渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及使用全解

1、-論文封面 成績：科技大學(xué)2021 -2021學(xué)年第1學(xué)期?過程裝備與控制專業(yè)概論?班級： 裝控153 *：1505020312 ： 明海 開課學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 任課教師： 欒德玉、翟紅巖 論文題目：論文要求：（1） 在查閱文獻(xiàn)根底上，選擇與過控專業(yè)相關(guān)或相近的題目；（2） 結(jié)合課程容，闡述所選課題容的原理、開展、應(yīng)用等；（3） 論文格式按學(xué)校的課程論文規(guī)要求；（4） 字?jǐn)?shù)不少于3000字，對于創(chuàng)新設(shè)計(jì)及思路可降低字?jǐn)?shù)要求，但應(yīng)有設(shè)計(jì)草圖；（5） 完成PPT制作并演講；PPT以圖片形式附在論文后面，每頁插4-6個(gè)圖片；（6） 用單獨(dú)一頁紙?zhí)岢鲆恢炼€(gè)問題，并簡單解釋所提出的問題。教師評語：

2、 教師簽字： 年 月 日. z-渦輪增壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、原理及改良摘要 渦輪增壓簡稱Turbo，我們經(jīng)?？梢栽谄囄膊靠吹絋urbo或者T的標(biāo)志，這些標(biāo)志說明該車采用的發(fā)動機(jī)是渦輪增壓發(fā)動機(jī)。本文介紹了渦輪增壓器的構(gòu)造和原理，對它的保養(yǎng)及使用進(jìn)展了闡述，同時(shí)，通過分析常見故障，對改良措施以及開展方向有了一定的看法。關(guān)鍵詞：渦輪增壓 廢氣 常見故障 改良措施【引言】渦輪增壓器，一個(gè)近十年出現(xiàn)的詞語。人們只知道汽車排量后面帶T的車輛就是帶有渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)，汽車的加速就會快，性能也好。渦輪增壓器會產(chǎn)生更大的扭矩以滿足駕駛樂趣。為了滿足發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的需求，1989年出現(xiàn)了可變增壓的渦輪增壓器VN

3、T。在發(fā)動機(jī)低速時(shí)，渦輪增壓器減小喉口，提高增壓；在發(fā)動機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪增壓器喉口增大，保證增壓不會超出需求。喉口可用真空管控制。優(yōu)點(diǎn)是提高了發(fā)動機(jī)低速時(shí)的加速性能。目前，渦輪增壓器已經(jīng)占到了50%，在亞洲、美國也都在增長?，F(xiàn)代渦輪增壓器也改變了人們對柴油機(jī)的看法，渦輪增壓器已經(jīng)成為提高動力性能的主流方向。一渦輪增壓器的作用和構(gòu)造以及工作原理一作用渦輪增壓器按增壓方式分為廢氣渦輪增壓器、復(fù)合式廢氣渦輪增壓器和組合式渦輪增壓器。他們的作用分別如下：1.廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機(jī)排出的具有一定能量的廢氣進(jìn)入渦輪并膨脹做功，廢氣渦輪的全部功率用于驅(qū)動與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪，在. z-壓氣

4、機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸。廢氣渦輪與壓氣機(jī)通常裝成一體，便稱為廢氣渦輪增壓器。其構(gòu)造簡單，工作可靠，一般柴油機(jī)合理地加裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)后，可提高功率20% 30% ，降低比油耗 5% 左右，有利于改善整機(jī)動力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放品質(zhì)，因而得到廣泛應(yīng)用。 2.復(fù)合式廢氣渦輪增壓器。 廢氣渦輪增壓器是將廢氣動力渦輪與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)起來工作，稱為復(fù)合式廢氣渦輪增壓器。在*些增壓度較高的柴油機(jī)上，廢氣能量除驅(qū)動廢氣渦輪增壓器外，尚有多余的能量用于驅(qū)動低壓廢氣動力渦輪，該動力渦輪通過齒輪變速器及液力耦合器與發(fā)動機(jī)輸出軸聯(lián)接。這樣，廢氣渦輪增壓器到達(dá)增壓的目的，而廢氣動力渦輪將廢氣能量直接變?yōu)?/p>

