第九章 发动机增压

第九章 汽车发动机增压第一节 概述增压 就是 将空气预先压缩 后再供入气缸，以提高空气密度、增加进气量的一项技术。进气量增加 ，可相应增加循环供油量，从而增加发动机功率。同时 ，增压还可以改善燃油经济性。第一节 概述一、增压的基本类型： 机械增压、涡轮增压和气波增压。1、机械增压器 由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带及电磁离合器驱动。与发动机 容易匹配，结构较紧凑 ； 与涡轮增压相比 ， 低速增压效果更好 。需消耗发动机功率，燃油消耗率比非增压发动机略高。一般适用于 小型汽油机或与涡轮增压器复合 使用。2、涡轮增压器 由 涡轮机和压气机 构成。将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。优点： 经济性 比机械增压和非增压发动机都好，并可大幅度降低有害气体的 排放和噪声 水平。缺点： 低速时转矩增加不多 ，而且在发动机工况发生变化时， 瞬态响应差 ，致使汽车加速性，特别是 低速加速性较差。3、气波增压： 气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中 发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。优点： 结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮增压相比，其 低速转矩特性好 。缺点： 体积大，噪声高，安装位置受到一定的限制。目前，这种增压器还 只能在低速范围内 使用。由于柴油机的最高转速比较低，因此多用于柴油机上。 二、复合增压系统1、串联式复合增压系统： 空气先经过 涡轮增压器提高压力后 ，进入 中间冷却器 降温，再经 机械增压器 增压。这种增压方式主要用于 高增压 发动机上。2、并联式复合增压系统： 由 机械增压器和涡轮增压器 同时向发动机供给增压后的空气。在 低速范围内 主要靠机械增压，而 在高转速范围内 主要靠涡轮增压。这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善。三、汽油机增压的困难：1、进气系统中 节气门的存在 使得发动机在 低速小负荷时 压气机容易发生 喘振 涡轮增压的困难。2、 汽油机增压后 爆燃倾向 增加。3、汽油机 混合气的过量空气系数小 ， 燃烧温度高 ，增压后发动机和涡轮增压器的 热负荷高 。4、汽油机 转速高，范围广 ，发动机和增压器 匹配困难 。5、涡轮增压汽油机的 加速性较差 （增压器叶轮的惯性 ），尤其是低速加速性差。1、爆燃控制： 利用 爆震传感器 检测 爆燃 信息，并传送给 ECU， 电控单元则 发出指令推迟点火时刻 以消除爆震。待 爆震消除后 ，自适应地 加大点火提前角 ，使发动机 在最理想的状况下 工作。四、电控汽油喷射式汽油机能够普及增压的原因电控技术的应用 ，可以方便地对 汽油机增压系统 进行 爆燃控制 （即点火提前角控制）、 放气控制 （即增压压力控制）和 排放控制 。2、放气控制： 采用增压压力调节装置，装有 进气旁通阀和排气旁通阀 以及 控制膜盒 。大负荷、高转速时 ，废气能量大，增压器转速高，增压压力高；低转速、小负荷时 ，废气能量小，增压器转速低，增压压力低。若增压器按高速、大负荷设计 ，则低速、小负荷时发动机的转矩小，加速性差。因此， 轿车用发动机 涡轮增压器的设计转速 一般为 标定转速的 40%，为了 限制高转速时的过高的增压压力 （发动机热负荷过大并发生爆燃）， 必须采用增压压力调节装置。