第七章发动机增压

1、第二节 机械增压 容积式压气机容积式压气机是按照空气被压缩时容积 缩小、压力升高的原理而工作的压气机。 它把从进气腔来的一定量的空气或可燃 混合气进行压缩，并转送到压缩腔。进 气腔和压气腔被转子隔开互不相通。在 内燃机上应用较广的为转子齿轮式 的罗茨压气机。 用来压缩空气或其它气体的设备称为压气机用来压缩空气或其它气体的设备称为压气机 一一、罗茨式压气机罗茨式压气机 电磁离 合器带 轮1 电磁 离合器2 转子3 转子轴4 后盖 5放油螺栓6 传动 齿轮7 齿轮室罩8 壳体9 滚子 轴承 10 当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推

2、动下空气被加速，然后从压气机出口压出。出口与进口的动下空气被加速，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。 为了减少压力和速度的脉动，经常采用三叶形转 子，如下图所示。当采用三叶转子时，气流流通 部分的速度和压力脉动周期相当于转子的60角， 因此，振幅比双叶转子的小。 三叶螺旋型罗茨式压气机三叶螺旋型罗茨式压气机 转子式压气机是一种较早应用于发动机 增压的压气机,其优点是结构比较简单， 使用寿命长，平衡性好，增压压力随转 于转速变化的规律比较理想，适应发动 机变工况工作的要求。 缺点:重量较大噪音较高。 罗茨式压气机增压、压力一

3、般为: Pk0.150.17MPa以下。 二二、电磁离合器电磁离合器 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，传动带轮中，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与与 花键套花键套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，以控制通或切断电磁离合器电源的指令，以控制 增压器的工作。增压器的工作。 接通电源时，电磁线圈接通电源时，电磁线圈3通电，主动板通电，主动板 2吸引从动摩擦片吸引从动摩擦片6，使离合器处于接合状，使离合器处于接合状 态，增压器工作

4、。态，增压器工作。 切断电源时，电磁线圈断电，主动板与切断电源时，电磁线圈断电，主动板与 从动摩擦片分开，增压器停止转动。从动摩擦片分开，增压器停止转动。 空气滤清器1 空气流量计2 节气门传感器3 怠速空气控制阀4 进气旁通阀5 机械增压器6 中冷器7 喷油器8 爆燃传感器9 冷却液传感器10 电磁离合器带轮11 曲轴带轮12 氧传感器13 三效催化转换器14 分电器15 点火线圈16 电控单元17 机械增压器机械增压器6为罗茨式压气机，由曲轴带轮为罗茨式压气机，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，电控单元当发动机在小负荷

5、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的信号使电磁离合的信号使电磁离合 器器11断电，增压器停止工作。与此同时，使进气旁通阀断电，增压器停止工作。与此同时，使进气旁通阀5通电而开启，即在不增压的前提通电而开启，即在不增压的前提 下，空气经旁通阀下，空气经旁通阀5以及旁通管路进入气缸。以及旁通管路进入气缸。 机械传动式增压器机械传动式增压器要消耗发动机要消耗发动机 的部分功率，例如，要使增压压力达到的部分功率，例如，要使增压压力达到 0.15 0.15 0.2MPa0.2MPa，增压器要消耗发动机有，增压器要消耗发动机有 效功率的效功率的121220%20%左右，相应

6、增加了燃左右，相应增加了燃 料的消耗量。料的消耗量。 为了避免这部分功率的损失，利用为了避免这部分功率的损失，利用 发动机的废气能量驱动涡轮来带动离心发动机的废气能量驱动涡轮来带动离心 式压气机。式压气机。 涡轮增压器与其它增压方式相比有其突 出的优点，这在于涡轮增压系统中涡轮与发 动机无机械上的联系，不消耗发动机的功率， 而是利用发动机排出的废气工作，实际上是 回收了一部分废气能量，增压后每个工作循 环进入气缸的空气量增加，允许向气缸喷入 更多的燃油，并保证充分燃烧，这样就增加 了发动机的输出功率，并降低燃油消耗，改 善发动机的经济性。 第三节 涡轮增压 涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通

