第七章 車用發(fā)動機的增壓系統(tǒng)

第七章車用發(fā)動機的增壓系統(tǒng)第一節(jié)概述第二節(jié)機械增壓第三節(jié)渦輪增壓第四節(jié)氣波增壓第一節(jié)概述增壓定義：將空氣預先壓縮然后再供入氣缸，以提高空氣密度、增加進氣量的一項技術。增壓作用：進氣量增加，可相應地增加循環(huán)供油量，增加發(fā)動機功率。同時，增壓還可以改善燃油經(jīng)濟性?；绢愋停焊鶕?jù)提高進氣密度的方式不同，或驅動氣壓機的方式不同，增壓發(fā)動機分為機械增壓、廢氣渦輪增壓和氣波增壓等三種基本類型。增壓器：實現(xiàn)進氣增壓的裝置稱為增壓器。對應三種基本類型的增壓器稱機械增壓器、渦輪增壓器、氣波增壓器。機械增壓器：

由發(fā)動機曲軸1經(jīng)齒輪增速器5驅動（圖a），或由曲軸齒形傳動帶輪經(jīng)齒形傳動帶9及電磁離合器6驅動，機械增壓器與發(fā)動機直接機械聯(lián)系，因此，其變工況的瞬態(tài)響應性好，加速性好，尤其是低速時加速性好。但發(fā)動機驅動機械增壓器要消耗輸出功率，因此發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性較差。

渦輪增壓器：由渦輪機和壓氣機構成。

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。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。缺點是低速時排氣能量低，增壓效果差，低速加速性能較差。氣波增壓器：氣波增壓器中有一個特殊形狀的轉子3，由發(fā)動機曲軸帶輪經(jīng)傳動帶4驅動。在轉子3中發(fā)動機排出的廢氣直接與空氣接觸，利用排氣壓力波使空氣受到壓縮，以提高進氣壓力。

氣波增壓器結構簡單，加工方便，工作溫度不高，不需要耐熱材料，也無需冷卻。其低速轉矩特性好，但是體積大，噪聲水平高，安裝位置受到一定的限制。目前，這種增壓器還只能在低速范圍內(nèi)使用。汽油機增壓比柴油機增壓困難的主要原因是：

1)汽油機增壓后爆燃傾向增加。2)由于汽油機混合氣的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，因此增壓之后汽油機和渦輪增壓器的熱負荷大。3)車用汽油機工況變化頻繁，轉速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機的匹配相當困難。4)渦輪增壓汽油機的加速性較差。當節(jié)氣門突然開大要求混合氣量迅速增加時，卻由于增壓器轉子的慣性，使增壓器加速遲緩，·發(fā)動機進氣量的增加將滯后一段時間。完全消除渦輪增壓器對發(fā)動機工況變化的響應滯后現(xiàn)象比較困難。為克服汽油機增壓的困難在汽油機增壓系統(tǒng)中采取的措施：

1)在電控汽油噴射式發(fā)動機上實行汽油機增壓，成功地擺脫了化油器式發(fā)動機與渦輪增壓器匹配的困難。

2)應用點火提前角自適應控制，來克服因增壓而增加的爆燃傾向。

3)對增壓后的空氣進行中間冷卻。增壓后空氣溫度升高，密度減小，如溫度過高，會減少進氣量，削弱增壓效果，可能引起發(fā)動機爆燃。

4)采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置。

第二節(jié)機械增壓

一、機械增壓系統(tǒng)

機械增壓器根據(jù)壓氣機的工作原理分為機械離心式增壓器、羅茨式增壓器、滑片式增壓

器、螺旋式增壓器和轉子活塞式增壓器等。

1-初級變速帶輪2-次級變速帶輪3-電磁離合器4-增速行星齒輪系5-壓氣機6-進氣口7-排氣口8-外殼9-旋轉活寨1O-轉子11-滑片12-驅動軸13-出口邊緣14-二級工作室空氣進口15-抽氣導向器16-第一級工作室空氣進口17-抽氣元件18-外轉子19-內(nèi)轉子20-工作腔Ⅲ21-工作腔Ⅱ22-工作腔Ⅰ

圖中，機械增壓器6為羅茨式壓氣機，由曲軸帶輪12經(jīng)傳動帶和電磁離合器帶輪11驅動。

當發(fā)動機在小負荷下工作時，電控單元ECU根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器3的信號使電磁離合器斷電，增壓器停止工作。與此同時，使進氣旁通閥5通電而開啟，即在不增壓的前提下，空氣經(jīng)旁通閥5以及旁通管路進入氣缸。進入氣缸的空氣先經(jīng)中冷器7降溫。發(fā)動機機體上的爆燃傳感器9將發(fā)動機發(fā)生爆燃的信號傳給電控單元，點控單元則發(fā)出相應的指令減小點火提前角，已消除爆燃。

