废气涡轮增压器在汽车上的应用

1、毕业综合技能训练工作报告废气涡轮增压器在汽车上的应用i当今时代，科学技术的迅猛发展，极大的促进了汽车技术和汽 车工业的高速发展，汽车正日益广泛地深入到社会和人们日常生活的 各个方案，这使得汽车修理称为引人注目、迅猛发展的行业。废气涡轮增压型发动机是利用发动机本身排出的压力废气驱动 涡轮旋转，涡轮轴带动叶轮式压气机来提高进气的压力，增加气缸的 充气量。采用涡轮增压技术能使发动机功率提高 30%100%，并降 低发动机的比油耗和比质量，同时减轻发动机的排气污染，还可以扩 大发动机的变形系列。关键字：发动机废气涡轮增压热负荷爆震匹配1 TOC o 1-5 h z 1增压技术的结构和工作原理 11.1

2、概述 1增压技术简介 11.1.2发动机进气增压的基本原理 31.1.3 增压发动机的特点 41.2废气涡轮增压器及其增压系统 41.2.1废气涡轮增压器的工作原理 42涡轮增压的优缺点及使用注意 82.1涡轮增压器优缺点分析 82.1.1涡轮增压器优缺点的对比 8比较奥迪A6 1.8T与奥迪A6 1.8 92.1.3涡轮增压器的不足之处 92.2涡轮增压器的使用注意 102.2.1 工作环境 102.2.2不能着车就走 102.2.3不要立即熄火 102.2.4注意选择机油 113未来废气涡轮增压的发展趋势 124结束语 15参考文献 16 11增压技术的结构和工作原理1.1概述1.1.1增

3、压技术简介近年来，发动机进气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向 之一，过去增压技术主要应用于柴油机上，现在汽油机上也开始大量采用 增压技术。这是因为发动机进气增压技术具有许多优点：1）能够提高发动机升功率一一提高了发动机的动力性；2）能够降低发动机比油耗和比质量提高发动机的经济性；3）能够减轻发动机排气污染一一提高了发动机的排放性；4）能够扩大发动机变形系列等。当前，由于汽车一方面在向高速、重载方向发展，对发动机的动力性 和燃料经济性提出更高的要求；另一方面发动机尾气的排放污染，各国排 放法规的日益苛刻，使人们极力寻求减小大气污染的措施。这种种方面的 原因，使汽车发动机进气增压技术获得

4、迅速发展，其中以美国、英国、德 国、瑞典等国家发展较快。发动机增压方法很多，其中涡轮增压器在技术上最为成熟，并具有很 多突出的优点，因此涡轮增压成为汽车发动机增压的主要类型为获得广泛 应用。此外，在研究和发展废气涡轮增压系统的同时，其他增压系统也相 继有所发展，例如气波增压系统。随着推进技术的发展，涡轮增压器及其增压系统的应用使柴油机的性 能得到大幅度提高（它可使发动机的功率比以前的自然吸气方式提高4倍）,并改进了操作灵活性，降低环境污染。涡轮增压器对二冲程和四冲程发动 机提供各种所需的输出功率起着重要的作用，它能通过其精巧的设计装置传送更高的压比、综合效率以及容积流量比等，而且增压器的更简单

5、和更 紧凑设计使涡轮机更加容易检修，提高了可靠性和耐用性 .。该装置最早应用在飞机上，由于飞行高度不断攀升，空气越来越稀薄， 造成飞机引擎进气量不足，因此涡轮增压器便被采用，以此尽可能多地向 飞机引擎“打注”新鲜空气。随着废气涡轮技术的慢慢普及，它又被用到 了军事装备上。由于军用装甲车辆均为柴油发动机，为了提高功率，军车 率先使用它，如美国的M1A1及德国的豹H等主战坦克。废气涡轮增压在民用车辆的应用则起步较晚，主要是因为轻型车辆（如轿车）大多采用汽油发动机，其对增压技术的要求很高，所以这项技术早期 的民间应用仅局限于柴油机上（我国有依维柯、得利卡等柴油车型都有应 用），普及率因此大打折扣。随

