汽车构造教案 发动机废气涡轮增压

（A）理论教学内容和过程废气涡轮增压利用某一种装置对进入气缸的新鲜空气进行预先压缩的过程称为增压。

进气增压系统的功用是增加进入内燃机气缸的充量密度和充气量，在燃料供给系统良好的配合下，可以使更多的燃料得到充分燃烧，从而达到提高内燃机的平均有效压力，增大功率和改善经济性的目的。

根据所用能量的来源不同，内燃机的增压系统一般可分为三类：机械增压系统，废气涡轮增压系统和复合增压系统。

机械增压系统由柴油机通过齿轮、皮带、链条等装置驱动，将空气压缩后进入气缸。

增压机采用离心式或罗茨式压气机。

机械增压由于要在内燃机上装一套传动机构，不但使发动机结构复杂，体积增大；而且还要消耗一定的功率，使内燃机经济性下降。

增压的压力提高时，消耗于驱动增压器的功率将大于内燃机由于增压所提高的功率，得不偿失，失去了增压的意义，逐渐被淘汰。

而废气涡轮增压就是利用内燃机排气驱动的涡轮机来驱动压气机，实现提高进气压力，增加进气量。

采用增压技术对高原地区使用的发动机而言非常必要。

在高原地区大气压低，空气稀薄，导致发动机功率下降，一般认为海拔每升高1000米，功率下降8％～10％，燃油消耗率增加3.8％~5.5％。

而装用涡轮增压器后，可以使发动机的功率得以恢复，油耗得到降低。

一、废气涡轮增压器的工作原理废气涡轮增压器主要由涡轮机和压气机两大部分组成，涡轮机将柴油机排气管排出的高速废气的动能和压力能转变为机械能。

压气机则利用涡轮机输出的机械能，把空气的压力提高，然后送至气缸内。

图3-11 废气涡轮增压器的工作原理１-排气管 2-涡轮 3-喷嘴环 4-涡轮壳 5转子轴 6-浮子轴承 7-压气机叶轮 8-扩压器 9-压气机壳 10-进气管废气涡轮增压器的工作原理如图3―11所示。

废气涡轮增压器布置在排气歧管和排气管之间。

排气管接到增压器的涡壳内，柴油机排出的具有一定压力的高温废气进入涡轮壳内的喷嘴环。

由于喷嘴环的截面积是逐渐收缩的，废气的压力和温度随之下降，速度不断得到提高，废气的动能也得到增加。

高速的废气流按照一定的方向冲击涡轮2，使涡轮高速旋转。

废气的压力、温度和速度越高，涡轮的转速也越快，通过涡轮的废气最后排入到大气中。

由于废气涡轮和离心式压气机叶轮安装在同一根转子轴上，两者同步旋转。

经过空气滤清器并吸入压气机壳体内的空气，被高速旋转的压气机抛向叶轮的边缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器8。

扩压器的进口小出口大，气流的流速下降，压力升高，再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气流的压力继续升高，被压缩的空气经进气管进入气缸，由此使发动机的充气量得到提高，可以使柴油机得到充分燃烧，保证发动机发出更大的功率。

二、径流式废气涡轮增压器的结构废气涡轮增压器根据废气在涡轮中的流动方向，可分为径流和轴流两类，车用内燃机大多数采用径流式涡轮增压器。

径流式比轴流式的效率高，加速性能好、结构简单紧凑。

进入涡流的废气流多采用脉冲式，以便废气的能量得到充分利用。

对于工作顺序为1-5-3-6-4-2的六缸发动机，一般1、2、3缸共用一根排气管，沿着涡轮壳上的一条进气道通向半圈喷嘴环；4、5、6缸共用另一根排气管，沿着涡轮壳上另一根进气道通向另半圈喷嘴环。

