第三章发动机废气涡轮增压-秋.ppt

第三章 小块头 大智慧 发动机废气涡轮增压 EngineExhaust gasTurboSupercharging 推荐阅读资料 汽车之家 变的是截面详解VGT可变截面涡轮增压器 当传统的自然吸气式发动机已经无法再满足我们追求极致的驾驶推背感和对于车辆动力性能的更高要求时 发动机增压 这样一个具有革命性和突破性的技术打破了传统发动机在动力性能提升方面的技术壁垒 使采用增压技术的发动机比相同排量的自然吸气式发动机具有更加优异的动力性能 自然吸气发动机 NormallyAspirated 的工作原理就是把汽油和空气的混合气吸入气缸 然后由火花塞点燃 燃烧膨胀的气体推动活塞做功 从而实现发动机运转 但是由于油气混合气的量会受到吸入气缸内空气量的影响 发动机的最大输出功率也会因此受到一定程度的限制 如果发动机的运行已经处于最佳状态 想要再增大输出功率就只能依靠发动机增压技术通过压缩更多的空气进入气缸来增加油气混合气的量 从而达到提高车辆动力性能的目的 主要内容 概述废气能量的利用 自学 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压的类型汽油机增压概述车用增压发动机的性能 带 T 的轿车 排量后面加上一个T如宝来的1 8T T就是代表着涡轮增压 一台发动机装上涡轮增压器后 其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40 甚至更高 这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率 就拿我们最常见的1 8T涡轮增压发动机来说 经过增压之后 动力可以达到2 4L发动机的水平 但是耗油量却比1 8发动机并不高多少 在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放 根据发动机的有效功率 又 则 则提高发动机的单机功率的方法 1 改变发动机结构参数 缸数i 缸径D 冲程S 冲程数 2 提高转速n及活塞平均运行速度3 提高平均有效压力增压 其中 充量密度 增压是内燃机发展的重要方向 增压的目的是通过将空气预先压缩后供入气缸 增加进气质量 相应地增加循环供油量 从而可以增加发动机功率 增压就是设法提高进入气缸的充量密度 使进入发动机的新气量增加 这就可以燃烧更多的燃料 使平均有效压力提高 从而提高功率和改善经济性能和排放性能 增压度 指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比 发动机增压的衡量指标 增压比 增压后气体压力与增压前气体压力之比 增压的基本类型分涡轮增压 机械增压 又称超级增压 气波增压三种 对应的增压器称涡轮增压器 机械增压器 气波增压器目前又提出了第四种 复合增压 也称之为双增压 而气波增压气波增压由于机构体积庞大 适用范围较 目前已不使用 增压的种类 1 按增压比 低增压 中增压 高增压 2 按增压系统的结构形式 机械增压 涡轮增压 涡轮增压 复合增压 双增压 1 机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压器 实现对进气的压缩 这种方式提出最早 但其优点与缺点同样突出 用于小功率发动机 图3 1 Supercharger 机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴 一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮 以曲轴运转的扭力带动增压器 达到增压目的 根据构造不同 机械增压曾经出现过许多种类型 包括 叶片式 Vane 鲁兹 Roots 温克尔 Wankle 等型式 现在较为常见的为前两种 鲁兹增压器有双叶 三叶转子两种型式 目前以双叶转子较普遍 其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子 转子之间保有极小的间隙而不直接接触 两转子借由螺旋齿轮连动 其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接 转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器 在不需要增压时即放开离合器以停止增压 离合器的开合则由计算机控制以达到省油的目的 而叶片式 亦有称为涡流式 的本体就是属于叶片式本体的一种 其运作方式主要是利用三个可根据不同离心力而改变转速的行星齿轮组带动进气叶片 透过齿轮组与叶片轴心的相互磨擦 