6、着柴油机技术的不断改进以及柴油机经济性和故障率低的优点，柴 油机也逐渐应用在轿车上，为了提高功率及大扭矩输出，一些国外汽车厂 商也纷纷应用了废气涡轮技术（如大众的TDI引擎，奔驰、宝马也有柴油增 压车型）。同样因为技术的进步，汽油涡轮增压引擎也逐渐多见 （如富豪的 增压车型、三菱枪骑兵EVO系列、富士的增压车型等），这都使得车辆的动 力性得到了极大的提高。实践证明，采用该装置后功率可至少提高10%-30% 并能进一步降低油耗，尾气排放也有一定程度的改善。既然废气涡轮增压器有如此神奇功用，我们在使用过程中就应当十分 注意。大家应该知道，废气涡轮增压器里的涡轮和叶轮都是高速旋转的， 因此它的润滑工

7、作就应当十分到位。为了保证装置长期安全的工作，通常 由发动机主油道单独分出一支润滑油道来对涡轮分叶轮中间的浮动轴承进 行润滑。高速旋转的涡轮与叶轮具有很大的旋转惯性，转速需要一段时间 才能降下来，如果我们在使用中让车辆突然熄火或停车即刻熄火，就切断 了发动机通往增压器浮动轴承的润滑油路，使得高速旋转的涡轮、叶轮的 充分润滑失去保证。长期如此，必定会引起废气涡轮增压的故障，出现噪 音偏高、工作粗暴、发动机下降，因此正确的操作方法应当是停车后，检 查一下水温、油温，再怠速运转1分钟左右，待增压器转子转速降下来， 再熄火。相对地，如果发动机长期低速运转也会对增压器造成损坏，一方面发 动机低速运转则增

8、压器涡轮也低速运转，长期下去会使润滑浮动轴承的润 滑油从叶轮端渗出，并随同新鲜空气进入气缸燃烧，从而影响发动机正常 工作。另一方面，渗出的机油也会影响增压器本身的工作，造成增压器工 作效率下降，直至损坏。因此在使用中，车主应经常检查增压器的来、回 油管，保证增压器润滑充分从而正常工作。由于废气涡轮增压器的涡轮与叶轮是高精密度件，所以请车主不要自 作聪明自行修理。车主朋友平时只要检查一下油管，听一下它的工作声音, 而无需做额外的特殊保养。一旦废气涡轮增压器发生损坏，不能修理一下 重复使用，而需要检查引起增压器损坏的原因并更换废气涡轮增压器，以 保证发动机正常工作。以上简单介绍了废气涡轮增压器使用

9、中的注意事项，如果您有辆涡轮 增压的车可要铭记于心，若想爱车能长期健康，需要您平时多用心，关键 时刻才能少担心。1.1.2发动机进气增压的基本原理增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机 气缸的过程。增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充 气量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性能的目的。发动机的有效功率为-L（ 1-1）式中i缸数；Pm 平均有效压力；Vs工作容积；n发动机的转速T冲程数；可知提高发动机功率的方法：改变发动机结构参数一增加缸数i，增大缸径D活塞冲程S,减 少冲程数.；提高发动机转速n及活塞平均运行速度；提高平均有效压力。1.1.3增压发动

10、机的特点进气增压可以提高发动机的升功率。功率相同时，发动机的空间尺寸减少，质量减轻，这有利于提高车 用发动机的经济性。通过增压器的合理设计，可以将扭矩特性改进为低速高扭矩，这对 车用发动机非常有利。在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压 发动机的工况更接近最大效率设计工况点。可通过增压度来弥补随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降。降低噪声。柴油机增压后，由于混合气工作温度升高，着火延迟期 缩短，燃烧过程变得柔和，对直喷式柴油机更是有利。通过增压可以降低有害气体排放。机械随时减少，经济性得到改善。增压机主要零部件的机械负荷和热负荷均增加。1.2废气涡轮增压器及其增压系统1.

