汽车发动机技术教案

自然吸气相对涡轮增压的优点：1.相比之下温度稍低，从而产生的积碳问题轻一些。

2.发动机寿命相对长些。

3.动力输出相对较为线性。

4技术可靠性高、耐久性好以同等动力输出而不是同等排量来比较，涡轮发动机因为排量更小，所以在涡轮不全力工作的状态下，它比同等动力水平的自然吸气发动机更加省油。

例如：一台1.8T发动机动力水平相等于另一台2.4L自然吸气发动机，彼此都全力工作时，大家的油耗可能差不多；但当这两台发动机在90km/h等速巡航这种低负荷工作时，1.8T发动机的涡轮由于未充分介入工作，这时气缸内部实际工作排量只有1.8L，而另一台自然吸气发动机工作排量始终为2.4L，这时候1.8T带涡轮的比2.4L自然吸气的更省油。

增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，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，从而可以增加发动机功率。

同时，增压还可以改善燃油经济性。

实践证明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还由于发动机功率增加，可以得到驾驶人所期望的良好的加速性。

第一节概述增压有涡轮增压、机械增压和气波增压等三种基本类型。

实现空气增压的装置称为增压器。

各种增压类型所用的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。

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。

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，由于驱动增压器需消耗发动机功率，因此燃油消耗率比非增压发动机略高。

第一节概述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。

涡轮增压也称排气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有机械的联系。

涡轮增压的优点是经济性比机械增压和非增压发动机都好，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，特别是低速加速性较差。

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。

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。

第二节机械增压一、机械增压系统电控汽油喷射式发动机上所采用的一种机械增压系统示意图。

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、机械增压器在机械增压器当中，罗茨式压气机最广为人知。

它由转子、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。

在罗茨式压气机中有两个转子。

发动机曲轴带轮经传动带、电磁离合器带轮和电磁离合器驱动其中的一个转子，而另一个转子则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，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。

第二节机械增压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，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的气密性。

转子用铝合金制造。

第二节机械增压罗茨式压气机的工作原理。

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。

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。

三、电磁离合器电磁离合器安装在传动带轮中。

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，电磁线圈通电，主动板吸引从动摩擦片，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。

一、涡轮增压系统1. 单涡轮增压涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。

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。

2. 双涡轮增压六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统。

其中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。

此系统除包括涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀及排气旁通阀控制装置之外，还有中冷器、谐振室和增压压力传感器等。

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.离心式压气机离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式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。

当压气机旋转时，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，然后进入叶片式扩压管。

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。

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。

无叶式扩压管构造简单，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。

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。

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。

径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成。

蜗壳4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。

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。

喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。

蜗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。

第三节涡轮增压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，构成涡轮增压器转子。

转子以超过100000r/min，最高可达200000r/min 的转速旋转，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。

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。

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、增压压力的调节在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上、下两个室，上室为空气室经连通管与压气机出口相通，下室为膜片弹簧室，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上移，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，推动膜片下移，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。

在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵。

电控单元根据发动机的工况，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，然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力虽然排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛的应用，但是排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。

在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。

在这种涡轮增压器中，通过改变喷管出口截面积来调节增压压力。

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。

在有叶径流式涡轮机中，可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积。

喷管叶片与齿轮相连，齿轮与齿圈啮合，当执行机构往复移动时，齿圈或向左或向右转动，带动与其啮合的齿轮转动，并使喷管叶片随其转动，从而使喷管出口截面积发生改变。