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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓 第一節(jié)概述 一 增壓的目的是通過將空氣預(yù)先壓縮后供入氣缸 增加進(jìn)氣質(zhì)量 相應(yīng)地增加循環(huán)供油量 從而可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率 二 增壓的基本類型分渦輪增壓 機(jī)械增壓 氣波增壓三種 對應(yīng)的增壓器稱渦輪增壓器 機(jī)械增壓器 氣波增壓器 不講 1 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 2 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)械增壓能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率 與渦輪增壓相比 其低速增壓效果更好 由于機(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 一般適用于小型汽油機(jī)或與渦輪增壓器復(fù)合使用 三 復(fù)合增壓系統(tǒng)1 串聯(lián)式復(fù)合增壓系統(tǒng) 空氣先經(jīng)過渦輪增壓器提高壓力后 進(jìn)入中間冷卻器降溫 再經(jīng)機(jī)械增壓器增壓 這種增壓方式主要用于高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上 2 并聯(lián)式復(fù)合增壓系統(tǒng) 由機(jī)械增壓器和渦輪增壓器同時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)供給增壓后的空氣 在低速范圍內(nèi)主要靠機(jī)械增壓 而在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)主要靠渦輪增壓 這種增壓系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性得到改善 1 進(jìn)氣系統(tǒng)中節(jié)氣門的存在使得發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷時(shí)壓氣機(jī)容易發(fā)生喘振 渦輪增壓的困難 2 汽油機(jī)增壓后爆燃傾向增加 3 汽油機(jī)混合氣的過量空氣系數(shù)小 燃燒溫度高 增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器的熱負(fù)荷高 4 汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高 范圍廣 發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器匹配困難 5 渦輪增壓汽油機(jī)的加速性較差 增壓器葉輪的慣性 尤其是低速加速性差 四 汽油機(jī)增壓的困難 1 爆燃控制 應(yīng)用點(diǎn)火提前角自適應(yīng)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ECU 電控單元?jiǎng)t發(fā)出指令推遲點(diǎn)火時(shí)刻以消除爆震 待爆震消除后 自適應(yīng)地加大點(diǎn)火提前角 使發(fā)動(dòng)機(jī)在最理想的狀況下工作 五 電控汽油噴射式汽油機(jī)普及增壓的原因克服了發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器匹配的困難 電控技術(shù)的應(yīng)用 可以方便地對汽油機(jī)增壓系統(tǒng)進(jìn)行爆燃控制 即點(diǎn)火提前角控制 放氣控制 即增壓壓力控制 和排放控制 2 放氣控制 采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置 有進(jìn)氣旁通閥和排氣旁通閥以及控制膜盒 由于發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷 高轉(zhuǎn)速時(shí) 廢氣能量大 增壓器轉(zhuǎn)速高 增壓壓力高 而低轉(zhuǎn)速 小負(fù)荷時(shí) 廢氣能量小 增壓器轉(zhuǎn)速低 增壓壓力低 因此 若增壓器按高速 大負(fù)荷設(shè)計(jì) 則低速 小負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩小 加速性差 因此 轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速一般為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的40 為限制高轉(zhuǎn)速時(shí)的過高的增壓壓力 發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷過大并發(fā)生爆燃 必須采用增壓壓力調(diào)節(jié)裝置 其工作原理見第三節(jié) 3 增壓中冷 增壓后的空氣溫度升高 一則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度下降 輸出功率降低 二則還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃 因此 對增壓后的空氣進(jìn)行冷卻 對提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率 降低燃油消耗率 降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和減輕發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃傾向都有利 這是通過在壓氣機(jī)后面連接一個(gè)中冷器實(shí)現(xiàn)的 在高增壓柴油機(jī)上的增壓系統(tǒng)中也設(shè)有中冷器 第二節(jié)機(jī)械增壓 一 機(jī)械增壓系統(tǒng) 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 帶中冷器和點(diǎn)火提前角控制 不發(fā)生爆燃 二 機(jī)械增壓器 羅茨式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖示 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 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) 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 羅茨式壓氣機(jī)工作原理如圖示 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 