11、2.1废气涡轮增压器的工作原理涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气带动涡轮旋转，与燃气轮机类似。涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压发动机气缸进气冷却器压缩机涡轮増压器进釉口I涡轮缩机相连。压缩机把空气压缩到气缸中。气缸排出的尾气流过涡轮叶片, 使涡轮旋转。 流过叶片的尾气越多，涡轮旋转速度就越快。压缩机轮* 丿出油口废气泄放阀图一1进气口 C卜在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。压缩机是一种离 心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。 为了适应高达150,000转/分的转速，必须小心支撑涡轮轴。大部分轴承在 这样的高速下会爆炸，所以绝大多数

12、的涡轮增压机使用的是液压轴承。这 类轴承能使轴浮于一层薄薄的油膜上，这些油从轴四周恒定抽入。这可以起到两个作用：一方面能够降低轴和一些其他涡轮增压机部件的温度，另 一方面能够减小轴在旋转时遇到的摩擦。在为发动机设计涡轮增压机时，需要权衡许多利弊。在下一节，我 们将了解一些需要权衡的因素，并说明其如何影响涡轮增压机的性能。许多人都知道，汽车发动机的工作， 多是靠燃料在发动机气缸内燃烧作 功，从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机 的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。然而，向气缸内多提 供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难

13、完成的。就拿汽油机来说，每向气缸内提供1公斤的汽油，约需要气缸吸入 15公斤的空气，才能保证汽油充分燃烧。这15公斤的空气，其体积将是非常大的，光靠气缸在发动机进气过程产生的真空度，不容易将这么大体积的空气完全吸入。因此，提高发动机吸入气体的能力，也就是提 高发动机的充气效率就显得尤为重要。增压技术就是一种提高发动机的进气能力的方法。从原理上讲，增压并无神秘之处。它就是采用专 门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了， 进气量即可满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。 增压过程中采用的压气机又叫做增

14、压器。废气涡轮增压是进气增压的一种方式。发动机的增压方法根据驱动增压器所用能量来源的不同，基本上可以分为三类：第一类是机械增压系统，增压器由发动机曲轴通过齿轮（或链条等）直接驱动。第二类是废气涡轮增压系统，增压器是由发动机工作时排出的废气带动的。第三类是复合增压系统，即在发动机上， 既采用废气涡轮增压器， 又同时应用机械驱动式增压器。此外还有惯性增压、气波增压等其他增压方式。这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通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，叶轮压送由空气滤清器管道送

15、来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就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，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废 气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20% 30%但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连， 也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转 动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为 转子工作

16、，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑， 还有冷却液为增压器进行冷却。2涡轮增压的优缺点及使用注意2.1涡轮增压器优缺点分析2.1.1涡轮增压器优缺点的对比涡轮增压的最大优点是可提高发动机的功率和扭矩。涡轮增压的优点是显而易见的，它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出 的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率，或者说， 一台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率。 另外，发动机在采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放。汽油机采

17、用涡轮增压技术有一定难度。凡事有利就有弊，涡轮增压也不例外。发动机在采用废气涡轮增压技术后，工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅度提高，从而使发动机的机械性能、润滑性能都会受到影响。为了保证增压发动机在较高的机械负荷和热负荷条件下，能可靠耐久地工作，必须在发动机主要热力参数的选取、结构设计、材料、工艺 等方面作必要的改变，而不是简单地在发动机上装一个增压器就行了。 由于这个改变过程在实行中难度颇大，而且还要考虑增压器与发动机的匹配问题，因此在一定程度上也限制了废气涡轮增压技术在发动机上的 应用。相对来说，废气涡轮增压器与柴油机配合运行时，涡轮机允许工作的范围较广，高效率范围也较宽，在配合运

