車用發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)概述增壓定義：將空氣預(yù)先壓縮然后再供入氣缸，以提高空氣密度、增加進(jìn)氣量的一項(xiàng)技術(shù)。增壓作用：進(jìn)氣量增加，可相應(yīng)地增加循環(huán)供油量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。同時(shí)，增壓還可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性?；绢愋停焊鶕?jù)提高進(jìn)氣密度的方式不同，或驅(qū)動(dòng)氣壓機(jī)的方式不同，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)分為機(jī)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(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓的裝置稱為增壓器。對應(yīng)三種基本類型的增壓器稱機(jī)械增壓器、渦輪增壓器、氣波增壓器。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二機(jī)械增壓器：

由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸1經(jīng)齒輪增速器5驅(qū)動(dòng)（圖a），或由曲軸齒形傳動(dòng)帶輪經(jīng)齒形傳動(dòng)帶9及電磁離合器6驅(qū)動(dòng)，機(jī)械增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)直接機(jī)械聯(lián)系，因此，其變工況的瞬態(tài)響應(yīng)性好，加速性好，尤其是低速時(shí)加速性好。但發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器要消耗輸出功率，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性較差。第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二

渦輪增壓器：由渦輪機(jī)和壓氣機(jī)構(gòu)成。

將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的廢氣引入渦輪機(jī)，廢氣的能量推動(dòng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)與其同軸安裝的壓氣機(jī)葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機(jī)內(nèi)增壓后進(jìn)入氣缸。渦輪增壓的最大優(yōu)點(diǎn)是燃油經(jīng)濟(jì)性好，并可大幅度降低有害氣體的排放和噪聲水平。缺點(diǎn)是低速時(shí)排氣能量低，增壓效果差，低速加速性能較差。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二氣波增壓器：氣波增壓器中有一個(gè)特殊形狀的轉(zhuǎn)子3，由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶輪經(jīng)傳動(dòng)帶4驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子3中發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣壓力。

氣波增壓器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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。第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二汽油機(jī)增壓比柴油機(jī)增壓困難的主要原因是：

1)汽油機(jī)增壓后爆燃傾向增加。2)由于汽油機(jī)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(jī)和渦輪增壓器的熱負(fù)荷大。3)車用汽油機(jī)工況變化頻繁，轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機(jī)的匹配相當(dāng)困難。4)渦輪增壓汽油機(jī)的加速性較差。當(dāng)節(jié)氣門突然開大要求混合氣量迅速增加時(shí)，卻由于增壓器轉(zhuǎn)子的慣性，使增壓器加速遲緩，·發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的增加將滯后一段時(shí)間。完全消除渦輪增壓器對發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的響應(yīng)滯后現(xiàn)象比較困難。第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二為克服汽油機(jī)增壓的困難在汽油機(jī)增壓系統(tǒng)中采取的措施：

1)在電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)行汽油機(jī)增壓，成功地?cái)[脫了化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器匹配的困難。

2)應(yīng)用點(diǎn)火提前角自適應(yīng)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(jìn)行中間冷卻。增壓后空氣溫度升高，密度減小，如溫度過高，會(huì)減少進(jìn)氣量，削弱增壓效果，可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃。

4)采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置。

第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)機(jī)械增壓

一、機(jī)械增壓系統(tǒng)

機(jī)械增壓器根據(jù)壓氣機(jī)的工作原理分為機(jī)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(zhuǎn)子活塞式增壓器等。

第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二1-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(jī)6-進(jìn)氣口7-排氣口8-外殼9-旋轉(zhuǎn)活寨1O-轉(zhuǎn)子11-滑片12-驅(qū)動(dòng)軸13-出口邊緣14-二級工作室空氣進(jìn)口15-抽氣導(dǎo)向器16-第一級工作室空氣進(jìn)口17-抽氣元件18-外轉(zhuǎn)子19-內(nèi)轉(zhuǎn)子20-工作腔Ⅲ21-工作腔Ⅱ22-工作腔Ⅰ第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二