提高轴心转速并进一步提高进气叶片的速度 以获得持续不断的增压反应 换句话说 就是发动机转速愈高 进气叶片的转速也能跟着提高 Twin Screw式 机械增压器工作原理 双转子 Roots式 机械增压器工作原理 奇瑞瑞虎1 6L装有机械增压 奔驰C180K用的1 6升机械增压发动机 机械增压系统 这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接 从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转 从而将空气增压吹到进气岐道里 其优点是涡轮转速和发动机相同 因此没有滞后现象 动力输出非常流畅 但是由于装在发动机转动轴里面 因此还是消耗了部分动力 增压出来的效果并不高 由发动机曲轴1经齿轮增速器5驱动 图a 或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带9及电磁离合器6驱动 机械增压器由于利用引擎转速来带动机械增压器内部机构 其整体结构简单 工作温度介于70 100 比起靠废气驱动的涡轮增压器的400 900 的高温工作环境要舒服得多 因此 机械增压系统对于冷却系统 润滑系统的要求与NA引擎基本相同 机件保养程序也大同小异 此外 机械增压优点为体积小 不需修改引擎本体 安装容易 因此在美国的改装界也颇受欢迎 原本为大排气量NA设计的车辆 尤其适合改装 依靠发动机动力带动的机械增压器 会给发动机带来额外的负担 因此 增压器本身的运转阻力必须越小越好 才不会拖累引擎的工作效率 发动机转速提升才能更快 机械增压器的进风量与阻力成正比关系 当使用高增压时 虽然引擎输出的能量大增 但相对增压器内部叶片受风阻力也会升高 当阻力达到某一界限时 这个阻力会使引擎承受极大的负荷 严重影响转速的提升 因此 机械增压必须在增压值与引擎负荷间取得平衡 以避免高增压带来的负面效应 机械增压能有效提高发动机功率 与涡轮增压相比 其低速增压效果更好 由于机械增压器与发动机直接机械联系 因此 其变工况的瞬态响应性好 加速性好 尤其是低速时加速性好 但发动机驱动机械增压器要消耗输出功率 因此发动机的燃油经济性较差 一般适用于小型汽油机或与涡轮增压器复合使用 房车赛的赛车在改装时要拆除空调压缩机 而方程式 Formula 赛车 甚至连启动马达 机油泵都改成外部连接 目的都是为了减少对引擎造成的负担 2 废气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连 构成涡轮增压器 涡轮在排气能量的推动下旋转 带动压气机工作 实现进气增压 广泛应用于柴油机 图3 2 由涡轮机和压气机构成 Turbocharger 涡轮增压的原理 红色为高温废气 蓝色为新鲜空气 涡轮增压器的全称应该是废气涡轮增压器 顾名思义 它是利用发动机排出的废气能量来驱动涡轮 并带动同轴上的压气机叶轮旋转 将空气压缩并送入发动机汽缸 由于废气涡轮增压器与发动机之间没有任何机械传动连接 机械损耗更小 理论上只要汽缸壁足够坚固 只需通过增加涡轮的尺寸和激量 就能将动力提升到十分惊人的程度 将发动机发出的废气引入涡轮机 废气的能量推动涡轮机叶轮旋转 并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 涡轮增压的最大优点是燃油经济性好 并可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平 缺点是低速时排气能量低 增压效果差 低速加速性能较差 涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机 涡轮增压器 Tubro 实际上就是一个空气压缩机 它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮 位于排气道内 涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内 叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气 再送入气缸 当发动机转速加快 废气排出速度与涡轮转速也同步加快 空气压缩程度就得以加大 发动机的进气量就相应地得到增加 就可以增加发动机的输出功率了 涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上 大幅度提高发动机的功率和扭矩 一台发动机装上涡轮增压器后 其输出的最大功率与未装增压器相比 可增加大约40 甚至更多 通过不断的技术进步 涡轮增压器的耐高温性能 