發(fā)動機的出功率，因此發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性較差。一般燃油經(jīng)濟性較差。一般適用于小型汽油機或與適用于小型汽油

4、機或與渦輪增壓器復合使用。渦輪增壓器復合使用。三、復合增壓系統(tǒng)三、復合增壓系統(tǒng)1、串聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)串聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：空氣先經(jīng)過渦輪增壓器提高壓力后，：空氣先經(jīng)過渦輪增壓器提高壓力后，進入中間冷卻器降溫，再經(jīng)機械增壓器增壓。這種增壓方式主要進入中間冷卻器降溫，再經(jīng)機械增壓器增壓。這種增壓方式主要用于高增壓發(fā)動機上。用于高增壓發(fā)動機上。2、并聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)并聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：由機械增壓器和渦輪增壓器同時向發(fā)：由機械增壓器和渦輪增壓器同時向發(fā)動機供給增壓后的空氣。在低速范圍內(nèi)主要靠機械增壓，而在高動機供給增壓后的空氣。在低速范圍內(nèi)主要靠機械增壓，而在高轉速范圍內(nèi)主要靠渦輪增壓。這種增壓系統(tǒng)使發(fā)

5、動機低轉速轉矩轉速范圍內(nèi)主要靠渦輪增壓。這種增壓系統(tǒng)使發(fā)動機低轉速轉矩特性得到改善。特性得到改善。1、進氣系統(tǒng)中節(jié)氣門的存在使得發(fā)動機在低速小負荷時壓氣機、進氣系統(tǒng)中節(jié)氣門的存在使得發(fā)動機在低速小負荷時壓氣機容易發(fā)生喘振容易發(fā)生喘振渦輪增壓的困難。渦輪增壓的困難。2、汽油機增壓后爆燃傾向增加汽油機增壓后爆燃傾向增加。3、汽油機混合氣的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，增壓后發(fā)動、汽油機混合氣的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，增壓后發(fā)動機和渦輪增壓器的熱負荷高。機和渦輪增壓器的熱負荷高。4、汽油機轉速高，范圍廣，發(fā)動機和增壓器匹配困難。、汽油機轉速高，范圍廣，發(fā)動機和增壓器匹配困難。5、渦輪增壓汽油機的加

6、速性較差（增壓器葉輪的慣性），尤其、渦輪增壓汽油機的加速性較差（增壓器葉輪的慣性），尤其是低速加速性差。是低速加速性差。四、汽油機增壓的困難：四、汽油機增壓的困難：1、爆燃控制爆燃控制：應用點火提前角自適應控制系統(tǒng)克服由于增壓而增：應用點火提前角自適應控制系統(tǒng)克服由于增壓而增加的爆燃傾向。利用爆震傳感器檢測爆燃信息，并傳送給加的爆燃傾向。利用爆震傳感器檢測爆燃信息，并傳送給ECU，電控單元則發(fā)出指令推遲點火時刻以消除爆震。待爆震消除后，電控單元則發(fā)出指令推遲點火時刻以消除爆震。待爆震消除后，自適應地加大點火提前角，使發(fā)動機在最理想的狀況下工作。自適應地加大點火提前角，使發(fā)動機在最理想的狀況下工

7、作。五、電控汽油噴射式汽油機普及增壓的原因五、電控汽油噴射式汽油機普及增壓的原因 克服了發(fā)動機和增壓器匹配的困難。電控技術的應用，可以克服了發(fā)動機和增壓器匹配的困難。電控技術的應用，可以方便地對汽油機增壓系統(tǒng)進行爆燃控制（即點火提前角控制）、方便地對汽油機增壓系統(tǒng)進行爆燃控制（即點火提前角控制）、放氣控制（即增壓壓力控制）和排放控制。放氣控制（即增壓壓力控制）和排放控制。2、放氣控制放氣控制：采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置，有進氣旁通閥和排氣旁通：采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置，有進氣旁通閥和排氣旁通閥以及控制膜盒。由于發(fā)動機在大負荷、高轉速時，廢氣能量大，閥以及控制膜盒。由于發(fā)動機在大負荷、高轉速時，廢氣能量大