3、增压中冷： 增压后的 空气温度升高 ，一则发动机进入气缸内的 空气密度下降 ，输出功率降低；二则还会引起 发动机爆燃 。因此，对 增压后的空气 进行 冷却 ，对提高发动机 功率 、降低燃油消耗率 、降低发动机 热负荷 和减轻发动机 爆燃 倾向都有利。这是通过在 压气机后面 连接一个中 冷器 实现的。在 高增压柴油机 上的增压系统中也设有中冷器。一、机械增压系统 电控汽油喷射式发动机机械增压系统示意图。机械增压器 6为 罗茨式 压气机，由 曲轴带轮 12经 传动带 和 电磁离合器带轮 11驱动增压器 6工作。空气 经 增压器 增压后再经 中冷器 7降温，然后进入 气缸 。当发动机在小负荷下运转时不需要增压 ，这时 电控单元(ECU)17根据 节气门位置传感器 3的信号，使 电磁离合器 断电， 增压器 停止工作。与此同时 ， 电控单元 向 进气旁通阀 5通电使其开启， 空气 经 旁通阀及旁通管道 进入 气缸 。爆燃传感器 9安装在发动机 机体上，它将发动机发生 爆燃的信号 传输给 电控单元 ， 电控单元则发出相应的 指令 减小 点火提前角 ，以消除 爆燃 。二、机械增压器 机械增压器当中， 罗茨压气机 最广为人知。它由 转子 、 转子轴 、 传动齿轮 、 壳体 、 后盖 和 齿轮室罩 等构成 。在 压气机前端 装有电磁离合器 及电磁离合器 带轮 。图示中 罗茨式压气机中有 两个转子 。发动机 曲轴带轮 经 传动带、 电磁离合器带轮 和 电磁离合器 驱动 其中的一个 转子；另一个转子 由 传动齿轮 带动与第一个转子 同步旋转转子的前后端 支承在 滚子轴承 上，轴承和传动齿轮用 合成高速齿轮油 润滑。在 转子轴的前后端 装置 油封 ，以防止润滑油漏入压气机壳体内。罗茨式压气机转子 :两叶的、三叶 。两叶转子 为直线型，而 三叶转子 为螺旋型。三叶螺旋型转子 有较低的工作 噪声 和较好的增压器特性。在 相互啮合的转子之间 以及 转子与壳体之间 都有很小的 间隙 ，并在 转子表面涂敷树脂 ，以 保持 转子之间以及转子与壳体间较好的 气密性 。转子用铝合金制造。罗茨式压气机工作原理 :转子 旋转时， 空气 从压气机 入口 吸入，在转子叶片 的推动下 空气被加速 ，然后从压气机 出口压出 。出口与进口的 压力比可达 1.8， 供气量与转速成正比。三、电磁离合器电磁离合器安装在传动带轮中，结构如图示。传动带轮 与 主动板 固连在一起， 从动摩擦片 与 花键套 固连接在一起。电控单元 根据发动机 工况 需要，发出 接通或切断 电磁离合器 电源 的 指令，以控制增压器的工作。当接通电源时 ，电磁 线圈通电 ， 主动板 吸引 从动摩擦片 ，使 离合器 处于 结合状态，增压器工作。当切断电源时 ，电磁线圈 断电 ，主动板与从动摩擦片 分开 ，增压器停止转动。第三节 涡轮增压 一、涡轮增压系统 分为 单涡轮 增压系统和 双涡轮 增压系统。1. 单涡轮增压只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统。 涡轮增压系统 除涡轮增压器之外 ，还包括 进气旁通阀、排气旁通阀和排气旁通阀控制装置 等。 排气旁通阀控制装置 控制膜盒2. 双涡轮增压六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统。 两个 涡轮增压器 并列 布置在 排气管 中，按气缸工作顺序把 1、 2、 3缸作为一组 ， 4、 5、 6缸作为另一组， 每组三个气缸 的排气驱动一个涡轮增压器。因为三个气缸的 排气间隔相等 ，所以增压器 转动平稳 。另外，把三个气缸分成一组还可防止各缸之间的 排气干扰 。