刚排出汽缸的尾气温度极高 已得到大幅改进 但它仍有个难以完全克服的缺点 涡轮迟滞 压气机叶轮只有在发动机废气排放量到达一定程度后才会被推动 因此动力的响应速度也被拖了后腿 此外 突然爆增的动力输出也经常让驾驶人措手不及 3 气波增压 利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气 著名的气波增压器 Comprex 就是其中之一 图3 5 Pressurewavesupercharger 气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触 利用高压废气对低压空气产生的压力波 迫使空气压缩 从而提高进气压力 气波式增压器具有充气效率高 低速扭矩大 加速性好等优点 但由于它的特殊结构 气波式增压器同样存在体积大 重量大 噪音大等缺点 另外 空气压力波对进 排气阻力过于敏感 要求进气滤清器及悱气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力 由于存在许多问题 气波式增压器目前仍处于研究试验阶段 4 复合增压 组合增压 由上述各种方式组合而成 如机械增压与涡轮增压的结合等 Compositersupercharger 在中国有句俗话 叫 好事成双 相比采用单增压系统的发动机 双增压系统发动机似乎更能表达中国人对于 好事成双 这句话的理解 目前 包括宝马和大众在内的多家汽车厂商都已经在各自旗下的车型上装备了双增压系统发动机 单涡轮双涡管 可变截面涡轮增压几种 复合式增压器也就是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装罩 主要用于某些二冲程发动机上 借以保证发动机起动和低速负荷时有必要的扫气压办力 复合式增压器还适合于排气背压较高的场合 如水下 但它的结构过于复杂 体积较大 多用于固定式机器 目前如大众的1 4升增压发动机采用了类似结构 由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势 因此 由1个涡轮增压器和1个机械增压器共同组成的双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势 并且使整合在一起的这两种不同型式的增压系统实现了优势互补 第6代高尔夫1 4LTSI双增压系统汽油直喷发动机 大众公司在第6代高尔夫车型上装备的1 4LTSI双增压系统汽油直喷发动机就采用了涡轮增压与机械增压相结合的双增压技术 发动机在较低转速下运行时 由机械增压器提供绝大部分的增压压力 发动机输出功率的增加主要来自于机械增压系统 此时涡轮增压器由于 涡轮迟滞 增压效果并不明显 待发动机转速上升到1500r min时 涡轮增压器的增压效果开始增强 并与机械增压器共同为发动机功率的增加提供所需的增压压力 随着转速的不断提高 涡轮增压器的增压效果也在不断增强 与此同时 机械增压器的增压效果开始逐渐减弱 当发动机转速超过3500r min时 由涡轮增压器提供全部的增压压力 发动机输出功率的增加全部来自于涡轮增压系统 此时机械增压器已经停止工作 以防止消耗发动机功率 应该说 双增压系统发动机很好地解决了机械增压系统燃油经济性较差和涡轮增压系统在低转速时容易产生 涡轮迟滞 现象的问题 但是 由于双增压系统结构复杂 不易与发动机匹配 对于发动机零部件的制造要求也较高 因此 目前只在个别车型上实现了应用 双涡轮增压双涡轮增压一般称为Twinturbo或Biturbo 双涡轮增压是涡轮增压的方式之一 针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象 串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮 在发动机低转速的时候 较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力 减小涡轮迟滞效应 在双涡轮增压的汽车上会看到2组涡轮通过串联或者并联的方式连接 并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作 每组涡轮都是同规格的 它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度 串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成 低转时推动反应较快的小涡轮 使低转扭力丰厚 高转时大涡轮介入 提供充足的进气量 功率输出得以提高 双涡轮增压 