圖中，機(jī)械增壓器6為羅茨式壓氣機(jī)，由曲軸帶輪12經(jīng)傳動(dòng)帶和電磁離合器帶輪11驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷下工作時(shí)，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(shí)，使進(jìn)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(jìn)入氣缸。進(jìn)入氣缸的空氣先經(jīng)中冷器7降溫。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上的爆燃傳感器9將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的信號傳給電控單元，點(diǎn)控單元?jiǎng)t發(fā)出相應(yīng)的指令減小點(diǎn)火提前角，已消除爆燃。

第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二二、機(jī)械增壓器羅茨式壓氣機(jī)最廣為人知，其結(jié)構(gòu)如圖7—5所示。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二1、構(gòu)造：它由轉(zhuǎn)子3、轉(zhuǎn)子軸4、傳動(dòng)齒輪7、殼體9、后蓋5和齒輪室罩8等組成。

2、驅(qū)動(dòng)：在壓氣機(jī)前端裝有電磁離合器2及電磁離合器帶輪1。有兩個(gè)轉(zhuǎn)子。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶輪經(jīng)傳動(dòng)帶、電磁離合器帶輪1和電磁離合器2驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)轉(zhuǎn)子，而另一個(gè)轉(zhuǎn)子由傳動(dòng)齒輪7帶動(dòng)

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

4、工作原理：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣從壓氣機(jī)入口吸入，在轉(zhuǎn)子葉片的推動(dòng)下空氣被加速，然后從壓氣機(jī)出口壓出。出口與進(jìn)口的壓力比可達(dá)1.8，供氣量與轉(zhuǎn)速成正比。

第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二羅茨式壓氣機(jī)

圖7-6a二葉直線型轉(zhuǎn)子圖7-6b三葉螺旋型轉(zhuǎn)子

第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二三、電磁離合器

電磁離合器安裝在傳動(dòng)帶輪1中，結(jié)構(gòu)如圖示。

傳動(dòng)帶輪1與主動(dòng)板2固連接在一起，從動(dòng)摩擦片6花鍵套5固連接在一起。

電控單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)接通電源時(shí)，電磁線圈3通電，主動(dòng)板2吸引從動(dòng)摩擦片6，使離合器處于結(jié)合狀態(tài)，增壓器工作。

當(dāng)切斷電源時(shí)，電磁線圈斷電，主動(dòng)板與從動(dòng)摩擦片分開，增壓器停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第三節(jié)渦輪增壓

廢氣渦輪增壓是通過發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能最推動(dòng)渦輪增壓器實(shí)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(fù)合增壓、串聯(lián)后復(fù)合增壓以及并聯(lián)復(fù)合增壓等幾種方式（圖7一10）。

第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二串聯(lián)前復(fù)合增壓是在廢氣渦輪增壓器前串聯(lián)一個(gè)渦輪機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣先流入前置渦輪機(jī)，回收部分能最后再排人渦輪增壓器的渦輪機(jī)，由此帶動(dòng)壓氣機(jī)進(jìn)行增壓的系統(tǒng)。這種增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是，可充分利用廢氣的能量，因此可提高整機(jī)的熱效率；同時(shí)在增壓器前利用渦輪機(jī)事先回收廢氣的部分能量，所以可避免增壓器轉(zhuǎn)速過高的現(xiàn)象。

串聯(lián)后復(fù)合增壓是在增壓器后再串聯(lián)一個(gè)廢氣渦輪，其主要目的就是進(jìn)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(jī)的熱效率。并聯(lián)復(fù)合增壓是將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣分兩路同時(shí)排入一個(gè)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(dòng)機(jī)，通過這種復(fù)合系統(tǒng)提高廢氣能缺的再回收利用，在提高整機(jī)熱效率的同時(shí)減輕了廢氣渦輪增壓器的工作負(fù)擔(dān)。

第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二一、渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理組成:離心式壓氣機(jī)徑流式渦輪機(jī)中間體14增壓器軸5通過兩個(gè)浮動(dòng)軸承9支承在中間體14內(nèi)左端壓氣機(jī)右端渦輪機(jī)第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二

車用渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)及中間體三部分組成

1、離心式壓氣機(jī)

擴(kuò)壓管分葉片式和無葉式兩種。無葉式擴(kuò)壓管實(shí)際上是由蝸殼和中間體側(cè)壁所形成的環(huán)形空間，其構(gòu)造簡單，工況變化對壓氣機(jī)效率的影響很小，適于車用增壓器。葉片式擴(kuò)壓管是由相鄰葉片構(gòu)成的流道，其擴(kuò)壓比大，效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況變化對壓氣機(jī)效率有較大的影響。

