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1、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
2、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。,
3、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
4、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，
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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34.5mm，用锡铅青铜合金制造，表面镀一层厚度约为0.0050.008mm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。,增压器工作时的轴向推力，由设置在压气机一侧的推力轴承承受。为了减少摩擦，在整体式推力轴承两端的止推面上各加工有四个布油槽；在轴承上还加工有进油孔，以保证止推面的润滑和冷却。,三、增压压力的调节 1、汽车涡轮增压系统中设置进、排气旁通阀，是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法。,排气旁通阀的工作原理：控制膜盒中的膜片将膜盒分为两室；一个室为空气室，经连通管与压气机出口相通，另一
15、个室为膜片弹簧室，膜片弹簧作用在膜片上，膜片通过连动杆与排气旁通阀连接。,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左移，并带动连动杆将排气旁通阀关闭；当增压压力超过限定值时，增压压力克服膜片弹簧力，推动膜片右移，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直接排放到大气中，从而达到控制增压压力及涡轮机转速的目的。,进气旁通阀发动机在低速小负荷、涡轮增压器不工作时工作（打开），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。,排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛应用，但是排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致
16、使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。,2、排气旁通阀开闭由电控单元控制的电磁阀操纵 电控单元根据发动机工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比。,改变电磁阀开启时间，进而改变排气旁通阀开度，控制排气旁通量，精确调节增压压力,3、大排量重型车用涡轮增压发动机上多采用涡轮机喷管出口截面可变的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。当发动机低速运行时，缩小喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速增大，涡轮机转速随之升高，增压压力和供气量都相应增加；当发动机高速工作时，增大喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速减小，涡轮机的转速相对降低，这样增压器将不会超速，增压压力也不致于过高。,a.有叶片径流式涡轮机,转动喷管叶片,b.无叶片径流式涡轮机1)在喷管出口处安装轴向移动的挡板,2)在涡轮机进口处安装一个可摆动27角的舌片,四、涡轮增压器的润滑与冷却,