5、功率送給曲軸。3.組合式渦輪增壓器。組合式渦輪增壓器由廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣慣性增壓組合而成。在該增壓系統(tǒng)中，除廢氣渦輪增壓器外，還有由穩(wěn)壓箱、共振管、共振室等構(gòu)成的進(jìn)氣慣性增壓系統(tǒng)，利用壓力峰值可進(jìn)一步提高增壓后的進(jìn)氣壓力。二構(gòu)造廢氣渦輪增壓器一般由單級離心式壓氣機(jī)和單級軸式渦輪機(jī)或徑流式渦輪機(jī)組成為機(jī)組，并分別稱為軸流式廢氣渦輪增壓器和徑流式廢氣渦輪增壓器。壓氣機(jī)和渦輪機(jī)二者的工作輪裝在同一根軸上，稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動。這種渦輪增壓器工作的條件，除 壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣外，在任何工況下其效率也是一樣的。渦輪增壓器按轉(zhuǎn)子的支承情況有各種不同構(gòu)造方案，最常見的有幾種： 1.外雙

6、支承式即轉(zhuǎn)子兩端有支撐，這種方案亦稱無懸臂式支承，在軸流式大型渦輪增壓器上應(yīng)用最廣。 2.雙支承式即二個(gè)軸承都放在葉輪里面，所以又叫懸臂支承，這樣可保證渦輪增壓器的尺寸小、重量輕。這種構(gòu)造形式在小型徑流式渦輪增壓器上應(yīng)用最廣。 3.單懸臂式支承即壓氣機(jī)的工作輪呈懸臂布置，轉(zhuǎn)子支點(diǎn)在渦輪機(jī)工作輪的兩側(cè)。這種方案可使壓氣機(jī)進(jìn)口損失最小和渦輪構(gòu)造緊湊，因此應(yīng)用也較廣。 4.懸臂支撐壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)的工作輪緊挨著，像是兩面部有葉輪的工作艙，所以又稱單轉(zhuǎn)子。上述幾種方案中的支點(diǎn)可采用滑動軸承，也可采用滾動軸承。滾動軸承的摩擦損失不大，長度也小，但壽命不如滑動軸承。因此，國外的增壓器廣泛采用滑動軸承。

7、三工作原理渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率了。二汽車渦輪增壓器的分類及優(yōu)缺點(diǎn)一汽車渦輪增壓器的分類 1.機(jī)械增壓系統(tǒng)這個(gè)裝置安裝在發(fā)動機(jī)上并由皮帶與發(fā)動機(jī)曲軸相連接，從發(fā)動機(jī)輸出軸獲得動力來驅(qū)動增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將空氣增壓吹到進(jìn)氣岐道里。其優(yōu)點(diǎn)是渦輪轉(zhuǎn)速

8、和發(fā)動機(jī)一樣，因此沒有滯后現(xiàn)象，動力輸出非常流暢。但是由于裝在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動軸里面，因此還是消耗了局部動力，增壓出來的效果并不高。 2.氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓系統(tǒng)利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣壓縮。這種系統(tǒng)增壓性能好、加速性好、但是整個(gè)裝置比較笨重，不太適合安裝在體積較小的轎車?yán)锩妗?3.廢氣渦輪增壓系統(tǒng)這就是我們平時(shí)最常見的渦輪增壓裝置了，增壓器與發(fā)動機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉

9、輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機(jī)功率及扭矩要增大20%30%。 4.復(fù)合增壓系統(tǒng)復(fù)合增壓系統(tǒng)即廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用，機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時(shí)則力不從心。發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)師們于是就設(shè)想把機(jī)械增壓和渦輪增壓結(jié)合在一起，來解決兩種技術(shù)各自的缺乏，同時(shí)解決低速扭矩和高速功率輸出的問題。這種裝置在大功率柴油機(jī)上采用比較多，汽油機(jī)上采用雙增壓系統(tǒng)復(fù)合增壓系統(tǒng)的車型還比較少，群眾的1.4TSI發(fā)動機(jī)這款

10、發(fā)動機(jī)兼顧了低速扭力輸出和高速功率輸出。二汽車渦輪增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)1.渦輪增壓的最大優(yōu)點(diǎn)是它可在不增加發(fā)動機(jī)排量的基 礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機(jī)的功率 非增壓發(fā)動機(jī)通過曲軸的運(yùn)動 直接從大氣中吸進(jìn)空氣，而渦輪增壓發(fā)動機(jī)由渦輪增壓器向發(fā) 動機(jī)提供壓縮空氣。由于進(jìn)入氣缸的空氣增多所以允許噴入較 多的燃油使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這 意味著一臺尺寸和重量一樣的發(fā)動機(jī)經(jīng)增壓后可以產(chǎn)生較多的 功率或者說一臺小排量發(fā)動機(jī)經(jīng)增壓后可產(chǎn)生與較大發(fā)動機(jī)相 同的功率。其它還有節(jié)約燃油和降低排放等優(yōu)點(diǎn)。由于渦輪增 壓器為發(fā)動機(jī)提供了更多的空氣燃油在發(fā)動機(jī)氣缸里燃燒時(shí)會 燃燒得更充分、更徹底。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管