第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2、徑流式渦輪機(jī)

將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。排氣經(jīng)蝸殼引導(dǎo)進(jìn)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(shí)壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。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(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。

渦輪機(jī)的蝸殼引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣以一定的角度進(jìn)入渦輪機(jī)葉輪，并將排氣的壓力能和熱能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。

3、轉(zhuǎn)子

安裝在增壓器軸上的渦輪機(jī)葉輪、壓氣機(jī)葉輪和密封套等組成。

增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力，一般用韌性好、強(qiáng)度高的合金鋼制造。

第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二4、增壓器軸承

第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二增壓器軸承的結(jié)構(gòu)是車用渦輪增壓器可靠性的關(guān)鍵之一。現(xiàn)代車用渦輪增壓器都采用浮動(dòng)軸承（圖7-14）。浮動(dòng)軸承實(shí)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(shí)，軸承在軸與軸承座中間轉(zhuǎn)動(dòng)。

增壓器工作時(shí)產(chǎn)生軸向推力，由設(shè)置在壓氣機(jī)一側(cè)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(gè)布油槽7；在軸承上還加工有進(jìn)油孔5,以保證止推面的潤滑和冷卻（圖7-14）。

第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二二、增壓壓力的調(diào)節(jié)

第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二

在渦輪增壓系統(tǒng)中都設(shè)有進(jìn)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?。右室通過連通管11與壓氣機(jī)出口相通，左室通大氣，其中的彈簧預(yù)緊力向右作用，當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，經(jīng)過連動(dòng)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(dòng)機(jī)的電控單元根據(jù)壓氣機(jī)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。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二三、渦輪增壓器的潤滑及冷卻第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二來自發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)主油道的機(jī)油，經(jīng)增壓器中間體上的機(jī)油進(jìn)口1進(jìn)入增壓器，潤滑與冷卻增壓器軸與軸承，然后，機(jī)油經(jīng)機(jī)油出口2返回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼。在增壓器軸上安裝油封，若損壞，將導(dǎo)致機(jī)油消耗劇增，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒藍(lán)煙。

汽油機(jī)渦輪增壓器的熱負(fù)荷大，因此必須在渦輪機(jī)一側(cè)設(shè)置冷卻水套，并用軟水管與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系連通。進(jìn)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(shè)置冷卻水套，只靠機(jī)油及空氣對其進(jìn)行冷卻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)

在大負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速r作之后，如果立即停機(jī)，那么機(jī)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(dòng)機(jī)應(yīng)該在停機(jī)之前，至少在怠速下運(yùn)轉(zhuǎn)1min。

第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第四節(jié)氣波增壓第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二

一、氣波增壓器構(gòu)造

氣波增壓器中有一個(gè)轉(zhuǎn)子，沿其軸向開有許多梯形截面的氣體流道。轉(zhuǎn)子5懸臂地支承在兩個(gè)軸承4上，與增壓器殼6以及前后端蓋都不接觸。一個(gè)端蓋接低壓空氣管和高壓空氣管，稱空氣端蓋1；另一個(gè)端蓋接高壓排氣管和低壓排氣管，稱排氣端蓋8。支承轉(zhuǎn)子5的兩個(gè)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(zhuǎn)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。第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二二、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(dòng)力現(xiàn)象：當(dāng)壓縮波在管道內(nèi)傳播時(shí)，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(dāng)膨脹波在管道內(nèi)傳播時(shí),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(jī)的排氣。空氣的壓縮過程和排氣的膨脹過程均在轉(zhuǎn)子中的氣體流道內(nèi)進(jìn)行，其＿r作過程及原理可用圖7-18所示的轉(zhuǎn)子周向展開圖來說明。

第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二氣波增壓器的工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子按箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子上由葉片組成的軸向氣道與高壓燃?xì)馊肟诮油ǎ飚a(chǎn)生壓縮波。壓縮波以聲速沿氣道傳播,并將燃?xì)饽芰總鬟f給充滿氣道內(nèi)的空氣