稳压增压和脉冲增压、两级增压中冷等二、 涡轮增压器的结构及工作原理 由 离心式压气机 和 径流式涡轮机 及 中间体 三部分组成。增压器轴 通过 两个浮动轴承 支承在 中间体 内。中间体 内有 润滑和冷却轴承的 油道 ，还有防止 机油漏入压气机 或涡轮机 中的 密封装置 等。1.离心式压气机 由 进气道 、压气机叶轮、 扩压管 及 压气机蜗壳 等组成。叶轮 包括 叶片 和 轮毂 ，并由 增压器轴带动 旋转。压气机旋转 时， 空气 经 进气道 进入 压气机叶轮 ，并在 离心力 的作用下沿着 压气机叶片 之间形成的 流道 ，从 叶轮中心 流向 叶轮的周边 。空气 从 旋转的叶轮 获得 能量 ，使其 流速、压力和温度 均有较大的 增高 ，然后进入 扩压管 。扩压管 为 渐扩形流道 ，空气流过扩压管时 减速增压 ，温度也有所升高。即在扩压管中，空气所具有的大部分 动能 转变为 压力能 。a. 扩压管 分 叶片式和无叶式 两种。b. 无叶式扩压管 实际上是由 蜗壳 和 中间体侧壁 所形成的环形空间 。构造简单， 工况变化 对 压气机效率 的影响很小，适于 车用 增压器。c. 叶片式扩压管 是由相邻 叶片 构成的 流道 。其 扩压比大 ， 效率高 ，但 结构复杂 ， 工况变化 对压气机效率有较大 的影响。d. 蜗壳的作用 是收集从 扩压管 流出的 空气 ，并将其 引向 压气机出口 。空气 在 蜗壳 中继续 减速增压 ，完成其由 动能 向 压力能 转变的过程。e. 压气机叶轮 由 铝合金 精密铸造， 蜗壳 也用 铝合金 铸造。 2.径流式涡轮机 涡轮机 是将发动机 排气的能量 转变为 机械功 的装置。涡轮机 有 径流式 和 轴流式 之分， 车用 增压器涡轮用 径流式径流式 涡轮机由 蜗壳 、 喷管 、 叶轮 和 出气道 等组成。蜗壳的进口 与发动机 排气管 相连，发动机 排气经蜗壳 引导进入 叶片式喷管 。 喷管 是由 相邻叶片 构成的 渐缩形流道 。排气 流过 喷管 时 降压 、 降温 、 增速 、 膨胀 ，使排气的 压力能 转变为动能 。由 喷管流出的高速气流冲击叶轮 ，并在 叶片 所形成的 流道 中继 续膨胀作功 ， 推动叶轮旋转 。a. 涡轮机的喷管 与 压气机扩压管 类似，也有 叶片式 和 无叶片式 之分。现代 车用径流式 涡轮机 多采用无叶式喷管 。喷管叶片 用 耐热和抗腐蚀的合金钢 铸造或机械加工成形。b.涡壳 引导废气 以一定角度进入涡轮机 叶轮 ，同时有 将排气的 压力能和热能 部分地转变为动能的作用。蜗壳 用 耐热合金铸铁 铸造，内表面应光洁以减少气体流动损失。c. 涡轮机叶轮 经常在 900 高温的排气 冲击下工作，并承受巨大的离心力 作用，所以采用 镍基耐热合金钢 或 陶瓷材料 制造。用 质量轻并且耐热 的 陶瓷材料 可使涡轮机叶轮的 质量大约减小 2/3，涡轮增压加速滞后 的问题也在很大程度上得到改善。3、转子涡轮机叶轮 、 压气机叶轮 和 密封套 等零件安装在增压器 轴 上构成增压器 转子 ，其转速高达 10万 20万 转 /分，因此，必须经过 动平衡检验、调整 。增压器轴 在工作中承受 弯曲和扭转交变 应力，一般用韧性好、强度高的 合金钢 40Cr或 18CrNiWA 制造。 理论上有转子动力学4.增压器轴承 轴承 的结构是车用涡轮增压器 可靠性 的关键之一。现代车用 涡轮增压器都采用 浮动轴承 。浮动轴承 实际上是 套在轴上的圆环 。 圆环与轴 以及 圆环与轴承座 之间都有间隙，形成 双层油膜 。圆环浮在轴与轴承座之间。 航空发动机有用空气轴承的。一般 内层间隙 0.05mm左右，外层间隙 大约 0.1mm。轴承壁厚 约