8、，增壓器轉速高，增壓壓力高；而低轉速、小負荷時，廢氣能量小，增壓器轉速高，增壓壓力高；而低轉速、小負荷時，廢氣能量小，增壓器轉速低，增壓壓力低。因此，若增壓器按高速、大負荷設增壓器轉速低，增壓壓力低。因此，若增壓器按高速、大負荷設計，則低速、小負荷時發(fā)動機的轉矩小，加速性差。因此，轎車計，則低速、小負荷時發(fā)動機的轉矩小，加速性差。因此，轎車用發(fā)動機渦輪增壓器的設計轉速一般為標定轉速的用發(fā)動機渦輪增壓器的設計轉速一般為標定轉速的40%，為了限，為了限制高轉速時的過高的增壓壓力（發(fā)動機熱負荷過大并發(fā)生爆燃），制高轉速時的過高的增壓壓力（發(fā)動機熱負荷過大并發(fā)生爆燃），必須采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置，其工作

9、原理見第三節(jié)。必須采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置，其工作原理見第三節(jié)。3、增壓中冷增壓中冷：增壓后的空氣溫度升高，一則發(fā)動機進入氣缸內(nèi)的：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，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，對提高發(fā)動機功率、降低燃油消耗率、對增壓后的空氣進行冷卻，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。這是通過在壓降低發(fā)動機熱負荷和減輕發(fā)動機爆燃傾向都有利。這是通過在壓氣機后面連接一個中冷器實現(xiàn)的。在高增壓柴油機上的增壓系統(tǒng)氣機后面連接一個中冷器實現(xiàn)的

10、。在高增壓柴油機上的增壓系統(tǒng)中也設有中冷器。中也設有中冷器。 第二節(jié)第二節(jié) 機械增壓機械增壓一、機械增壓系統(tǒng)一、機械增壓系統(tǒng) 圖中，機械增壓器圖中，機械增壓器6為羅茨式為羅茨式壓氣機，由曲軸帶輪壓氣機，由曲軸帶輪12經(jīng)傳動帶經(jīng)傳動帶和電磁離合器帶輪和電磁離合器帶輪11驅(qū)動。驅(qū)動。 當發(fā)動機在小負荷下當發(fā)動機在小負荷下工作時，電控單元工作時，電控單元ECU根根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器據(jù)節(jié)氣門位置傳感器3的的信號使電磁離合器斷電，信號使電磁離合器斷電，增壓器停止工作。與此同增壓器停止工作。與此同時，使進氣旁通閥時，使進氣旁通閥5通電通電而開啟，即在不增壓的前而開啟，即在不增壓的前提下，空氣經(jīng)旁通閥提下，

11、空氣經(jīng)旁通閥5以以及旁通管路進入氣缸。及旁通管路進入氣缸。 帶中冷器和點火提前帶中冷器和點火提前角控制（不發(fā)生爆燃）。角控制（不發(fā)生爆燃）。二、機械增壓器二、機械增壓器 羅茨式壓氣機結構如圖示。羅茨式壓氣機結構如圖示。 它由轉子它由轉子3、轉子軸、轉子軸4、傳、傳動齒輪動齒輪7、殼體、殼體9、后蓋、后蓋5和齒和齒輪室罩輪室罩8等組成。等組成。 在壓氣機前端裝有電在壓氣機前端裝有電磁離合器磁離合器2及電磁離合器帶及電磁離合器帶輪輪1。有兩個轉子。發(fā)動機。有兩個轉子。發(fā)動機曲軸帶輪經(jīng)傳動帶、電磁曲軸帶輪經(jīng)傳動帶、電磁離合器帶輪離合器帶輪1和電磁離合器和電磁離合器2驅(qū)動其中一個轉子，而另驅(qū)動其中一個

12、轉子，而另一個轉子由傳動齒輪一個轉子由傳動齒輪7帶動。帶動。 羅茨式壓氣機有兩葉羅茨式壓氣機有兩葉（直線型）和三葉（螺旋（直線型）和三葉（螺旋型）之分。三葉轉子有較型）之分。三葉轉子有較低的工作噪聲及較好的增低的工作噪聲及較好的增壓器特性。壓器特性。 羅茨式壓氣機工作原理如圖示。當轉子旋轉時，空氣從壓氣羅茨式壓氣機工作原理如圖示。當轉子旋轉時，空氣從壓氣機入口吸入，在轉子葉片的推動下空氣被加速，然后從壓氣機出機入口吸入，在轉子葉片的推動下空氣被加速，然后從壓氣機出口壓出。出口與進口的壓力比可達口壓出。出口與進口的壓力比可達1.8，供氣量與轉速成正比。，供氣量與轉速成正比。三、電磁離合器三、電磁