顾名思义 就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统 区别于常见的单涡轮增压发动机 双涡轮增压发动机在2个涡轮增压器的共同作用下 进气效率大幅提升 增压效果更加显著 由于使用了2个涡轮增压器 双涡轮增压系统的结构变得更加复杂 因此多用于直列6缸和V型发动机上 而单涡轮增压系统则多用于直列4缸发动机上 由于双涡轮增压发动机在车辆动力性能提升和发动机动态响应速度方面所表现出来的突出优势 目前 包括宝马在内的多家汽车厂商都已经在各自旗下的车型上采用了双涡轮增压的增压型式 以宝马在X6xDrive50i全能轿跑车型上装备的4 4LV8双涡轮增压汽油直喷发动机为例 这款发动机的双涡轮增压系统由2个大小完全一样且呈并联方式排列的涡轮增压器组成 按照气缸工作顺序把1 3 5 7缸分为一组 2 4 6 8缸作为另一组 发动机在运行时 每组4个气缸的排气共同驱动一个涡轮增压器 2个涡轮增压器同时工作 在一定程度上缓解了 涡轮迟滞 现象对车辆低速行驶时发动机功率快速增加所造成的不良影响 但是 双涡轮增压发动机不能完全消除 涡轮迟滞 现象 因涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在 只不过 从双涡轮增压技术的角度出发来进行分析而得到缓解 在实际使用中 双涡轮增压发动机常装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上 由于发动机本身的动力性能已经相当优异 驾驶者在驾车时也不会因为 涡轮迟滞 察觉到车辆在加速过程中的动力滞后 单涡轮双涡管单涡轮双涡管可以说是宝马的独有技术 单涡轮双涡管就是将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流 每股气流负责3个缸 同时于双涡轮相比 单涡轮的设计也减低了排气脉冲相互干扰的情况 单涡轮双涡管发动机逐渐在宝马各个车系开始普及 与双涡轮发动机相比 它只采用了一颗经过TwinPower优化的单涡轮增压器 TwinPower简单的说双进气道 单涡轮双涡管就是由双涡轮的每三个汽缸驱动一个涡轮进化成了每三个汽缸各自通过一个涡轮进气管路共同驱动一个涡轮 从而减轻发动机自重和降低油耗 普通涡轮增压发动机的缺点 涡轮迟滞普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观 但当发动机转速较低时 排气能量却小的可怜 此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速 这样造成的结果就是 在低转速时 涡轮增压器并不能发挥作用 这时候涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机 这就是我们经常说的 涡轮迟滞 现象 对于传统的涡轮增压发动机来说 解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮 首先 小涡轮会拥有较小的转动惯量 因此在发动机低转速时 在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速 从而有效改善涡轮迟滞的现象 不过 使用小涡轮也有它的缺点 当发动机高转速时 小涡轮由于排气截面较小 会使排气阻力增加 产生排气回压 因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响 而对于产生回压较小的大涡轮来说 虽然高转速下可以拥有出色增压效果 发动机也会拥有更强的动力表现 但是低速下涡轮更难以被驱动 因此涡轮迟滞也会更明显 让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果 VGT VariableGeometryTurbocharger 或者叫VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生 在柴油发动机领域 VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用 由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机 达到1000 C左右 柴油发动机为400 C左右 而VGT所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境 因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用 