第十章内燃机的增压介绍.ppt

工程机械发动机构造 第十章内燃机的增压 第一节增压的基本概念增压就是利用专用的装置 增压器 在进气过程中采用强制的方法 将新鲜气体送入气缸 其进气量大大高于自然进气的进气量 其平均有效压力的数值可以大幅度提高 内燃机增压后 其功率提高程度称为增压度 内燃机增压后 进入气缸的气体压力与大气压力之比称为增压压比 用增压的方法来提高内燃机的功率指标也有一定的限度 主要受机械负荷 热负荷 制造增压器的耐热材料许用温度的限制 增压的方式主要有机械增压 涡轮增压和气波增压三种 各自的结构工作的原理各不相同 但都可以起到增加进气压力的作用 最早的增压器是机械增压 在刚发明时被称为超级增压器 Supercharger 涡轮增压发明之后为了区隔两者 将涡轮增压器称为TurboSupercharger 机械增压则被称为MechanicalSupercharger 后来 两者就分别被简化为Turbocharger与Supercharger了 第二节机械增压由机械增压器产生压力 达到增压的效果 其低速增压效果好 机构比较紧凑 但驱动增压器需消耗发动机功率 燃油消耗率略高 机械增压器压缩机的驱动力来自引擎曲轴 一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮 间接将曲轴运转的扭力带动增压器 达到增压目的 依构造不同 机械增压出现过许多种类 包括叶片 Vane 罗茨 Roots 温克尔 Wankle 等型式 罗茨增压器有双叶与三叶转子两种型式 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 转子之间有极小的间隙而不直接相连 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 离合器则由计算机控制以达到省油的目的 机械增压的特征 除了在低转速便可获得增压外 增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例 即机械增压引擎的油门反应随着转速的提高 动力输出随之增强 因此机械增压引擎的操作感觉与自然气极为相似 却能拥有较大的马力与扭矩 第三节涡轮增压涡轮增压的原理是利用引擎运转时所排出来的废气 用废气来转动涡轮增压器中的排气侧转子 而排气侧转子与进气侧转子 Compressor 是同轴异室 当排气侧转子达到一定转速时它带动另一侧的Compressor 使Compressor转子引进外来的新鲜空气 经过压缩倒入进气歧管内 因此Turbo车的进气是非自然方式 是经过 吸进来 再压缩 所以空气压力是大于大气压力的 涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量 从而提高发动机的功率和扭矩 让车子更有劲 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 涡轮增压器的结构及工作原理 涡轮增压器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5通过两个浮动轴承9支承在中间体14内 中间体内有润滑和冷却轴承的油道 还有防止润滑油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等 离心式压气机由进气道6 压气机叶 轮3 无叶式扩压管2及压气机涡壳1等组成 当压气机旋转时 空气经进气道进入压气机叶轮 并在离心离的作用下沿着压气机叶片1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提高 然后进入叶片式扩压管3 扩压管为渐扩形流道 空气流过扩压管时减速增压 温度也有所提高 在扩压管中 空气所具有的大部分动能转变为压力能 扩压管分叶片式和无叶片式两种 右图为叶片式 而无叶片式扩压管就是由涡壳和中间体侧壁所形成的环形空间 如图7 11所示 其结构简单 工况变化对压气机效率的影响很小 适用于车用增压器 叶片式扩压管优点是扩压比大 压气机效率高 但结构复杂 工况变化对压气机效率有较大的影响 涡壳的作用是收集从扩压管中流出的空气 将其引向压气机出口 空气在涡壳中继续减速增压 完成由动能转变为压力能的过程 压气机叶轮由铝合金精密铸造 涡壳也用铝合金铸造 2 径流式涡轮机 涡轮机作用是将发动机排气的能量转变为机械功 径流式涡轮机由涡壳 喷管 叶轮和出气道等组成 发动机排气经涡壳引导进入叶片式喷管3 喷管是由相邻叶片之间构成的减缩形流道 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 从喷管高速流出的废气冲击叶轮1 并在叶片2所形成的流道中继续膨胀做功 推动叶轮高速旋转 涡轮机的喷管也有叶片式和无叶片式之分 现代径流式涡轮机多采用无叶式喷管 此时 涡轮机的涡壳除具有引导废气以一定角度进入涡轮机叶轮的功能外 还具有将排气的压力能和热能部分地转变为动能的作用 涡轮机叶轮工作温度经常在900 CA左右 并承受巨大的离心惯性力作用 所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造 陶瓷材料重量减轻2 3 可使涡轮增压加速滞后的问题大大改善 但耐热冲击性能差 喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形 涡壳用耐热合金铸铁铸造 内表面应光洁 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 增压器轴一般用韧性好 强度高的合金钢40Cr或18CrNiWA制造 4 增压器轴承车用发动机增压器轴承采用浮动轴承 实际是套在轴上的圆环 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 在增压器工作时 圆环在轴与轴承座之间缓慢转动 增压器工作时产生轴向推力 由设置在压气机一侧的推力轴承承受 三 增压压力的调节涡轮增压系统中的排气旁通阀3受控制膜盒1控制 控制膜盒中的膜片将其分成左室右室 右室通过连通管11与压气机出口相通 左室通大气 其中的弹簧预紧力向右作用 当压气机出口压力大于弹簧预紧力时 经过连动杆2迫使排气旁通阀打开 控制增压压力不超过限定值 进气旁通阀是在发动机在低速小负荷 涡轮增压器不工作时工作 打开 的 向气缸内补充空气 当涡轮增压器工作时 压气机出口压力克服进气旁通阀膜片内侧的弹簧预紧力而关闭 现代发动机的电控单元根据压气机出口处增压压力传感器大小控制电磁阀通电或断电 以开闭排气旁通阀 四 涡轮增压器的润滑与冷却 来自发动机润滑系统主油道的机油 经增压器中间体上的机油进口1进入增压器 润滑与冷却增压器轴与轴承 然后 机油经机油出口2返回发动机油底壳 在增压器轴上安装油封 若损坏 将导致机油消耗剧增 发动机排气冒蓝烟 汽油机涡轮增压器的热负荷大 因此必须在涡轮机一侧设置冷却水套 并用软水管与发动机的冷却系连通 进水口3和出水口4均在中间体上 如果只靠机油和空气对涡轮增压器进行冷却 则当发动机在大负荷或高转速工作之后 如果立即停机 那么机油可能因轴承温度太高而燃烧 涡轮增压由于是超高转速地运转轴承 随之而来的高温排除或增压过度的泄压就是关键 目前常用的就是机油导入来润滑与冷却轴承 也有用水冷式的 涡轮增压的确能够提升发动机的动力 不过它的缺点也有不少 其最明显的就是动力输出反应滞后 同时安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的 还有在经过了增压之后 发动机在工作时候的压力和温度都大大升高 因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短 而且机械性能 润滑性能都会受到影响 这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用 一 增压空气中冷增压压力较高时 功率对压力的增长率较低 这是因为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 以提高它的密度 这就是增压空气的中间冷却 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 进行中间冷却的装置称为中冷器 中冷器的冷却介质可以是水 也可以是空气 二 增压柴油机的结构特点1 降低压缩比 一般为12 14 2 增大过量空气系数 一般比不增压柴油机大10 30 3 供油系统 由于燃料供应量增大 必须增大喷油泵的柱塞直径 必须加大喷油器喷孔直径及压力 减小喷油提前角 4 曲柄连杆机构 结构强度要加强 对活塞强制冷却 降低其热负荷 思考题 1 什么叫增压度和压