13、離合器 電磁離合器安裝在傳動帶輪電磁離合器安裝在傳動帶輪1中，結構如圖示。中，結構如圖示。 傳動帶輪傳動帶輪1與主動板與主動板2固連接在一起，固連接在一起，從動摩擦片從動摩擦片6與花鍵套與花鍵套5固連接在一起。固連接在一起。 電控單元根據(jù)發(fā)動機工況的需要，電控單元根據(jù)發(fā)動機工況的需要，發(fā)出接通或切斷電磁離合器電源的指令，發(fā)出接通或切斷電磁離合器電源的指令，以控制增壓器的工作。以控制增壓器的工作。 當接通電源時，電磁線圈當接通電源時，電磁線圈3通電，主通電，主動板動板2吸引從動摩擦片吸引從動摩擦片6，使離合器處于，使離合器處于結合狀態(tài)，增壓器工作。結合狀態(tài)，增壓器工作。 當切斷電源時，電磁線圈斷

14、電，主當切斷電源時，電磁線圈斷電，主動板與從動摩擦片分開，增壓器停止轉動板與從動摩擦片分開，增壓器停止轉動。動。 第三節(jié)第三節(jié) 渦輪增壓渦輪增壓一、渦輪增壓系統(tǒng)一、渦輪增壓系統(tǒng) 渦輪增壓系統(tǒng)分單渦輪增壓系統(tǒng)和雙渦輪增壓系統(tǒng)。渦輪增壓系統(tǒng)分單渦輪增壓系統(tǒng)和雙渦輪增壓系統(tǒng)。 渦輪增壓系統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng) 除包括渦輪增壓器之外，還包括進氣旁通閥除包括渦輪增壓器之外，還包括進氣旁通閥1、排氣旁通閥排氣旁通閥9和排氣旁通閥控制裝置和排氣旁通閥控制裝置10等，如圖示。等，如圖示。 六缸電控汽油噴射式汽油機常采用雙渦輪增壓系統(tǒng)，如圖六缸電控汽油噴射式汽油機常采用雙渦輪增壓系統(tǒng)，如圖示。其中，不連續(xù)發(fā)火的示。其中

15、，不連續(xù)發(fā)火的1、2、3缸作為一組，缸作為一組，4、5、6缸作為缸作為另一組，每組三個氣缸的排氣驅(qū)動一個渦輪增壓器。另一組，每組三個氣缸的排氣驅(qū)動一個渦輪增壓器。 此系統(tǒng)除包括渦此系統(tǒng)除包括渦輪增壓器輪增壓器9、進氣旁通、進氣旁通閥閥2、排氣旁通閥、排氣旁通閥10及及排氣旁通閥控制裝置排氣旁通閥控制裝置11之外，還包括中冷之外，還包括中冷器器3、諧振室、諧振室4和增壓和增壓壓力傳感器壓力傳感器5等。等。二、渦輪增壓器的結構及工作原理二、渦輪增壓器的結構及工作原理 車用渦輪增壓器車用渦輪增壓器由由離心式壓氣機離心式壓氣機和和徑徑流式渦輪機流式渦輪機及及中間體中間體三部分組成。增壓器三部分組成。增

16、壓器軸軸5通過兩個浮動軸通過兩個浮動軸承承9支承在中間體支承在中間體14內(nèi)。中間體內(nèi)有潤滑內(nèi)。中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道，和冷卻軸承的油道，還有防止?jié)櫥吐┤脒€有防止?jié)櫥吐┤雺簹鈾C或渦輪機中的壓氣機或渦輪機中的密封裝置等。密封裝置等。 離心式壓氣機由離心式壓氣機由進氣道進氣道6、壓氣機葉、壓氣機葉輪輪3、無葉式擴壓管、無葉式擴壓管2及壓氣機渦殼及壓氣機渦殼1等組成。等組成。 當壓氣機旋轉時，空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪，并在離心當壓氣機旋轉時，空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪，并在離心離的作用下沿著壓氣機葉片離的作用下沿著壓氣機葉片1之間形成的流道，從葉輪中心流向葉之間形成的流道，從葉輪中心流向