近年来 博格华纳与保时捷联手克服了这个难题 使用了耐高温的航空材料技术 从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机 保时捷则将这项技术称为VTG VariableTurbineGeometry 可变涡轮叶片技术 VTG VariableTurbineGeometry 可变涡轮叶片技术 可变截面涡轮增压 VGT 导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流速度 低转速时开度小 左图 提高空气流速 高转速时开度大 右图 减小排气负压 VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片 从图上我们可以看到 涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片 导流叶片的相对位置是固定的 但是叶片角度可以调整 在系统工作时 废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上 通过调整叶片角度 控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速 从而控制涡轮的转速 当发动机低转速排气压力较低的时候 导流叶片打开的角度较小 根据流体力学原理 此时导入涡轮处的空气流速就会加快 增大涡轮处的压强 从而可以更容易推动涡轮转动 从而有效减轻涡轮迟滞的现象 也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力 而在随着转速的提升和排气压力的增加 叶片也逐渐增大打开的角度 在全负荷状态下 叶片则保持全开的状态 减小了排气背压 从而达到一般大涡轮的增压效果 此外 由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制 这也就实现对涡轮的过载保护 因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀 VGT可变截面涡轮增压器只能通过改变排气入口的横切面积改变涡轮的特性 但是涡轮的尺寸大小并不会发生变化 如果从涡轮A R值去理解的话 可变截面涡轮的原理会更加直观 A R值是涡轮增压器的一项重要指标 用以表达涡轮的特性 在改装市场的涡轮增压器销售册上也常有标明 A表示Aera区域 指的是涡轮排气侧入口处最窄的横切面积 也就是可变截面涡轮技术中的 截面 R Radius 则是代表半径意思 指的是入口处最窄的横切面积的中心点到涡轮本体中心点的距离 而两者的比例就是A R值 相对而言 压气端叶轮受A R值的影响并不大 不过A R值却对排气端涡轮有着十分重要的意义 导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流速度 低转速时开度小 提高空气流速 高转速时开度大 减小排气负压当A R值越小时 表示废气通过涡轮的流速较高 这种特性可以有效减轻涡轮迟滞 涡轮也就能在较低的转速区域取得较高的增压 而发动机高转速时则会产生较大的排气背压 使高转速时功率受到限制 反之 当A R值越大时 涡轮的响应速度就越慢 低转速时涡轮迟滞明显 不过在高转速时 拥有较小的排气背压 且能够更好的利用排气能量 从而获得更强的动力表现 VGT技术所实现的截面可变就是指改变A值 当叶片角度较小时 排气入口的横切面积便会相应减小 因此A值会随之变化 从而拥有小涡轮响应快的特点 而当叶片角度增大时 A值随之增大 这时A R值增大 从而在高转速下获得更强的动力输出 总而言之 透过变更叶片的角度 VTG系统可随时改变排气涡轮的A R值 从而兼顾大 小涡轮的优势特性 尽管结构和原理都很简单 但VGT可变截面涡轮技术对于增压效果的提升非常显著 在目前主流的涡轮增压柴油发动机上 这项技术已经得到了非常普遍的应用 不过 由于硬件材质的限制 这项技术在排气温度较高的汽油发动机上才刚刚起步 保时捷和博格华纳的合作可以说开创了先河 不过 随着材料科技的进步 这项技术在未来的汽油发动机上必将会得到更广泛的应用 4 组合增压 其他增压方式 冲压式增压器 RamjetCharger 冲压式增压器利用储气筒内的高压诱导空气 通过喷管将周围的空气引射入喷射器中 并在喷射器内混合 然后通过扩压管 把空气压缩到所需的压力进入汽缸 虽然冲压式增压器结构简单 工作可靠 但该系统需要高压空气泵 储气筒等部件 由于其连续工作时间较短 因此在应用方面受到很大限制 惯性增压器 Inertiasupercharger 