二、機械增壓器羅茨式壓氣機最廣為人知，其結構如圖7—5所示。1、構造：它由轉子3、轉子軸4、傳動齒輪7、殼體9、后蓋5和齒輪室罩8等組成。

2、驅動：在壓氣機前端裝有電磁離合器2及電磁離合器帶輪1。有兩個轉子。發(fā)動機曲軸帶輪經(jīng)傳動帶、電磁離合器帶輪1和電磁離合器2驅動其中一個轉子，而另一個轉子由傳動齒輪7帶動

3、分類：羅茨式壓氣機有兩葉（直線型）和三葉（螺旋型）之分。三葉轉子有較低的工作噪聲及較好的增壓器特性。

4、工作原理：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。

羅茨式壓氣機

圖7-6a二葉直線型轉子圖7-6b三葉螺旋型轉子

三、電磁離合器

電磁離合器安裝在傳動帶輪1中，結構如圖示。

傳動帶輪1與主動板2固連接在一起，從動摩擦片6花鍵套5固連接在一起。

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，以控制增壓器的工作。

當接通電源時，電磁線圈3通電，主動板2吸引從動摩擦片6，使離合器處于結合狀態(tài)，增壓器工作。

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。

第三節(jié)渦輪增壓

廢氣渦輪增壓是通過發(fā)動機排出的廢氣能最推動渦輪增壓器實現(xiàn)增壓。根據(jù)

渦輪回收廢氣能址的方式不同，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)可分為串聯(lián)前復合增壓、串聯(lián)后復合增壓以及并聯(lián)復合增壓等幾種方式（圖7一10）。

串聯(lián)前復合增壓是在廢氣渦輪增壓器前串聯(lián)一個渦輪機，發(fā)動機排出的廢氣先流入前置渦輪機，回收部分能最后再排人渦輪增壓器的渦輪機，由此帶動壓氣機進行增壓的系統(tǒng)。這種增壓系統(tǒng)的特點是，可充分利用廢氣的能量，因此可提高整機的熱效率；同時在增壓器前利用渦輪機事先回收廢氣的部分能量，所以可避免增壓器轉速過高的現(xiàn)象。

串聯(lián)后復合增壓是在增壓器后再串聯(lián)一個廢氣渦輪，其主要目的就是進一步回收利用經(jīng)增壓器后排出的廢氣能量，以便提高整機的熱效率。并聯(lián)復合增壓是將發(fā)動機排出的廢氣分兩路同時排入一個廢氣渦輪和廢氣渦輪增壓器的渦輪系統(tǒng)。對排量較大的發(fā)動機，通過這種復合系統(tǒng)提高廢氣能缺的再回收利用，在提高整機熱效率的同時減輕了廢氣渦輪增壓器的工作負擔。

一、渦輪增壓器的結構及工作原理組成:離心式壓氣機徑流式渦輪機中間體14增壓器軸5通過兩個浮動軸承9支承在中間體14內(nèi)左端壓氣機右端渦輪機

車用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

1、離心式壓氣機

擴壓管分葉片式和無葉式兩種。無葉式擴壓管實際上是由蝸殼和中間體側壁所形成的環(huán)形空間，其構造簡單，工況變化對壓氣機效率的影響很小，適于車用增壓器。葉片式擴壓管是由相鄰葉片構成的流道，其擴壓比大，效率高，但結構復雜，工況變化對壓氣機效率有較大的影響。

2、徑流式渦輪機

將發(fā)動機排氣的能量轉變?yōu)闄C械功。排氣經(jīng)蝸殼引導進入葉片式噴管3。噴管是相鄰的漸縮形流道，排氣流過噴管時壓力能轉變?yōu)閯幽?。噴管流出的高速氣流沖擊葉輪1，并在葉片2所形成的流道中繼續(xù)膨脹作功，推動葉輪旋轉。

渦輪機的蝸殼引導發(fā)動機排氣以一定的角度進入渦輪機葉輪，并將排氣的壓力能和熱能部分地轉變?yōu)閯幽堋?/p>

3、轉子

安裝在增壓器軸上的渦輪機葉輪、壓氣機葉輪和密封套等組成。

增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉交變應力，一般用韌性好、強度高的合金鋼制造。

4、增壓器軸承

增壓器軸承的結構是車用渦輪增壓器可靠性的關鍵之一?，F(xiàn)代車用渦輪增壓器都采用浮動軸承（圖7-14）。浮動軸承實際上是套在軸上的圓環(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。一般內(nèi)層間隙為0.05mm左右，外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約3-4.5mm，用錫鉛青銅合金制造，軸承表面鍍一層厚度約為0.005~0.008mm的鉛錫合金或金屬。在增壓器工作時，軸承在軸與軸承座中間轉動。