17、葉輪的周邊?？諝鈴男D的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度輪的周邊。空氣從旋轉的葉輪獲得能量，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，。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變?yōu)閴毫δ?。氣所具有的大部分動能轉變?yōu)閴毫δ堋?擴壓管分葉片式和無葉片式兩種，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右圖為葉片式，而無葉片式擴壓管就是由渦殼和中間體側壁所形成的環(huán)形是由渦殼和中間體側壁所形成的環(huán)

18、形空間，如圖空間，如圖7-11所示。其結構簡單，所示。其結構簡單，工況變化對壓氣機效率的影響很小，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)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，但結點是擴壓比大，壓氣機效率高，但結構復雜，工況變化對壓氣機效率有較構復雜，工況變化對壓氣機效率有較大的影響。大的影響。 渦殼的作用是收集從擴壓管中流出的空氣，將其引向壓氣機渦殼的作用是收集從擴壓管中流出的空氣，將其引向壓氣機出口，空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓，完成由動能轉變?yōu)閴毫δ艿某隹冢諝庠跍u殼中繼續(xù)減速增壓，完成由動能轉變?yōu)閴毫δ艿倪^程。壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造，渦殼也

19、用鋁合金鑄造。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、徑流式渦輪機 渦輪機作用是將發(fā)動機渦輪機作用是將發(fā)動機排氣的能量轉變?yōu)闄C械功。排氣的能量轉變?yōu)闄C械功。徑流式渦輪機由徑流式渦輪機由渦殼渦殼、噴管噴管、葉輪葉輪和和出氣道出氣道等組成。等組成。 發(fā)動機排氣經(jīng)渦殼引導發(fā)動機排氣經(jīng)渦殼引導進入葉片式噴管進入葉片式噴管3。噴管是由。噴管是由相鄰葉片之間構成的減縮形相鄰葉片之間構成的減縮形流道。排氣流過噴管時降壓、流道。排氣流過噴管時降壓、降溫、增速、膨脹，使排氣降溫、增速、膨脹，使排氣的壓力能轉變?yōu)閯幽?。從噴管高速流出的廢氣沖擊葉輪的壓力能轉變?yōu)閯幽堋膰姽芨咚倭鞒龅?/p>

20、廢氣沖擊葉輪1，并在葉，并在葉片片2所形成的流道中繼續(xù)膨脹做功，推動葉輪高速旋轉。所形成的流道中繼續(xù)膨脹做功，推動葉輪高速旋轉。 渦輪機的噴管也有葉片式和無葉片式之分?，F(xiàn)代車用徑流式渦輪機的噴管也有葉片式和無葉片式之分。現(xiàn)代車用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渦輪機葉輪的功能外，還具有將排氣的壓力能和以一定角度進入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變?yōu)閯幽艿淖饔?。熱能部分地轉變?yōu)閯幽艿淖饔谩?渦輪機葉輪工作溫度經(jīng)常在渦輪機葉輪工作溫度經(jīng)常在900 CA左右，并承受巨大的離心左

21、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，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。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。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。渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造，內(nèi)表面應光潔。3、轉子、轉子 渦輪機葉輪渦輪機葉輪、壓氣機葉輪壓氣機葉輪和和密封套密封套等零件安裝在增壓器軸上，等零件安裝在增壓器軸上，構成增壓器轉子，其轉速高達構

22、成增壓器轉子，其轉速高達10萬萬20萬轉萬轉/分，因此，必須經(jīng)過動分，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或或18CrNiWA制造。制造。4、增壓器軸承、增壓器軸承 車用發(fā)動機增壓器軸承采用浮動軸承，實際是套在軸上的圓環(huán)，車用發(fā)動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)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

23、動。緩慢轉動。 增壓器工作時產(chǎn)生軸向推力，由設置在壓氣機一側的推力軸增壓器工作時產(chǎn)生軸向推力，由設置在壓氣機一側的推力軸承承受。承承受。三、增壓壓力的調(diào)節(jié)三、增壓壓力的調(diào)節(jié) 渦輪增壓系統(tǒng)中的排氣旁通閥渦輪增壓系統(tǒng)中的排氣旁通閥3受控制膜盒受控制膜盒1控制?？刂颇ず兄锌刂啤？刂颇ず兄械哪て瑢⑵浞殖勺笫矣沂摇Ｓ沂彝ㄟ^連通管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，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，控制增壓壓力迫使排