11、的空氣保持正壓力大 于大氣壓的壓力對發(fā)動機(jī)有幾方面的好處。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣 門重疊開啟時(shí)新鮮空氣吹入燃燒室去除所有殘留在燃燒室里的 廢氣同時(shí)冷卻氣缸頭、活塞和氣門。2.誠然，渦輪增壓確實(shí)能夠提升發(fā)動機(jī)的動力，不過它的缺點(diǎn)也有不少，其中最明顯的就是動力輸出反響滯后。即由于葉輪的慣性作用對油門驟時(shí)變化反響緩慢，即大腳踩油門加大馬力，到葉輪轉(zhuǎn)動將更多空氣壓進(jìn)發(fā)動機(jī)獲得更大動力之間存在一個(gè)時(shí)間差，而且這個(gè)時(shí)間還不短。一般經(jīng)過改良的渦輪增壓也要至少2秒左右來增加或者減少發(fā)動機(jī)動力輸出。如果需要突然加速的話，瞬間會有提不上速度的感覺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，雖然各個(gè)使用渦輪增壓的廠家都在對渦輪增壓技術(shù)進(jìn)展改良，但是

12、由于設(shè)計(jì)原理問題，因此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。譬如說一輛1.8T的渦輪增壓汽車，在實(shí)際的行駛之中，加速肯定不如2.4L的，只要過了那段等待期，1.8T的動力同樣會竄上來，因此單單追求駕駛感覺的話，渦輪增壓引擎并不適宜，如果是跑高速之類的，渦輪增壓才顯得特別有用。如果車輛經(jīng)常在城市行駛，則有必要考慮需要什么樣的渦輪增壓，因?yàn)闇u輪并不是隨時(shí)都在啟動。對于那些啟動轉(zhuǎn)速高的渦輪增壓發(fā)動機(jī)，例如斯巴魯富士翼豹的渦輪增壓，它的啟動是在3500轉(zhuǎn)左右，5檔能上到3500轉(zhuǎn)速度會破120，除非成心停留在低檔位，否則不超過120公里的時(shí)速翼豹的渦輪增壓根本無法啟動。這時(shí)

13、那些低轉(zhuǎn)速啟動的渦輪增壓發(fā)動機(jī)更為適宜，例如群眾的1.4Tsi/1.8Tsi發(fā)動機(jī)，在1750甚至1500轉(zhuǎn)的時(shí)候渦輪增就能介入，即使在20003000換檔，也能保證換檔前后轉(zhuǎn)速保持在燃油應(yīng)用效率更高的渦輪增壓區(qū)域。此外渦輪增壓還有維護(hù)保養(yǎng)方面的問題，例如寶來的1.8T，6萬公里左右就要更換渦輪了，雖然次數(shù)不多，畢竟給自己的車無形之中又增加了一筆維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)，這個(gè)對經(jīng)濟(jì)環(huán)境還不是特別好的車主來說特別值得注意。 三渦輪增壓器的開展趨勢早在100年前就有人提出壓縮空氣提高進(jìn)氣密度的設(shè)想，1926年瑞士人Alfred J.Buchi博士設(shè)計(jì)出了第一臺帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動機(jī)，但由于當(dāng)時(shí)制造工藝和材

14、料的限制，發(fā)動機(jī)不能獲得足夠的壓縮空氣壓力，經(jīng)過30多年的開展，渦輪增壓器的性能有了很大的改善，開場大量被應(yīng)用到車用發(fā)動機(jī)上。 近些年來，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用和加工水平的飛速開展，尤其是前傾后彎葉片的應(yīng)用使壓氣機(jī)效率提高了7%10%，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)型和動力性都得到大幅提高。目前，中，重型車輛已經(jīng)普遍選用增壓柴油機(jī)作為動力，渦輪增壓技術(shù)已成為提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)型和降低廢氣、噪聲排放的最有效措施之一，特別是為了應(yīng)對新的發(fā)動機(jī)排放法規(guī)，增壓技術(shù)的應(yīng)用圍進(jìn)一步擴(kuò)大，增壓技術(shù)進(jìn)入了黃金開展時(shí)期。一柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀 由于傳統(tǒng)增壓器流量圍窄，難以兼顧與發(fā)動機(jī)上下工況點(diǎn)的合理匹配，增壓器與發(fā)動