7、过压缩空气来增 加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡 轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压缩由空气 滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转 速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮压缩 更多的空气进入气缸。空气的压力和密度增大可以燃烧更 多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就 可以增加发动机的输出功率。 涡轮增压工作原理涡轮增压工作原理 废气涡轮增压方式 1.串联前复合增压 进气管 发动机 排气 排气输出轴 吸气 2. 串联后复合增压 进气管 发动机 排气 排气 输出轴 吸气 3.并联复合增压 进气管 发动机 排气 排气 输出轴 吸气 只有一个

8、涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统 双双 涡涡 轮轮 增增 压压 器器 的的 增增 压压 系系 统统 之之 一一 六缸电控汽油喷射式汽油机常采用双涡轮增压系统，如图示。六缸电控汽油喷射式汽油机常采用双涡轮增压系统，如图示。 其中，不连续发火的其中，不连续发火的1、2、3缸作为一组，缸作为一组，4、5、6缸作为另缸作为另 一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器 一、涡轮增压器的结构 及工作原理 涡轮增压器是增压发动机的关键部件。涡轮增压器是增压发动机的关键部件。 它由涡轮壳、中间体、压气机三大部分组成。它由涡轮壳、中间体、压气机三大部分组成。 涡轮

9、机与发动机的排气管相接，压气机与发动机涡轮机与发动机的排气管相接，压气机与发动机 的进气管相接，中间体与发动机的润滑系统相接。的进气管相接，中间体与发动机的润滑系统相接。 压气机蜗壳 扩压管 压气机叶轮 密封套 增压器轴 进气道 推力轴承 挡油板 浮动轴承 涡轮机叶轮 出气道 隔热板 涡轮机蜗壳 中间体 10ZJ型径流式涡轮增压器主要供135型柴油机和 146型柴油机增压之用 压气机：由压气机叶 轮3、压气机壳1、扩 压器后板14、无叶扩 压器2（由压气机壳与 扩压器后板形成的缝 隙构成）、进气道6组 成。由增压器轴5带动 旋转。 1.离心式压气机 压气机叶轮的 作用是把涡轮 的热膨胀功转 变

10、为空气的动 能和压力能， 再经过无叶扩 压器和压气机 壳的扩压作用 ，把空气的动把空气的动 能转变为压力能转变为压力 能，使空气压能，使空气压 力进一步提高力进一步提高 后进入发动机后进入发动机 的进气管。的进气管。 空气沿进气道进入工作轮随工作轮一起旋转，受到离心力的作用沿 着工作轮上叶片所构成的通道流动，使空气受到压缩，这时压力从 P1增加到P2，气流速度从c1增加到c2，驱动工作轮的机械功转化为 空气在工作轮中获得的动能，和以压力形式表现的势能。 工作轮出口处的动能一般为气流总能量的一半，因此，在工作轮后装有扩压器， 使其转换为压力能。当气流在扩压器中流动时，由于流通面不断扩大，气流的速

11、 度从c2下降到c3，压力从P2升高到P3。此时产生的损失是压气机损失中的主要部 分。 自扩压器周围出来的空气进入蜗形管，由此进入发动机的进气管，根据增压器 在发动机上的配置位置不同，蜗形管可以有一个或数个出口管。 工作轮是压气机的主要零件，在工作中使 空气受到压缩并获得动能。工作轮一般用 铝台金制造，以大大减少作用在工作轮上 的离心力。 在现代增压器中，离心力可达很高的数值， 有时可能比零件的重量大5万到10万倍。 由于工作轮背后b处的空气压力比工作轮 前面的压力高，为了减少由于压差造成的 使轮盘向左移动的轴向推力，在工作轮毁 上钻有平衡a如下图，以使工作轮前后的 压力得到平衡。 压气机性能

