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汽車發(fā)動機增壓 第一節(jié)概述 一 增壓的目的是通過將空氣預先壓縮后供入氣缸 增加進氣質量 相應地增加循環(huán)供油量 從而可以增加發(fā)動機功率 二 增壓的基本類型分渦輪增壓 機械增壓 氣波增壓三種 對應的增壓器稱渦輪增壓器 機械增壓器 氣波增壓器 不講 1 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 2 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 機械增壓能有效提高發(fā)動機功率 與渦輪增壓相比 其低速增壓效果更好 由于機械增壓器與發(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 一般適用于小型汽油機或與渦輪增壓器復合使用 三 復合增壓系統(tǒng)1 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 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 2 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)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)動機低轉速轉矩特性得到改善 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容易發(fā)生喘振 渦輪增壓的困難 2 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 5 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 四 汽油機增壓的困難 1 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 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 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 2 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 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40 為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 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 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)中也設有中冷器 第二節(jié)機械增壓 一 機械增壓系統(tǒng) 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 帶中冷器和點火提前角控制 不發(fā)生爆燃 二 機械增壓器 羅茨式壓氣機結構如圖示 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 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 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 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 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與花鍵套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 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 每組三個氣缸的排氣驅動一個渦輪增壓器 此系統(tǒng)除包括渦輪增壓器9 進氣旁通閥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 渦輪增壓器的結構及工作原理 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 增壓器軸5通過兩個浮動軸承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或渦輪機中的密封裝置等 離心式壓氣機由進氣道6 壓氣機葉 輪3 無葉式擴壓管2及壓氣機渦殼1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3 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 空氣所具有的大部分動能轉變?yōu)閴毫δ?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是由渦殼和中間體側壁所形成的環(huán)形空間 如圖7 11所示 其結構簡單 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)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艿倪^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 渦輪機作用是將發(fā)動機排氣的能量轉變?yōu)闄C械功 徑流式渦輪機由渦殼 噴管 葉輪和出氣道等組成 發(fā)動機排氣經(jīng)渦殼引導進入葉片式噴管3 噴管是由相鄰葉片之間構成的減縮形流道 排氣流過噴管時降壓 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1 并在葉片2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 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?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械加工成形 渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造 內(nèi)表面應光潔 3 轉子渦輪機葉輪 壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上 構成增壓器轉子 其轉速高達10萬 20萬轉 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40Cr或18CrNiWA制造 4 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) 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 進氣旁通閥是在發(fā)動機在低速小負荷 渦輪增壓器不工作時工作 打開 的 向氣缸內(nèi)補充空氣 當渦輪增壓器工作時 壓氣機出口壓力克服進氣旁通閥膜片內(nèi)側的彈簧預緊力而關閉 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 四 渦輪增壓器的潤滑與冷卻 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 如果只靠機油和空氣對渦輪增壓器進行冷卻 則當發(fā)動機在大負荷或高轉速工作之后 如果立即停機 那么機油可能因軸承溫度太高而燃燒