第七章 车用发动机的增压系统

第七章车用发动机的增压系统第一节概述第二节机械增压第三节涡轮增压第四节气波增压第一节概述增压定义：将空气预先压缩然后再供入气缸，以提高空气密度、增加进气量的一项技术。增压作用：进气量增加，可相应地增加循环供油量，增加发动机功率。同时，增压还可以改善燃油经济性。基本类型：根据提高进气密度的方式不同，或驱动气压机的方式不同，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。增压器：实现进气增压的装置称为增压器。对应三种基本类型的增压器称机械增压器、涡轮增压器、气波增压器。机械增压器：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。涡轮增压器：由涡轮机和压气机构成。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。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。在转子3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。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。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。汽油机增压比柴油机增压困难的主要原因是：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空气系数小，燃烧温度高，因此增压之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响应滞后现象比较困难。为克服汽油机增压的困难在汽油机增压系统中采取的措施：1)在电控汽油喷射式发动机上实行汽油机增压，成功地摆脱了化油器式发动机与涡轮增压器匹配的困难。2)应用点火提前角自适应控制，来克服因增压而增加的爆燃倾向。3)对增压后的空气进行中间冷却。增压后空气温度升高，密度减小，如温度过高，会减少进气量，削弱增压效果，可能引起发动机爆燃。4)采用增压压力调节装置。第二节机械增压一、机械增压系统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。1-初级变速带轮2-次级变速带轮3-电磁离合器4-增速行星齿轮系5-压气机6-进气口7-排气口8-外壳9-旋转活寨1O-转子11-滑片12-驱动轴13-出口边缘14-二级工作室空气进口15-抽气导向器16-第一级工作室空气进口17-抽气元件18-外转子19-内转子20-工作腔Ⅲ21-工作腔Ⅱ22-工作腔Ⅰ图中，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。当发动机在小负荷下工作时，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，使进气旁通阀5通电而开启，即在不增压的前提下，空气经旁通阀5以及旁通管路进入气缸。进入气缸的空气先经中冷器7降温。发动机机体上的爆燃传感器9将发动机发生爆燃的信号传给电控单元，点控单元则发出相应的指令减小点火提前角，已消除爆燃。二、机械增压器罗茨式压气机最广为人知，其结构如图7—5所示。1、构造：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等组成。2、驱动：在压气机前端装有电磁离合器2及电磁离合器带轮1。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驱动其中一个转子，而另一个转子由传动齿轮7带动3、分类：罗茨式压气机有两叶（直线型）和三叶（螺旋型）之分。三叶转子有较低的工作噪声及较好的增压器特性。4、工作原理：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。出口与进口的压力比可达1.8，供气量与转速成正比。罗茨式压气机图7-6a二叶直线型转子图7-6b三叶螺旋型转子三、电磁离合器电磁离合器安装在传动带轮1中，结构如图示。传动带轮1与主动板2固连接在一起，从动摩擦片6花键套5固连接在一起。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。第三节涡轮增压废气涡轮增压是通过发动机排出的废气能最推动涡轮增压器实现增压。根据涡轮回收废气能址的方式不同，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7一10）。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入前置涡轮机，回收部分能最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系统。对排量较大的发动机，通过这种复合系统提高废气能缺的再回收利用，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。一、涡轮增压器的结构及工作原理组成:离心式压气机径流式涡轮机中间体14增压器轴5通过两个浮动轴承9支承在中间体14内左端压气机右端涡轮机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1、离心式压气机扩压管分叶片式和无叶式两种。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，其构造简单，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。2、径流式涡轮机将发动机排气的能量转变为机械功。排气经蜗壳引导进入叶片式喷管3。喷管是相邻的渐缩形流道，排气流过喷管时压力能转变为动能。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。涡轮机的蜗壳引导发动机排气以一定的角度进入涡轮机叶轮，并将排气的压力能和热能部分地转变为动能。3、转子安装在增压器轴上的涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等组成。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、强度高的合金钢制造。4、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左右，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，轴承表面镀一层厚度约为0.005~0.008mm的铅锡合金或金属。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）。二、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。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。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。三、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。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r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1min。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。转子5悬臂地支承在两个轴承4上，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管和高压空气管，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，以保证轴承得到良好的冷却。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。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，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＿r作过程及原理可用图7-18所示的转子周向展开图来说明。气波增压器的工作原理。当转子按箭头方向转动时，转子上由叶片组成的轴向气道与高压燃气入口接通，遂产生压缩波。压缩波以声速沿气道传播,并将燃气能量传递给充满气道内的空气,使其压力和密度升高并向前流动。高压空气出口设在高压燃气入口的斜对面,并顺转动方向向前错开一个角度。当气道与高压空气出口接通时，高压空气供入内燃机进气管。在燃气到达气道长度的2/3左右时，气道恰好转过高压燃气入口，燃气停止流入气道。在燃气到达气道长度的2/3左右时，气道恰好转过高压燃气入口，燃气停止流入气道。当气道与低压燃气出口接通时,燃气继续膨胀并经排气总管排入大气,气道内的压力继续下降。当气道与低压空气入口接通时，由于气道内处于负压，新鲜空气自大气被吸入气道。气道转过低压空气入口和低压燃气出口后，气道内遂充满新鲜充量。转子继续转动又开始下一个相同的循环。首先从图的底部开始。在A点，转子的流道中充满来自大气的低压空气，图中的竖直线表示气体处于静止状态。柴油机的排气先流人排气箱1中，然后从排气箱以定压流人高压排气管2。当转子旋转到充满低压空气的气体流道3与高压排气管相通时，排气的压缩波立即以当地声速传人流道，并压缩其中的空气，使其向高压空气管6加速流动，排气则随压缩波之后流人流道。由于转子沿着方向U不停地转动，因此每个流道中压缩波波峰的连线相对转子的转动方向是一条斜线。在流道中被压缩的空气经高压空气管6流人空气箱7，然后进人柴油机气缸。当流道的左端转过高压排气管时，排气不再流入转子，但流道中原有的压缩波继续在传播。当压缩波这时排气约充满流道长度的2/3，前面是排气与空气的棍合区，再前面是残留的高压空气。原压缩波的反射波仍为压缩波，在压缩波传播和反射过程中有所衰减，致使封闭流道内的静压力略低于高压排气管内的静压力，但其总压力仍略高于高压空气管内的．急压力。在转子继续转动过程中，流道中的排气在区域B内处于静止状态。当转子流道的左端与低压排气管4相通时，压缩波反射为膨胀波传入流道，并向流道的右端推进，致使流道内