12、的主要参数是：单位时间内压气机提供给 内燃机的空气量，称为流量，并有两种表示方法。 容积流量为单位时间内所提供的空气容积 V(m3/h或m3/min); 质量流量为单位时间内所提供的空气质量 Gk(kg/s)。 增压比或压力升高比，为压气机出口空气压 力pk与进口空气压力p0之比，表示为=pk/p0。 离心式压气机属于叶片机械，其工作原理是 以高速气流与工作叶轮和固定叶片的相互动力 作用为基础，与容积式压气机相比离心式压气 机的优点是： 消耗同样的功率时， 比容积式压气机的效率 高，并能得到较高的增压压力，一般能达到 0.1470.196MPa以上； 结构简单紧凑，重量轻，金属消耗量少。 目前

13、离心式压气机在内燃机增压方面获得广泛 的应用。 离心式压气机的缺点是随着转速的降低，增 压压力便急剧下降。 由涡轮10、涡轮壳13、无 叶喷嘴环（由涡轮壳内径 环形缝隙通道构成）组成。 它是驱动压气机叶轮旋转 的原动机，发动机排出的 废气进入涡轮壳，再经由 喷嘴环以一定的速度和方 向进入涡轮，废气在涡轮 中绝热膨胀作功，由涡轮 轴输出带动压气机叶轮高 速旋转。 2.径流式涡轮机 喷管是由相邻叶片之间构成的减缩形流道。排气流过喷喷管是由相邻叶片之间构成的减缩形流道。排气流过喷 管时降压、降温、增速、膨胀，排气的压力能转变为动管时降压、降温、增速、膨胀，排气的压力能转变为动 能，从喷管高速流出的废

14、气冲击叶轮能，从喷管高速流出的废气冲击叶轮1，并在叶片，并在叶片2所形所形 成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮高速旋转。成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮高速旋转。 (1)喷管 其上装有许多导向叶片，构成渐缩形通 道。废气从这里被引入工作轮。其材质采用耐高 温、抗腐蚀的合金钢。 (2)叶轮 它是把从喷管出口喷出的高速废气的 动能和压力能转变为机械功的场所。工作轮的叶 片与轮盘做成一体，多采用精密铸造成型。 (3)涡壳 其作用是把发动机与增压器连接起来， 将废气经过整理引导到喷嘴环的方向，并按喷嘴 环进口形状均匀地进入喷嘴环，以减少流动损 失充分利用废气能量。 涡轮机叶轮工作温度经常在涡轮机叶轮工作

15、温度经常在700 C左右，并承受巨左右，并承受巨 大的离心惯性力作用，所以采用镍基耐热合金钢大的离心惯性力作用，所以采用镍基耐热合金钢 或陶瓷材料制造。陶瓷材料重量减轻或陶瓷材料制造。陶瓷材料重量减轻2/3，可使涡，可使涡 轮增压加速滞后的问题大大改善，但耐热冲击性轮增压加速滞后的问题大大改善，但耐热冲击性 能差。能差。 喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工 成形。成形。 涡壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应光洁。涡壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应光洁。 涡轮叶轮采用耐热性超 过1050的特种钢 涡轮叶轮采用耐热性超 过1050的特种钢 配备压电式

16、喷射阀，活塞顶部设计有凹陷 燃气离开工作轮时还具有一定的燃气离开工作轮时还具有一定的 速度速度 c c2 2 ，也就是还有一部分动能，也就是还有一部分动能 未能在涡轮中得到利用，这部分未能在涡轮中得到利用，这部分 动能损失称为余速损失。动能损失称为余速损失。 在喷嘴环中因断面是渐缩的，使部在喷嘴环中因断面是渐缩的，使部 分压力能转变为气体的动能，压力分压力能转变为气体的动能，压力 降低到降低到p p1 1，温度下降到了，温度下降到了T T1 1， ，流动速 流动速 度增加到度增加到c c1 1。 废气从喷嘴环喷出，以相对速度废气从喷嘴环喷出，以相对速度 1 1 和一定角度进入工作轮，工作轮叶和