这样，每根排气管里的排气间隔相距240o CA, 大于一个工作行程对应的曲轴转角，使排气互不干扰，由此可以充分利用废气的脉冲能量驱动涡轮。

压力脉冲高峰过后出现的短暂真空有利于气缸。

中间冷却器的作用是降低进入气缸气体的温度以提高密度，增加充其量。

图3-12 废气涡轮增压器1-涡轮壳 2、9-密封环 3-涡轮 4-隔热板 5-浮动轴承 6-卡环 7-中间壳 8-压气机后盖板10-压气机叶轮 11-转子轴 12-压气机壳 13-密封套 14-膜片弹簧 15-O型密封圈 16-推力轴承图3-12为径流脉冲废气涡轮增压器的结构。

它由涡轮壳1、中间壳7、压气机壳12、转子组件和浮动轴承5等主要零件组成。

压气机的进口通过软管与空气滤清器相连，径流涡轮增压器多数采用轴进气型进气道，其进气阻力较小。

进气道一般用铝合金铸造，为减少其表面粗糙度，减少进气阻力，进气道表面必须经过精密机加工。

压气机的扩压器为无叶式，由压气机壳12和压气机后盖板8之间的间隙构成。

压气机的出口通往气缸。

压气机叶轮10由叶片、轮毂、轮盘和轮盖组成。

它旋转时使空气在离心力的作用下受到压缩并甩向工作轮边缘，使空气的动能得到提高，其压力、流速和温度都有所增加。

压气机 叶轮用铝合金铸造，用螺钉固定在转子轴上。

废气涡轮3的叶片和轮盘用精密方法铸成一体，叶片的形状一般采用抛物线形或一般二次曲线形。

涡轮在高温、高速及腐蚀性燃气的冲击下工作。

因此。

要求其材料强度高、耐高温、耐腐蚀，常用耐热合金钢铸造。

一般将涡轮与转子轴焊为一体。

废气涡轮、压气机叶轮和转子轴组成转子组件。

支撑在两个浮动轴承5上并作高速旋转。

转子组件需进行精密动平衡试验，其不平衡度不大于0.0015N.mm 。

浮动轴承采用的滑动轴承型式。

浮动轴承与转子轴颈和中间壳轴承座之间均留有一定间隙。

转动时转子轴和浮动轴承全部浮在润滑油中，彼此之间不产生机械摩擦。

浮动轴承因为润滑油的粘性摩擦力的作用在内外两层油膜中随转子轴同向旋转，但其转速一般只为转子轴的1/4~1/3。

由此，使得轴承与轴颈的相对圆周速度降低，使摩擦力下降。

增压器转子轴和轴承之间的润滑采用压力润滑，润滑油来自发动机的主油道，通过细滤器滤清后，进入增压器的中间壳，经其下部柴油口流回曲轴箱。

为了防止润滑油窜入涡轮和压气机叶轮，在 转子轴两端安装了密封环和密封套。

在涡轮壳1和中间壳7之间，装有隔热板，以减轻高温废气对润滑油的不良影响。

三、废气涡轮增压器的主要参数和工作特性（一）压气机的主要参数有空气的增压比、空气流量、压气机转速、压气机的绝热效率、和压气机功率。

1．空气的增压比k π： k π＝0p p k式中，k p 为压气机出口的压力，0p 为压气机进口处的压力。

涡轮增压器按增压比的大小分为低增压、中增压、高增压，低增压k π<1.4,中 增压k π＝1.4~2.0, 高增压k π>2.0。

2．空气的流量 k G ：空气每秒钟进入压气机的流量，用质量表示为k G （kg/s ）。

3．压气机的转速 k n ：压气机叶轮和废气涡轮装在同一根轴上，压气机的转速就是涡轮机的转速（r/min ）。

压气机的转速每分可达几万转到几十万转。

4．压气机的绝热效率k η： k k ad k H H .=η 式中，k ad H ⋅ 为1kg 空气的绝热压缩功，k H 为1kg 空气的实际压缩功。

绝热效率是用以表示压气机流通完善程度的指标，其物理意义是指消耗在转动压气机的机械功有多少转变为有用的压缩功。

5．压气机功率 k N ： 10001000k k k k ad k k H G H G N ==⋅η （kW ）在已知实际压缩功和空气的质量流量的情况下，就可以计算出驱动压气机所需要的功率。

