第七章车用发动机的增压系统

1、第七章第七章 车用发动机的增压系统车用发动机的增压系统 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 机械增压机械增压 第三节第三节 涡轮增压涡轮增压 第四节第四节 气波增压气波增压 第一节第一节 概述概述 气波增压器：气波增压器： 气波增压器中有一个特气波增压器中有一个特 殊形状的转子殊形状的转子3，由发动机，由发动机 曲轴带轮经传动带曲轴带轮经传动带4驱动。驱动。 在转子在转子3中发动机排出的废中发动机排出的废 气直接与空气接触，利用气直接与空气接触，利用 排气压力波使空气受到压排气压力波使空气受到压 缩，以提高进气压力。缩，以提高进气压力。 气波增压器结构简单，气波增压器结构简单， 加工方便，工

2、作温度不高，加工方便，工作温度不高， 不需要耐热材料，也无需不需要耐热材料，也无需 冷却。其低速转矩特性好，冷却。其低速转矩特性好， 但是体积大，噪声水平高，但是体积大，噪声水平高， 安装位置受到一定的限制。安装位置受到一定的限制。 目前，这种增压器还只能目前，这种增压器还只能 在低速范围内使用。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汽油机增压比柴油机增压困难的主要原因是： 为克服汽油机增压的困难在汽油机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：增压系统中采取的措施： 1-初级变速带轮初级变速带轮2-次级变速带轮次级变速带轮3-电磁离合器电磁离合器4-增速行星齿

3、轮系增速行星齿轮系5-压气机压气机6-进气口进气口7-排气口排气口8- 外壳外壳9-旋转活寨旋转活寨1O-转子转子11-滑片滑片12-驱动轴驱动轴13-出口边缘出口边缘14-二级工作室空气进口二级工作室空气进口15-抽气导向抽气导向 器器16-第一级工作室空气进口第一级工作室空气进口17-抽气元件抽气元件18-外转子外转子19-内转子内转子20-工作腔工作腔21-工作腔工作腔22-工工 作腔作腔 图中，机械增压器图中，机械增压器6为罗茨式压气机，由曲轴带为罗茨式压气机，由曲轴带 轮轮12经传动带和电磁离合器带轮经传动带和电磁离合器带轮11驱动。驱动。 当发动机在小负荷下工作时，电控单元当发动机

4、在小负荷下工作时，电控单元ECU 根据节气门位置传感器根据节气门位置传感器3的信号使电磁离合器断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，空气经旁通电而开启，即在不增压的前提下，空气经旁 通阀通阀5以及旁通管路进入气缸。进入气缸的空气以及旁通管路进入气缸。进入气缸的空气 先经中冷器先经中冷器7降温。发动机机体上的爆燃传感器降温。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，已消除爆元则发出相应的

5、指令减小点火提前角，已消除爆 燃。燃。 二、二、 机机 械械 增增 压压 器器 罗茨式压罗茨式压 气机最广气机最广 为人知，为人知， 其结构如其结构如 图图75所所 示示。 1、构造、构造：它由转子：它由转子3、转子轴、转子轴4、传动齿轮、传动齿轮7、壳、壳 体体9、后盖、后盖5和齿轮室罩和齿轮室罩8等组成。等组成。 2、驱动、驱动：在压气机前端装有电磁离合器：在压气机前端装有电磁离合器2及电磁及电磁 离合器带轮离合器带轮1。有两个转子。发动机曲轴带轮经。有两个转子。发动机曲轴带轮经 传动带、电磁离合器带轮传动带、电磁离合器带轮1和电磁离合器和电磁离合器2驱动其驱动其 中一个转子，而另一个转子

6、由传动齿轮中一个转子，而另一个转子由传动齿轮7带动带动 3、分类、分类：罗茨式压气机有两叶（直线型）和三：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。及较好的增压器特性。 4、工作原理：、工作原理：当转子旋转时，空气从压气机入当转子旋转时，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。，供气量与转速成正比。 罗茨式压气机罗茨式压气机 图