17、一定角度进入工作轮，工作轮叶 片间的通道也是呈渐缩形状，气体片间的通道也是呈渐缩形状，气体 在通道中继续膨胀，在工作轮出口在通道中继续膨胀，在工作轮出口 处压力下降到处压力下降到p p1 1 ，温度降低到了，温度降低到了T T2 2， 相对速度增加到相对速度增加到 2 2，由于废气在喷，由于废气在喷 嘴中膨胀得到的动能大部分传给了嘴中膨胀得到的动能大部分传给了 工作轮，所以绝对速度迅速下降到工作轮，所以绝对速度迅速下降到 c c2 2，c c2 2 c c1 1 。 转子总成转子总成:涡轮增压器的转子总成由涡轮涡轮增压器的转子总成由涡轮10与轴与轴5、密、密 封套封套4、压气机叶轮、压气机叶轮

18、3、锁紧螺母等组成。转子以超过、锁紧螺母等组成。转子以超过 10104rmin，最高可达，最高可达20 104rmin 的高转速的高转速 旋转，因此它是涡轮增压器中有动平衡要求的部件。旋转，因此它是涡轮增压器中有动平衡要求的部件。 3.转子总成 轴承机构：涡轮增压器转子上装有浮动轴承，它的内孔轴承机构：涡轮增压器转子上装有浮动轴承，它的内孔 与轴、外圆与中间体内孔具有规定的间隙，形成双层油与轴、外圆与中间体内孔具有规定的间隙，形成双层油 膜润滑，使转子在高速旋转时自动定心和增强冷却效果膜润滑，使转子在高速旋转时自动定心和增强冷却效果， 浮动轴承承受转子的径向载荷。中间体上装有止推轴承，浮动轴承

19、承受转子的径向载荷。中间体上装有止推轴承， 止推轴承与止推环的轴向尺寸差值为转子是轴向串动量，止推轴承与止推环的轴向尺寸差值为转子是轴向串动量， 止推轴承承受转子的轴向载荷。止推轴承承受转子的轴向载荷。 4.轴承机构 增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一。增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一。 浮动轴承 润滑油道 润滑油入口推 力 轴 承 现代车用涡轮增 压器采用的浮动 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。 进油孔5 布油槽7 布油槽7 进油孔5 止推面6 外双支承式涡轮增压器 内双支承式

20、涡轮增压器 悬臂支承 二、增压压力调节 在涡轮增压系统中部设有进气旁通阀和排气 旁通阀，用以控制增压压力。 控制膜盒控制膜盒 连动杆连动杆排气旁通阀排气旁通阀 排气管排气管 涡轮机叶轮涡轮机叶轮 压气机蜗壳压气机蜗壳 增压器轴增压器轴中间体中间体 压气机叶轮压气机叶轮 连通管连通管 与压气机与压气机 出口相同出口相同 涡轮机蜗壳涡轮机蜗壳 三、增压器的润滑与冷却 中间体：中间体是涡轮增压器的支承机构, 用圆柱头内六角螺栓把扩压器后板固定在中间 体上，用螺栓把压气机壳固定在扩压器后板上， 转子的径向载荷和轴向载荷分别经浮动轴承和 止推轴承最终传递给中间体。 中间体又是涡轮增压器的润滑冷却装置。 它的进油口接至发动机润滑系的主油道。回油 口接至油底壳。 润滑油润滑油 冷却水冷却水 润滑油润滑油 冷却水冷却水 （）发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的 热传导会提高进气的温度。而且，空气在被压缩的过程中密 度会升高，这必然也会导致空气温度的升高，从而影响发动 机的充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进 气温度。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的 温度每下降 ，发动机功率就能提高。 （）如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影 响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机