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汽车构造 电子教案第七章车用发动机的增压系统 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第2页 第一节概述 所谓增压就是将空气预先压缩然后再供人气缸 以期提高空气密度 增加进气量的一项技术 由于进气量增加 可相应地增加循环供油量 从而增加发动机的升功率 同时 增压不仅可以改善燃油经济性 而且还作为控制排放的有效技术措施之一而得到广泛应用 实践证明 在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压后 当汽车以正常的经济车速行驶时 不仅可以获得良好的燃油经济性 而且还可以有效地降低有害排放物的比排放 单位功率小时的排放量 同时 由于发动机功率增加 还可改善车辆的加速性 根据提高进气密度 增压 的方式不同 或驱动压气机的方式不同 增压发动机分为机械增压 废气涡轮增压和气波增压等三种基本类型 实现进气增压的装置称为增压器 上述三种基本增压类型所用的增压器 分别称为机械增压器 废气涡轮增压器和气波增压器 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第3页 机械增压器 机械增压器4由发动机曲轴1经齿轮增速器5驱动 图7 1a 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 图7 1b 机械增压能有效地提高发动机功率 与涡轮增压相比 其低速增压效果更好 另外 机械增压器与发动机容易匹配 结构也比较紧凑 但是 由于驱动增压器入消耗发动机功率 因此燃油消耗率比非增压发动机略高 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第4页 涡轮增压器 涡轮增压器由涡轮机2和压气机3构成 如图7 2所示 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 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 图7 2 涡轮增压的优点是经济性比机械增压和非增压发动机好 并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平 涡轮增压的缺点是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 特别是低速加速性差 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第5页 气波增压器 气波增压器中有一个特殊形状的转子3 由发动机曲轴带轮经传动带4驱动 图7 3 在转子3中发动机排出的废气直接与空气接触 利用空气压力波使空气受到压缩 以提高进气压力 气波增压器结构简单 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 但是体积大 噪声水平高 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 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第6页 将机械增压与涡轮增压适当结合 可以构成多种形式的复合增压系统 串联复合增压便是其中的一种 在这种增压系统中 空气先经涡轮增压器提高压力后 进入中间冷却器降温 在经机械增压器增压 这种增压方式主要用于高增压发动机上 并联复合增压则是由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压空气 在低转速范围主要靠机械增压 而在高转速范围主要靠涡轮增压 这种增压系统使发动机低速转矩特性得到改善 在汽车柴油机上采用涡轮增压已经有半个多世纪了 但在1980年以前 一直没有广泛地用于车用汽油机 特别是化油器式发动机上 汽油机增压比柴油机增压要困难的多 但是 近些年来 车用汽油机 特别是轿车汽油机的涡轮增压得到了较大的普及和发展 这是因为随着高速公路的发展 车主对汽车高动力性能的要求的追求日益强烈 另外 汽油喷射式发动机和电控技术的发展 以及小型增压器性能的改善 都为普及和发展汽油机增压技术创造了有利条件 为了克服汽油机增压的困难 在汽油机增压系统中采取了许多措施 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第7页 汽油机比柴油机增压困难的原因 汽油机增压比柴油机增压要困难的多 其主要原因是 1 汽油机增压后爆燃倾向增加 2 由于汽油机混合气的过量气系数小 燃烧温度高 因此增压后汽油机和涡轮增压器的热负荷大 3 车用汽油机工况变化频繁 转速和功率范围宽广 致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当困难 4 涡轮增压汽油机的加速性较差 当节气门突然开大要求混合气量迅速增加时 却由于增压器转子的惯性 使增压器加速迟缓 发动机进气量的增加将滞后一段时间 完全消除涡轮增压器对发动机工况变化的影响滞后现象比较困难 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第8页 采取的措施 1 在电控汽油喷射式发动机上实行汽油机增压 解决了发动机与涡轮增压器匹配的困难 应用电控技术可以极其方便地对汽油机增压系统进行爆燃控制 放气控制和排放控制等 2 应用点火提前角自适应控制 来克服由于增压而增加的爆燃倾向 