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與花鍵套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) 第三節(jié)渦輪增壓 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)除包括渦輪增壓器之外 還包括進(jìn)氣旁通閥1 排氣旁通閥9和排氣旁通閥控制裝置10等 如圖示 六缸電控汽油噴射式汽油機(jī)常采用雙渦輪增壓系統(tǒng) 如圖示 其中 不連續(xù)發(fā)火的1 2 3缸作為一組 4 5 6缸作為另一組 每組三個(gè)氣缸的排氣驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪增壓器 此系統(tǒng)除包括渦輪增壓器9 進(jìn)氣旁通閥2 排氣旁通閥10及排氣旁通閥控制裝置11之外 還包括中冷器3 諧振室4和增壓壓力傳感器5等 二 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理 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 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) 中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道 還有防止?jié)櫥吐┤雺簹鈾C(jī)或渦輪機(jī)中的密封裝置等 離心式壓氣機(jī)由進(jìn)氣道6 壓氣機(jī)葉 輪3 無葉式擴(kuò)壓管2及壓氣機(jī)渦殼1等組成 當(dāng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí) 空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪 并在離心離的作用下沿著壓氣機(jī)葉片1之間形成的流道 從葉輪中心流向葉輪的周邊 空氣從旋轉(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(jìn)入葉片式擴(kuò)壓管3 擴(kuò)壓管為漸擴(kuò)形流道 空氣流過擴(kuò)壓管時(shí)減速增壓 溫度也有所提高 在擴(kuò)壓管中 空氣所具有的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?擴(kuò)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(kuò)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(jī)效率的影響很小 適用于車用增壓器 葉片式擴(kuò)壓管優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)壓比大 壓氣機(jī)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 渦殼的作用是收集從擴(kuò)壓管中流出的空氣 將其引向壓氣機(jī)出口 空氣在渦殼中繼續(xù)減速增壓 完成由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿倪^程 壓氣機(jī)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(jī) 渦輪機(jī)作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功 徑流式渦輪機(jī)由渦殼 噴管 葉輪和出氣道等組成 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)渦殼引導(dǎo)進(jìn)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(shí)降壓 降溫 增速 膨脹 使排氣 的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能 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(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn) 渦輪機(jī)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(jī)多采用無葉式噴管 此時(shí) 渦輪機(jī)的渦殼除具有引導(dǎo)廢氣以一定角度進(jìn)入渦輪機(jī)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?dòng)能的作用 渦輪機(jī)葉輪工作溫度經(jīng)常在900 CA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(jī)械加工成形 渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造 內(nèi)表面應(yīng)光潔 3 轉(zhuǎn)子渦輪機(jī)葉輪 壓氣機(jī)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(dá)10萬 20萬轉(zhuǎn) 分 因此 必須經(jīng)過動(dòng)平衡檢驗(yàn) 調(diào)整 增壓器軸一般用韌性好 強(qiáng)度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA制造 4 增壓器軸承車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器軸承采用浮動(dòng)軸承 實(shí)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(shí) 圓環(huán)在軸與軸承座之間緩慢轉(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(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 進(jìn)氣旁通閥是在發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷 渦輪增壓器不工作時(shí)工作 打開 的 向氣缸內(nèi)補(bǔ)充空氣 當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí) 壓氣機(jī)出口壓力克服進(jìn)氣旁通閥膜片內(nèi)側(cè)的彈簧預(yù)緊力而關(guān)閉 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 四 渦輪增壓器的潤滑與冷卻 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 如果只靠機(jī)油和空氣對渦輪增壓器進(jìn)行冷卻 則當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速工作之后 如果立即停機(jī) 那么機(jī)油可能因軸承溫度太高而燃燒