15、機(jī)的良好匹配時(shí)保障燃油經(jīng)濟(jì)性以及柴油機(jī)具有良好排放性能的關(guān)鍵，因此近幾年來采用各種不同設(shè)計(jì)概念的新型渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。1.相繼增壓系統(tǒng) 相繼增壓系統(tǒng)的根本工作原理是采用多個(gè)小型渦輪增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提高，按次序地投入運(yùn)行，改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)由于排氣能量減少而是用渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力缺乏，從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。在標(biāo)定工況，柴油機(jī)的每臺增壓器都在高效率工作，燃油消耗率低；在局部工況，減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量，使得投入使用的在一起仍然在高效率區(qū)附近工作，最大限度地增加了氣缸的進(jìn)氣量，從而改善了柴油機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性。MTU公司首先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于

16、該公司的956/1163雙系列船用柴油機(jī)上。目前，相繼增壓技術(shù)也應(yīng)用到卡車的發(fā)動機(jī)沃爾沃、跑車的發(fā)動機(jī)保時(shí)捷和轎車發(fā)動機(jī)奧迪等車上。2.可變截面渦輪增壓系統(tǒng) 可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的根本工作原理是從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面，來提高發(fā)動機(jī)低工況時(shí)的過量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^渦輪噴嘴葉片時(shí)，根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化，從而到達(dá)渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配?？勺兘孛鏈u輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是渦輪增壓器的本錢較高，而且構(gòu)造較為復(fù)雜，需要專門的控制機(jī)構(gòu)。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面

17、渦輪增壓器，而且為了到達(dá)嚴(yán)格的排放法規(guī)，在增壓柴油機(jī)全工況圍進(jìn)展調(diào)節(jié)，歐美采用可變截面渦輪增壓器已成主流。3.低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng) 低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)的原理是當(dāng)柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，增壓空氣繞過氣缸直接進(jìn)入渦輪前的排氣管，從而增大氣體流量，提高發(fā)動機(jī)的增壓壓力，以防止發(fā)動機(jī)低工況的喘振，改善發(fā)動機(jī)低速工況性能。如果利用廢氣余熱對旁通的空氣加熱，效果會更好。MTU公司396柴油機(jī)就采用了進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)來改善低速工況性能，但該系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)局部較為復(fù)雜，因此主要應(yīng)用于大功率高增壓柴油機(jī)。4.廢氣旁通增壓系統(tǒng) 廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)匹配點(diǎn)，對無法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過翻開渦輪上與大氣連通

18、的一個(gè)可調(diào)節(jié)閥，釋放多余廢棄能量。這種增壓器的好處是通過設(shè)計(jì)較小的渦輪殼截面，迅速建立起低速壓力，改善低速時(shí)的動力性、經(jīng)濟(jì)型排放指標(biāo)及瞬態(tài)響應(yīng)性，將柴油機(jī)在高速區(qū)所需要的進(jìn)氣壓力由旁通閥調(diào)節(jié)到最正確狀態(tài)，解決了因較小的渦輪殼截面導(dǎo)致的告訴高負(fù)荷區(qū)過高的增壓壓力而造成柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力大幅升高、可靠性降低、性能指標(biāo)惡化等問題。帶廢氣旁通閥的增壓器目前在車用柴油機(jī)上應(yīng)用較為普遍，缺乏之處是由于釋放了一局部廢氣，造成了能量損失，因此柴油機(jī)高工況的燃油消耗有一定增加。 此外，還有超高增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)以及諧振符合增壓系統(tǒng)等多種型式的增壓系統(tǒng)。他們正在逐步得到開展和應(yīng)用，使增壓發(fā)動機(jī)的性能不

19、斷有新的提高。四渦輪增壓器的改良措施一現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)方面在渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方法上，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展壓氣機(jī)和渦輪的空氣動力學(xué)計(jì)算、流場分析和構(gòu)造設(shè)計(jì)，在國外已展開多年。一些興旺國家在20世紀(jì)60年代中后期就已開場利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展徑渦輪的空氣動力學(xué)與三元流場分析，隨后又利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展離心式壓氣機(jī)的空氣動力學(xué)計(jì)算、三元流場分析、葉輪及葉型設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析等。目前，國外主要增壓器生產(chǎn)廠家都已擁有先進(jìn)的CAD/CAM和CAT系統(tǒng)，并采用有限元法和先進(jìn)的激光測試技術(shù)來進(jìn)展3-D粘性流動的建模和驗(yàn)證分析。 增壓器的加工制造技術(shù)近年來也開展很快，國外于20世紀(jì)70年代末成功地將“硅橡膠技術(shù)用于鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪；到20世紀(jì)80年代初期，世界各大增壓器公司相繼推出了帶