惯性增压器是利用空气在进气歧管中的惯性效应 脉冲波动效应及其综合效应来提高发动机汽缸充气效率的方法 惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴控制气门的开启角度及时间 汽缸在前半个进气行程中 进气门只开启很小的通过截面 使汽缸中形成一定的负压 当活塞走过半个进气行程后 进气门迅速开启 很快达到最大通过截面 此时空气以很高的速度冲入汽缸 从某种意义上来说 惯性增压器在很大程度上推动了发动机技术的发展 目前的可变进气歧管长度技术及可变气门控制系统 如丰田的VVT i技术 均得益于这一原理 中间冷却系统 Inter cooIersystem 虽然增加进气压力可以提升发动机的动力性能 但随着压力的增加 压气机出口的气温也会随之增加 在一定程度上降低了空气密度 同时使得发动机排气歧管端的废气温度连锁提升 此外 高热也会影响负责润滑和部分冷却工作的机油 令其快速氧化甚至焦化 为了解决这些问题 中间冷却器便应运而生了 大量试验表明 在增压压力保持不变的条件下 增压空气温度每下降10摄氏度 密度就增大3 当空气燃油消耗率都保持不变时 发动机功率一般能提高3 同时大幅度降低废气中氮氧化合物的含量 而发动机工作效率也会随着增压空气温度的下降而上升 进气温度下降10摄氏度 发动机工作效率会相应提高约0 5 左右 因此 在同样的空燃比下 进气温度每下降10摄氏度 发动机功率实际上可提高约3 5 一般而言 车用发动机的中冷器采用水冷或风冷方式 但由于发动机冷却液的正常温度普遍在90摄氏度以上 因此水冷很难达到最佳效果 虽然可以设置独立的冷却系统 但散热器安装方式和重量控制问题却又无法回避 依靠风冷方式 可以有效地将发动机进气温度降低至60度左右 让增压发动机的机械效率得以显著提升 从实际应用的情况来看 较为常见的是涡轮增压和机械增压 其中涡轮增压占了绝大部分 而机械增压则在近年来重新得到重视 发展较快 机械增压VS涡轮增压 小结 机械增压器 Supercharger 是由发动机曲轴经齿轮增速器驱动的一种增压装置 发动机在运行时 气缸内的油气混合气燃烧推动活塞做功进而带动曲轴旋转 与此同时 曲轴驱动机械增压器的转子旋转 能够达到增大进气压力和加快空气流动速度的目的 使更多的空气进入发动机进气歧管 由于进气量的增加 可相应地增加供油量 从而可以增加发动机功率 机械增压能有效地提高发动机功率 尤其是低速增压效果更好 另外 机械增压器与发动机容易匹配 结构也比较紧凑 但是 由于驱动机械增压器需要消耗发动机功率 因此燃油消耗率比非增压发动机略高 涡轮增压器 Turbocharger 实际上是一种空气压缩机 由涡轮机和压气机组成 涡轮机和压气机又分别与发动机排气系统和进气系统相连 发动机在运行时 气缸排出的废气进入涡轮机 由废气能量推动涡轮机叶轮旋转 并带动与其同轴安装的压气机叶轮共同工作 使更多的新鲜空气在压气机内增压后进入气缸 增加的空气量使气缸内油气混合气的量也随之增多 从而增大发动机的输出功率 涡轮增压的优点是在发动机转速较高时增压效果显著 燃油经济性也比机械增压和非增压发动机要好 并且可大幅度地降低有害气体的排放和发动机的噪声水平 其缺点是由于叶轮本身的惯性作用导致涡轮增压器在发动机转速较低 废气能量不足时无法有效工作 致使涡轮增压器的响应时间滞后 也就是我们通常所说的 涡轮迟滞 现象 这也直接导致车辆在低速行驶时发动机功率增加不明显 而且在发动机工况连续发生变化时 涡轮增压器瞬时响应速度较慢 致使汽车的加速性 尤其是低速加速性能较差 废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方 那就是泵轮和涡轮由一根轴相连 也就是转子 发动机排出的废气驱动泵轮 泵轮带动涡轮旋转 涡轮转动后给进气系统增压 增压器安装在发动机的排气一侧 所以增压器的工作温度很高 而且增压器在工作时转子的转速非常高 可达到每分钟十几万转 如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作 因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承 由机油来进行润滑 还有冷却液为增压器进行冷却 机械增压的相对优势 首先就是无需忍耐涡轮增压车特有的 涡轮迟滞 现象 动力输出随叫随到 响应极其迅速 并且增压值从发动机启动开始就一直存在 并且绝大多数机械增压器在较低的转速区间效率最高 尤其适合城市驾驶中拥堵路况以及国内驾驶者普遍的 低速高挡 驾驶习惯 涡轮增压也有自己的优势 不会损失发动机的输出功率 这是因为涡轮增压的动力来源是本应废弃掉的尾气 而不像机械增压器需要通过发动机带动 