7、7-6a二叶直线型转子 图7-6b三叶螺旋型转子 电磁离合器安装在传动带轮电磁离合器安装在传动带轮1中，结构如图示。中，结构如图示。 传动带轮传动带轮1与主动板与主动板2固连接在一起，从动摩擦片固连接在一起，从动摩擦片6花键花键 套套5固连接在一起。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。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，电磁线圈当接通电源时，电磁线圈3通电，主动板通电，主动板2吸引从动吸引从动 摩擦片摩擦片6，使离合器处于结合状态，增压器工作。，使离合器处于结合

8、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。片分开，增压器停止转动。 第三节第三节 涡轮增压涡轮增压 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

9、 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。并联复合增并联复合增压压是将发动机 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

10、 中间体14内 左端压气机 右端涡轮机 车用涡轮增压器由车用涡轮增压器由离心式压气机离心式压气机和和径流式涡轮机径流式涡轮机及及 中间体中间体三部分组成三部分组成 1、离心式压气机、离心式压气机 扩压管分扩压管分叶片式叶片式和和无叶式两种无叶式两种。无叶式扩压管实际。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

11、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。对压气机效率有较大的影响。 2、径流式涡轮机、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 导进入叶片式喷管导进入叶片式喷管3。喷管是相邻的渐缩形流道，排气。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 冲击叶轮冲击叶轮1，并在叶片，并在叶片2所形成的流道中继续膨胀作功，所形成的流道中继续膨胀作功， 推动叶轮旋转。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的蜗壳引导发

12、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涡轮机叶轮，并将排气的压力能和热能部分地转变为 动能。动能。 3、转子转子 安装在增压器轴上的涡轮机叶轮、压气机叶轮和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。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。般用韧性好、强度高的合金钢制造。 4、 增增 压压 器器 轴轴 承承 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

13、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0.0050.008mm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在涡轮增压系统中都设有进气旁通阀和排

14、气 旁通阀，用以控制增压压力。旁通阀，用以控制增压压力。 涡轮增压系统中的排气旁通阀涡轮增压系统中的排气旁通阀3受控制膜盒受控制膜盒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 室通过连通管室通过连通管11与压气机出口相通，左室通大气，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，经过连动杆大于弹簧预紧力时，经过连动杆2迫使排气旁通迫使排气旁通 阀打开，控制增压压力不超过限定值。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现代发动机

15、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。闭排气旁通阀。 三、三、 涡涡 轮轮 增增 压压 器器 的的 润润 滑滑 及及 冷冷 却却 来自发动机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上来自发动机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上 的机油进口的机油进口1进入增压器，润滑与冷却增压器轴与轴承，进入增压器，润滑与冷却增压器轴与轴承， 然后，机油经机油出口然后，机油经机油出口2返回发动机油底壳。在增压器返回发动机油底壳。在增压器 轴上安装油封，若损坏，将导致机油消耗剧增，发动机轴上安装油封，若损坏，将导致机油消耗

16、剧增，发动机 排气冒蓝烟。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。进水口通。进水口3和出水口和出水口4均在中间体上。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。当发动机及空气对其进行冷却。当发动机 在大负荷或高转速在大负荷或高转速r作之后，如果立即停机，那么机油可作之后，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能由于轴承温度太高而

17、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 在怠速下运转在怠速下运转1min。 第四节第四节 气波增压气波增压 一、气波增压器构造一、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。转子多梯形截面的气体流道。转子5悬臂地支承在两悬臂地支承在两 个轴承个轴承4上，与增压器壳上，与增压器壳6以及前后端盖都不接触。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，称空气端一个端盖接低压空气管和高压空气管，称空气端 盖盖1；另一个端盖接高压排气管和低压排气管，；

18、另一个端盖接高压排气管和低压排气管， 称排气端盖称排气端盖8。支承转子。支承转子5的两个轴承的两个轴承4布置在空布置在空 气端盖气端盖1中，以保证轴承得到良好的冷却。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

19、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

20、，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