利用装在发动机上的爆燃传感器检测爆燃信息 并将其传输给电控单元 ECU 电控单元则发出指令推迟点火以消除爆燃 待爆燃消除后 自适应地逐步加大点火提前角 使发动机在比较理想的状况下工作 3 对增压后的空气进行中间冷却 这样对提高功率 降低油耗 降低热负荷和减轻爆燃都十分有利 4 采用增压压力调节装置 涡轮增压发动机的低转速转矩小 加速性差 为了获得低速 大转矩和良好的的加速性 轿车由涡轮增压的设计转速常为标定转速的40 但在高转速时 增压压力将会过高 增压器可能超速 过高的增压压力使汽油机热负荷过大并发生爆燃 为此必须采用增压压力调节装置 以控制增压压力 最为简单而又十分有效的这类装置是进排气旁通阀或放气阀 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第9页 第二节机械增压 机械增压器根据压气机的工作原理分为机械离心式增压器 罗茨式增压器 滑片式增压器 螺旋式增压器和转子活塞式增压器等 图7 4 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第10页 一 机械增压系统 图7 5所示为电控汽油喷射式发动机上采用罗茨式压气机的罗茨式机械增压系统的示意图 由发动机曲轴带轮12经传动带和电磁离合器带轮II驱动增压器6工作 当发动机在小负荷下运转时不需要增压 这时电控单元 ECU 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 电控单元门向进气旁通阀5通电使其开启 即在不增压的情况下 空气经进气旁通阀5及旁通管路进入气缸 在进入气缸之前 空气先经中冷器7降温 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17 电控单元则发出相应的指令减小点火提前角 以消除爆燃 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第11页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第12页 二 机械增压器 在机械增压器中 罗茨式压气机最广为人知 其结构如图7 6所示 它由转子3 转子轴4 传动齿轮7 壳体9 后盖5和齿轮室罩8等构成 在压气机前端装有电磁离合器2及电磁离合器带轮1 在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1和电磁离合器2驱动其中的一个转子 而另一个转子则由传动齿轮7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10上 滚子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 罗茨式压气机的转子有两叶的 也有三叶的 通常两叶转子为直线型 图7 7a 而三叶转子为螺旋型 图7 7b 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有较好的气密性 转子一般用铝合金制造 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第13页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第14页 罗茨式压气机的转子 罗茨式压气机的工作原理如图所示 当转子旋转时 空气从压气机人口收入 在转子叶片的推动下空气被加速 然后从压气机出口压出 出口与人口的压力比可达1 8 罗茨式压气机结构简单 工作可靠 寿命长 供气量与转速成正比 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第15页 罗茨式压气机的工作原理 罗茨式压气机的工作原理如图7 8所示 当转子旋转时 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 出口与入口的压力比可达1 8 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第16页 三 电磁离合器 机械式增压器一般由发动机曲轴来驱动 为了改善发动机的低速性能 通过发动机曲轴驱动增压器时 在二者之间设置增速器 变速器 参看图7 4 以根据不同的发动机转速调整最适合的增压器工作转速 保证发动机的低速特性 图7 9表示安装在传动带轮1中的一种电磁离合器结构 电控单元根据发动机工况的需要 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3通电 主动板2吸引从动摩擦片6 使离合器处于接合状态 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 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第17页 第三节涡轮增压 废气涡轮增压是通过发动机排出的废气能量推动涡轮增压器实现增压 根据涡轮回收废气能T的方式不同 废气涡轮增压系统可分为串联前复合增压 串联后复合增压以及并联复合增压等几种方式 图7 10 串联前复合增压是在废气涡轮增压器前串联一个涡轮机 发动机排出的废气先流人前置涡轮机 回收部分能量后再排人涡轮增压器的涡轮机 由此带动压气机进行增压的系统 这种增压系统的特点是 可充分利用废气的能量 因此可提高整机的热效率 同时在增压器前利用涡轮机事先回收废气的部分能量 所以可避免增压器的转速过高的现象 串联后复合增压是在增压器后再串联一个废气涡轮 