涡轮增压能够带来40 左右的动力提升 机械增压器会消耗约20 的动力输出 但是会换来额外46 的动力提升 这样算来 机械增压的代价还是值得的 一些高品质机械增压器还能带来50 100 的动力提升 因此常常出现在赛车上面 目前的实际情况是 欧洲车系较青睐涡轮增压发动机 尤其是小排量 涡轮增压 日益成为消费者心目中的 黄金组合 小排量 涡轮增压固然有一定的优势 那就是在高转速 高车速形式时 燃烧效率与增压效率非常高 并且增压介入的转速区间也十分宽广 海外大众的1 4TSI双增压发动机之所以能够压榨出125kW的功率 就是在低速利用机械增压 高速利用涡轮增压 充分结合利用了二者的优势而来 小排量涡轮增压主要为满足欧洲严苛的排放法规以及燃油经济性需要 然而引进到中国市场的欧系涡轮增压发动机普遍出现水土不服的现象 烧机油 机油消耗量过大 积碳过多等现象层出不穷 并且由于北京等一线城市交通拥堵 汽车很难达到理想的经济车速 发动机也绝大多数工作在2000转 分以下的低转速区域 难以发挥涡轮增压车的优势 气波增压系统 利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩 这种系统增压性能好 加速性好但是整个装置比较笨重 不太适合安装在体积较小的轿车里面 复合增压系统 即废气涡轮增压和机械增压并用 机械增压有助于低转速时的扭力输出 但是高转速时功率输出有限 而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出 但低转速时则力不从心 发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起 来解决两种技术各自的不足 同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题 这种装置在大功率柴油机上采用比较多 汽油机上采用双增压系统 复合增压系统 的车型还比较少 这种发动机输出功率大 燃油消耗率低 噪声小 只是结构太复杂 技术含量高 维修保养不容易 因此很难普及 增压的优势 1 比质量小 升功率大2 降低造价 提高材料利用率3 排气噪声降低 燃烧噪声降低4 有利于高原等稀薄条件工作5 排放降低6 适用性广 增压的代价 1 热负荷与机械负荷大2 低速时转矩受影响3 加速响应性差4 增压器对发动机性能优化的限制 影响脉冲能量利用的因素 1 排气门开启定时2 排气门流通面积3 排气门开启规律4 排气管流通面积5 排气管长度6 涡轮当量流通面积 第三节废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 废气涡轮增压器是利用内燃机排出的部分废气能量 推动涡轮机高速旋转 从而带动安装在同一根轴上的离心式压气机 增大内燃机进气压力的工作机械 种类 按废气在涡轮机中的流动方向分 离心式压气机 径流式涡轮 中间体 废气涡轮增压器结构 涡轮增压器的结构 一 径流式涡轮的工作原理 1 功用 将废气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械功 2 组成 进气壳 废气顺畅流入喷阻环 废气径喷阻环 使气流速度增大 动能增大工作轮 高速气流离心力作用驱动工作轮高速运动 使压气机工作轮转动排气壳 废气作功后顺畅排入大气或废气锅炉 3 工作原理 4 涡轮机参数 5 涡轮特性 转速一定 相似流量随膨胀比的增大而增大 涡轮机的阻塞 当转速一定时 相似流量随膨胀比的增大而增大 直到达到流量最大值 喷嘴环或涡轮叶片轮中某处气流速度已经达到了当地声速 即使再继续增大膨胀比 该处的气流速度仍维持当地声速 涡轮流量也不会再增加 这种现象称为涡轮机的阻塞现象 这时的流量称为阻塞流量 结构 二 离心式压气机的工作原理与特性 进气道 收集气流顺畅进入工作轮工作轮 对气体压缩扩压器 工作轮出口气体进一步压缩涡壳 使增压气体顺畅进入气缸 2 压气机的喘振与堵塞1 喘振现象2 喘振原因3 避免喘振堵塞 第四节废气涡轮增压的类型 废气能量的利用 1 废气的最大可用能 图7 14四冲程增压柴油机理论示功图 2 影响脉冲能量利用的因素 1 排气门开启定时2 排气门流通面积3 排气门开启规律4 排气管流通面积5 排气管长度6 涡轮当量流通面积 第五节废气涡轮增压对发动机性能的影响 废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的影响 增压前后发动机参数对比 说明1 过量空气系数在增压前后保持不变 则增压后的供油量将相应增大 以适应空气质量增加的需要 同时配气定时也要进行适当的调整 这样可以