18、行中产生的问题较少，所以 废气涡轮增压技术在柴油机应用的比较多。而对于汽油机在增压后， 提高了缸内混合气压缩和燃烧气体的温度和压力，提高了燃烧室受热零件的热负荷，很容易产生爆震。这也就是至今为止，增压技术在汽油机上 得不到广泛应用的主要原因。比较奥迪 A6 1.8T与奥迪A6 1.8奥迪A61.8T比1.8功率大，但比 2.4起步慢，奥迪 A6 1.8T的发 动机在其动力输出上就充分体现了废气涡轮增压技术的优势。由其功率扭矩曲线图可以看出，随着发动机转速的提高，其功率逐渐增大， 在5700转/分钟时达到最大值 110千瓦。这与未装增压器的1.8升发动 机相比，最大功率提高了大约20%观察其扭矩

19、变化，在低转速时（1750转/分钟以下）发动机具有良好的扭矩特性。在1750转/分钟时，发动机输出最大扭矩210 N.m，并在17505700转/分钟之间一直保持这个最 大扭矩，这一点与未装增压器的发动机有所不同。与奥迪A6 1.8相比，安装增压器后，其最大扭矩增加了25%奥迪A6 2.4的发动机排量比1.8T的要大许多，而其最大功率和最 大扭矩却相差不多。但是从曲线图中不难看出，在低转速时，1.8T的扭矩和功率要比2.4的小。这是因为涡轮增压在中、高转速时作用更明显。因此表现为，奥迪 A6 1.8T的起步就要比2.4略慢，若匹配自动变 速器，这点更为明显。不过，当发动机转速较大时，涡轮增压凭

20、借其宽 广的“扭矩高原”，优势便会突出。但仅以发动机来论，1.8T满足车辆一般性需要，已是绰绰有余了。2.1.3涡轮增压器的不足之处在搞清楚涡轮增压器的结构和它的基本工作原理之后，想到优点的同时，缺点一定是有的，鱼和熊掌真的是不可兼得啊。涡轮增压技术其中最明显的就是“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率。 这样如果你急加速，就会感觉发动机使不上劲。但随着技术的进步，涡轮延迟在一定程度上得到改善：例如采用两个较小涡轮并联来代替一个较大的涡轮， 在效果基本相同时，减小了涡轮延迟。 但涡轮延迟仍不可完全避免。在经

21、过了增压之后，发动机在工作时候的压力和温度都大大升高， 因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。2.2涡轮增压器的使用注意221 工作环境涡轮增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮，它再怎么先进还是一套机械装置，由于它工作的环境经常处于高速、高温下工作，增压器废 气涡轮端的温度在 600度以上，增压器的转速也非常高，因此为了保证增压器的正常工作，对它的正确使用和维护十分重要。2.2.2不能着车就走尤其在冬季，发动机启动后，最好让其怠速运转一段时间，以便在增 压器转子高速运转之前让润滑油充分润滑轴

22、承。千万注意刚启动后不能猛轰油门，以防损坏增压器油封。可想而知，这个过程是一个润滑的作 用。2.2.3不要立即熄火发动机长时间高速运转后，比如跑完高速，要进入服务器休息，不能 立即熄火。原因是发动机工作时，有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却的。正在运行的发动机突然停机后，机油压力迅速下降为零，增压器涡轮部分的高温传到中间，轴承支承壳内的热量不能迅速带走，而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转，因此，发动机热 机状态下如果突然停机， 会引起涡轮增压器内滞留的机油过热而损坏轴 承和轴。最好是怠速运转 3-5分钟后在熄火。由此可见，高速运转后，怠速运转3-5分钟是为了涡轮增压器降低温度

23、。224 注意选择机油由于涡轮增压器的作用， 使进入燃烧室的空气质量与体积有大幅度 的提高，发动机结构更紧凑、更合理，较高的压缩比，使发动机的工作 强度更高。机械加工精度也更高，装配技术要求更严格。所有这些都决 定了涡轮增压发动机的高温、高转速、大功率、大扭矩、低排放的工作 特点。同时也就决定了发动机的内部零部件要承受较高的温度及更大的 撞击、挤压和剪切力的工作条件。 所以在选用涡轮增压轿车车用机油时， 就要考虑到它的特殊性，所使用的机油必须抗磨性好，耐高温，建立润 滑油膜快，油膜强度高和稳定性好。 而合成机油或半合成机油恰好可以 满足这一要求，所以机油除了最好使用原厂规定机油外还可以选用合成