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承1承受。為了減少摩擦，在整體式推力軸承兩端的止推面6上各加工有四個布油槽7；在軸承上還加工有進油孔5,以保證止推面的潤滑和冷卻（圖7-14）。

二、增壓壓力的調(diào)節(jié)

在渦輪增壓系統(tǒng)中都設有進氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力。

渦輪增壓系統(tǒng)中的排氣旁通閥3受控制膜盒1控制?？刂颇ず兄械哪て瑢⑵浞殖勺笫矣沂摇Ｓ沂彝ㄟ^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。

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。三、渦輪增壓器的潤滑及冷卻來自發(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設置冷卻水套，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。

有些渦輪增壓器在中間體內(nèi)不設置冷卻水套，只靠機油及空氣對其進行冷卻。當發(fā)動機

在大負荷或高轉速r作之后，如果立即停機，那么機油可能由于軸承溫度太高而在軸承內(nèi)燃

燒。因此，這類渦輪增壓發(fā)動機應該在停機之前，至少在怠速下運轉1min。

第四節(jié)氣波增壓

一、氣波增壓器構造

氣波增壓器中有一個轉子，沿其軸向開有許多梯形截面的氣體流道。轉子5懸臂地支承在兩個軸承4上，與增壓器殼6以及前后端蓋都不接觸。一個端蓋接低壓空氣管和高壓空氣管，稱空氣端蓋1；另一個端蓋接高壓排氣管和低壓排氣管，稱排氣端蓋8。支承轉子5的兩個軸承4布置在空氣端蓋1中，以保證軸承得到良好的冷卻。

空氣端蓋用鋁合金鑄造，排氣端蓋用鑄鐵鑄造，增壓器殼和轉子則用低膨脹鋼制造。在增壓器外面包敷絕熱材料，以減少熱量的散失。二、氣波增壓器工作原理

氣波增壓器的工作原理基于一種氣體動力現(xiàn)象：當壓縮波在管道內(nèi)傳播時，在管道的開口端反射為膨脹波，而在管道的封閉端則反射為壓縮波；反之亦然，當膨脹波在管道內(nèi)傳播時,在管道的開口端反射為壓縮波，而在封閉端則反射為膨脹波。

在氣波增壓器中，空氣增壓所需要的能量來自柴油機的排氣?？諝獾膲嚎s過程和排氣的膨脹過程均在轉子中的氣體流道內(nèi)進行，其＿r作過程及原理可用圖7-18所示的轉子周向展開圖來說明。

氣波增壓器的工作原理。當轉子按箭頭方向轉動時，轉子上由葉片組成的軸向氣道與高壓燃氣入口接通，遂產(chǎn)生壓縮波。壓縮波以聲速沿氣道傳播,并將燃氣能量傳遞給充滿氣道內(nèi)的空氣,使其壓力和密度升高并向前流動。高壓空氣出口設在高壓燃氣入口的斜對面,并順轉動方向向前錯開一個角度。當氣道與高壓空氣出口接通時，高壓空氣供入內(nèi)燃機進氣管。在燃氣到達氣道長度的2/3左右時，氣道恰好轉過高壓燃氣入口，燃氣停止流入氣道。在燃氣到達氣道長度的2/3左右時，氣道恰好轉過高壓燃氣入口，燃氣停止流入氣道。當氣道與低壓燃氣出口接通時,燃氣繼續(xù)膨脹并經(jīng)排氣總管排入大氣,氣道內(nèi)的壓力繼續(xù)下降。當氣道與低壓空氣入口接通時，由于氣道內(nèi)處于負壓，新鮮空氣自大氣被吸入氣道。氣道轉過低壓空氣入口和低壓燃氣出口后，氣道內(nèi)遂充滿新鮮充量。轉子繼續(xù)轉動又開始下一個相同的循環(huán)。

首先從圖的底部開始。在A點，轉子的流道中充滿來自大氣的低壓空氣，圖中的豎直線表示氣體處于靜止狀態(tài)。柴油機的排氣先流人排氣箱1中，然后從排氣箱以定壓流人高壓排氣管2。當轉子旋轉到充滿低壓空氣的氣體流道3與高壓排氣管相通時，排氣的壓縮波立即以當?shù)芈曀賯魅肆鞯?，并壓縮其中的空氣，使其向高壓空氣管6加速流動，排氣則隨壓縮波之后流人流道。由于轉子沿著方向U不停地轉動，因此每個流道中壓縮波波峰的連線相

對轉子的轉動方向是一條斜線。在流道中被壓縮的空氣經(jīng)高壓空氣管

6流人空氣箱7，然后進人柴油機氣缸。