（二）压气机的特性曲线压气机的特性曲线是指在转速不变时，压气机的增压比k π及绝热效率k η与空气 流量k G 的关系。

它由实验获得。

由曲线（（图15-24）P296，陆耀祖。

） 可以看出：图 压气机的流量特性1．当压气机的转速不变时，随着与空气流量k G 的增加，增压比k π先是增加，但等空气 流量k G 增加到某一值时，增压比k π达到最大值。

接着流量k G 进一步增加时，增压比k π反而逐渐降低。

绝热效率k η也呈现出同样的变化趋势。

2．在压气机的特性曲线上有一条边界线，称为喘振曲线。

当压气机工作在喘振线的右侧时，其工作基本稳定；但当其工作在喘振线的左侧时，则其工作不稳定。

对应于每一条等转速下增压特性曲线上，当流量减少到某一流量时，压气机便会出现不稳定的工作状况，即喘振。

出现喘振时的工作点称为喘振点。

其对应的流量称为喘振流量。

各转速下的喘振点的连线就是喘振线。

当压气机空气的流量减少到喘振流量时，压气机工作变得不稳定，开始发生喘振，压气机中的工作气流产生强烈的振荡，引起叶片的剧烈振动并发出很大的噪音，压气机的出口压力显剧下降，严重时还可能导致压气机元件的损坏。

因此必须保证压气机在喘振线的右侧的范围内工作，避免出现喘振。

四、压缩空气的冷却中间冷却是提高废气涡轮增压柴油机功率的一种有效措施。

在不增加热负荷的排的情况下，可以提高功率15~20%。

采用中间冷却也可以降低有害气体NOx放。

图空气冷却式中间冷却器示意图1.中间冷却器2.进气管3.排气管4. 涡轮增压器5. 抽气管道6.空气—涡轮风扇a.吸入空气b.冷却空气如图5-62所示。

（陈家瑞，P207）将压气机输出的部分高压空气从抽气管道4引出，以推动与风扇制成一体且位于风扇外周上的空气涡轮。

风扇将周围的空气吹向中间冷却器的芯子，以冷却进入空气管的压缩空气。

驱动空气涡轮的能量与压气机出口压力和空气的温度有关系，即与柴油机的负荷有关。

在低负荷时，中间冷却器不起作用。

在低负荷时，增压器的压力升高很小，没有足够能量供给空气涡轮，因而风扇不动。

只有当柴油机负荷较大时，中间冷却器才起作用。

负荷越大，中间冷却作用越强。

复习思考题1．配气机构的功用是什么？何谓顶置式气门配气机构？顶置式气门配气机构和侧置式气门配气机构分别由哪些零件组成？2．正时齿轮有什么作用？正时齿轮上的装配记号有什么作用?3．何谓气门间隙？为什么一般在发动机的配气机构中要留气门间隙？气门间隙过大或过小有什么危害？4．如何从一根凸轮轴上找出各缸的进、排气凸轮和该发动机的工作顺序?5．气门弹簧起什么作用？为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？对于顶置式气门如何防止气门弹簧断裂时气门落入气缸中？6．何谓内燃机的配气相?其进排气门提前开启和延迟关闭有什么意义？7．汽油机的进气管为什么要用废气预热？柴油机的进排气管为什么一般分置于机体的两侧？8．内燃机上为什么要装空气滤清器？空气滤清器有哪几种结构型式？9．换气损失是怎样造成的？哪些方面会使换气损失加大？10．什么是充量系数？影响充量系数主要有哪些因素？11．内燃机为什么要采取增压技术？有什么优点？12．废气涡轮增压有什么特点？。