24、 机油、半合成机油等高品质润滑油。3未来废气涡轮增压的发展趋势对于车用高速柴油机，为了改善低工况性能，可采用高速时放气 的措施，这是一种简单而安全的措，但高工况经济性不好。为了提 高涡轮增压器的经济性能，近十几年科研工作者进行了大量的研究， 其中可变喷嘴环截而涡轮增压器是呼声最高的，许多国家都进行了研 究并取的了很大的进步。可变截而涡轮增压是燃气通过涡轮喷嘴叶片时，根据涡轮增压柴 油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，使进入涡轮叶片的气流参 数产生变化，通过涡轮烩降的变化实现涡轮功的变化，让压气机 出口的增压压力发生变化，从而达到涡轮增压器与发动机在各工况下 的良好匹配。可变截而涡轮增压器

25、的原理简图如图 4所示.由于发动机工况 变化的瞬态性，因此可变喷嘴叶片调整的响应性也是可变喷嘴汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机。我国20世纪70年代末开始研究汽油机增压，并在 CA IOB和DG2610C一 12机型上取 得成功。20世纪80年代末，清华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也 相继对49ZQ汽油机进行增压研究川。作为汽油机增压，除提高功率扭矩外， 还用于高原上恢复功率。由于受爆震的影响和热负荷的限制，增压度都不 高，性能也不够完善，实际应用很少。到2001年，只有少数车型采用增压， 还没有国产增压车型。现在，国内已开发出轿车用增压柴油机和汽油机产 品，如帕萨特一领

26、驭1.8T、大众一速腾1. 8T、奥迪A6L 2. OT等均采用 了涡轮增压技术。国内一些著名公司和院校都非常重视发动机与增压器匹配的研究。中科院工程热物理所、清华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配试验测得增压压力和排气压力值，结合发动机结构参数，计算了发动机的流通特性，建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲线。对联合工作曲线的分析表明：设计的可变喷嘴涡 轮增压器与发动机匹配良好，不会出现喘振和阻塞。由大众集团主产的、世界上首台新型带涡轮压的直喷汽油发动机已于2005年问世。这款 2. 0 LFSI （ Fuel Stratified Injection，燃料分层喷射）

27、发动机适用于大众集团生产制造的诸多车型，如奥迪 A3,A4,A6和高 尔夫GTI等。2. 0 L FN被评为“ 2005年最有影响力的发动机”。结合涡 轮增压，FSI拥有性能高和油耗低的特点30据报道，欧洲的汽车制造商和零部件供应商正将汽油机涡轮增压器视为降低排放的有效武器，有内燃机2008年2月望使该产品在欧洲的需求剧 增。通过引人涡轮增压器，汽车制造商可以提供较小排量的汽油机。与现 有的同类产品相比，这种发动机的性能持平或更高，而油耗量较低；加七车辆质量的减轻，可帮助欧洲的汽车制造商实现 他们对欧盟的保证，即2008年，乍辆的COZ平均值为163岁km。博格华纳 公司和霍尼韦尔公司希望到2010年，欧洲的汽油机中大概有25%为涡轮增 压发动机。日本马自达汽车公司日前宣布，该公司成功开发了排量为 2.3 L的直 喷式涡轮增压汽油机13-VDT,命名为MZR2. 3 DISI TURBO,并装备在马自 达speed Atenza轿车上。发动机的缸径为 87. 5 mm，行程94 mng压缩比 9.5 ,最高输出功率为200 kW最大功率转速5 500 r/min，最大扭矩380 N- m最大扭矩转速3 0（ 0 r/min，总排气量2.26 L。