其主要目的就是进一步回收利用经增压器后排出的废气能量 以便提高整机的热效率 并联复合增压是将发动机排出的废气分两路同时排入一个废气涡轮和废气涡轮增压器的涡轮的系统 对排量较大的发动机 通过这种复合系统提高废气能量的再回收利用 在提高整机热效率的同时减轻了废气涡轮增压器的工作负担 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第18页 第三节涡轮增压 这种复合增压系统的共同点是在输出轴上都设置了一个能量回收的涡轮 只是涡轮设置的位置不同 但一般涡轮的转速为50000 180000r mmn 而发动机的转速为1800 4000r min 因此均需要减速器和离合器 减速器的减速比约为l 30 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第19页 一 涡轮增压系统 废气涡轮增压器根据增压器的数量又可分为单级增压和双级复合增压 普通车型常用单级增压系统 即采用一个废气涡轮增压器 而双级增压系统采用两个废气涡轮增压器 主要用于大排量车用柴油机 根据两个增压器的连接方式不同 双级增压方式又可分为直列双级复合增压和并列双级复合增压两种系统 图7 11 直列双级复合增压系统一般由一个小型增压器4和一个大型增压器5直列布置构成 并根据发动机转速分别使用 低速时关闭进气切换阀3和排气切换阀6 使小型增压器4工作 以提高低速进气量 改善低速转矩特性 中 高速时如图7 11 所示 打开排气切换阀6和进气切换阀3 便排气流向大型增压器5 以便增压发动机在高效率区进行匹配 提高发动机的经济性 此时 小型增压器4涡轮的进 出口压力相等 所以自动停止工作 6缸机常采用并列式双级复合增压系统 1 2 3缸和4 5 6缸分别采用相同的增压器 并列双级增压器时流过废气涡轮的排气流量减少一半 所以采用小型增压器 由此达到兼顾低速转矩特性和中 高速在高效率区的良好匹配 提高整机性能的目的 多缸发动机采用并列式双级复合增压系统的另一个目的 就是为了避免产生各缸排气干涉现象 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第20页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第21页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第22页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第23页 二 涡轮增压器的结构及工作原理 车用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 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第24页 离心式压气机由进气道6 压气机叶轮3 无叶式扩压管2及压气机机壳1等组成 图7 12 叶轮包括叶片和轮毂 并由增压器轴5带动旋转 当压气机旋转时 空气经进气管进入压气机叶轮 并在离心力的作用下沿着压气机叶片1之间形成的流道 图7 13 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 扩压管分叶片式和无叶片式两种 无叶片式扩压管实际上是由涡壳和中间体侧壁所形成的环形空间 无叶片式扩压管构造简单 工况变化对压气机效率的影响很小 适于车用增压器 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 离心式压气机 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第25页 涡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 空气在涡壳中继续减速增压 完成汽油动能向压力转变的过程 压气机叶轮由铝合金精密铸造 涡壳也用铝合金铸造 涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置 径流式涡轮机由蜗壳 喷管 叶轮和出气道等组成 图7 14 蜗壳4的进口与发动机排气管相连 发动机的排气经蜗壳引导进入叶片式喷管3 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1 并在叶片2所形成的流道中继续膨胀作功 推动叶轮旋转 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第26页 径流式涡轮机 涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械装置 径流式涡轮机由涡壳 喷管 叶轮和出气道等组成 图7 13 涡壳4的进口与发动机排气管相连 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 由喷管流出的高速气流冲击叶轮1 并在叶片2所形成的流道中继续膨胀做功 推动叶轮旋转 与压气机的扩压管类似 涡轮机的喷管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片使喷管 参看图7 11 涡轮机的涡壳除具有引导发动机排气以一定的角度进入涡轮机叶轮的功能之外 还有将排气的压力能和热能部分地转变动能的作用 涡轮机叶片经常在900摄氏度高温的排气冲击下工作 并承受巨大的离心力的作用 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重量大约减少三分之二 涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善 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 内表面应该光洁 以减少气体流动损失 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第27页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第28页 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 构成涡轮增压器转子 转子以超过100000r min 最高可达200000r min的高转速旋转 因此 转子的平衡是非常重要的 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 增压器轴承增压器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 图7 14 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 一般内层间隙为0 05mm 外层间隙大约为0 1mm 轴承壁厚约3 4 5mm 用锡铅青铜合金制造 轴承表面度一层厚度约为0 005 0 008的铅锡合金或金属铟 在增压器工作时 轴承在轴与轴承座中间转动 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1承受 为了减少摩擦 在整体式推力轴承两端的止推面6上各加工有四个布油槽7 在轴承上还加工有进油孔5 以保证止推面的润滑和冷却 图7 14 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第29页 三 增压压力的调节 在涡轮增压系统中都设有进气旁通阀和排气旁通阀 用以控制增压压力 参看图7 9和7 10 排气旁通阀及其控制装置在增压器上的安装位置如图7 16所示 控制膜盒1中的膜片将膜盒分为左室和右室 右室经连通管11与压气机出口相通 左室设有膜片弹簧作用在膜片上 膜片还通过连动杆2与排气旁通阀3连接 当压气机出口压力 也就是增压压力低于限定值时 膜片在膜片弹簧的作用下移向右室 并带动连动杆使排气旁通阀保持关闭状态 当增压压力超过限定值时 增压压力克服膜片弹簧力 推动膜片移向左室 并带动连动杆将排气旁通阀打开 使部分排气不经过涡轮机而直接排放到大气中 从而达到控制增压压力机涡轮机转速的目的 进气旁通阀的工作原理与排气旁通阀相似 在有些发动机上 排气旁通阀的开闭由电控单元操纵的电磁线圈控制 电控单元根据压气机出口增压压力的降低 对电磁线圈通电或断电 以开闭排气旁通阀 有的电控单元还能按照预编程序 在发动机突然加速时 允许增压压力短时间超出限定值 以提高发动机的加速性 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第30页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第31页 四 涡轮增压器的润滑及冷却 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口1进入增压器 润滑和冷却增压器轴和轴承 然后 机油经中间体上的机油出口2返回发动机油底壳 图7 17 在增压器轴上装有油封 用来防止机油窜入压气机或涡轮机涡壳内 如果油封损坏 降导致机油消耗量增加和排气冒烟 由于汽油机增压器的热负荷大 因此在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套 并用软管与发动机的冷却系连通 冷却液自中间体上的冷却液进口3流入中间体内的冷却水套4 从冷却液出口5流回发动机冷却系 冷却液在中间体的冷却水套中不断循环 使增压器轴和轴承得到冷却 有些涡轮增压器在中间体内不设置冷却水套 只靠机油及空气对其进行冷却 当发动机在大负荷或高转速工作之后 如果立即停机 那么机油可能由于轴承温度太高而在轴承内燃烧 因此 这类涡轮增压发动机应该在停机之前 至少在怠速下运转1分钟 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第32页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第33页 第四节气波增压 一 气波增压器构造 气波增压器中有一个转子 沿其轴向开有许多梯形截面的气体流道 参看图7 3 转子悬臂地支承在两个轴承4上 图7 17 与增压器壳6以及前后端盖都不接触 一个端盖接低压空气和高压空气管 称空气端盖1 另一个端盖接高压排气管和低压排气管 称排气端盖8 支承转子5的两个轴承4布置在空气端盖1中 以保证得到良好的冷却 空气端盖用铝合金铸造 排气端盖用铸铁铸造 增压器壳和转子则用低膨胀钢制造 在增压器外面包敷绝热材料 以减少热量的散失 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第34页 2020 3 20 哈尔滨工业大学 威海 第35页 二 气波增压器工作原理 气波增压器的工作原理基于一种气体动力现象 当压缩波在管道内传播时 在管道的开口端反射为膨胀波 而在管道的封闭端则反射为压缩波 反之亦然 即当膨胀波在管道内传播时 在管道的开口端反射为压缩波 而在封闭端则反射为膨胀波 在气波增压器中 空气增压所需要的能量来自柴油机的排气 空气的压缩过程和排气的膨胀过程均在转子中的气体流道内进行 其