第七章发动机增压

第二节机械增压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

一、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，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

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、压力一般为:Pk＝0.15～0.17MPa以下。

二、电磁离合器

电磁离合器安装在传动带轮1中，传动带轮1与主动板2固连接在一起，从动摩擦片6与花键套5固连接在一起。电控单元根据发动机工况的需要，发出接通或切断电磁离合器电源的指令，以控制增压器的工作。接通电源时，电磁线圈3通电，主动板2吸引从动摩擦片6，使离合器处于接合状态，增压器工作。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。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。当发动机在小负荷下工作时，电控单元ECU根据节气门位置传感器3的信号使电磁离合器11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，即在不增压的前提下，空气经旁通阀5以及旁通管路进入气缸。

机械传动式增压器要消耗发动机的部分功率，例如，要使增压压力达到0.15～0.2MPa，增压器要消耗发动机有效功率的12～20%左右，相应增加了燃料的消耗量。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涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统双涡轮增压器的增压系统之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。其中，不连续发火的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。※它由涡轮壳、中间体、压气机三大部分组成。※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。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，把空气的动能转变为压力能，使空气压力进一步提高后进入发动机的进气管。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π=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0.147～0.196MPa以上；◆结构简单紧凑，重量轻，金属消耗量少。目前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气冲击叶轮1，并在叶片2所形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700C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或陶瓷材料制造。陶瓷材料重量减轻2/3，可使涡轮增压加速滞后的问题大大改善，但耐热冲击性能差。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。涡壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应光洁。宝马新开发的涡轮发动机为3.0L排量直喷双涡轮类型，每3个气缸配备1个涡轮增加压。最大输出功率为225kW（306PS），最大扭矩为400N·m。与该公司排量相同的自然吸气发动机相比，输出功率及扭矩分别增加了15％和30％。另外，通过采用直喷设计，与采用进气孔喷射的涡轮发动机相比，燃效提高了10％。涡轮叶轮采用耐热性超过1050℃的特种钢宝马新开发的涡轮发动机为3.0L排量直喷双涡轮类型，每3个气缸配备1个涡轮增加压。最大输出功率为225kW（306PS），最大扭矩为400N·m。与该公司排量相同的自然吸气发动机相比，输出功率及扭矩分别增加了15％和30％。另外，通过采用直喷设计，与采用进气孔喷射的涡轮发动机相比，燃效提高了10％。涡轮叶轮采用耐热性超过1050℃的特种钢配备压电式喷射阀，活塞顶部设计有凹陷燃气离开工作轮时还具有一定的速度

c2

，也就是还有一部分动能未能在涡轮中得到利用，这部分动能损失称为余速损失。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，压力降低到p1，温度下降到了T1，流动速度增加到c1。废气从喷嘴环喷出，以相对速度ω1和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，气体在通道中继续膨胀，在工作轮出口处压力下降到p1

，温度降低到了T2，相对速度增加到ω2，由于废气在喷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c2，c2

＜＜c1

。转子总成:涡轮增压器的转子总成由涡轮10与轴5、密封套4、压气机叶轮3、锁紧螺母等组成。转子以超过10×104r／min，最高可达20×104r／min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。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，浮动轴承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。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。控制膜盒连动杆排气旁通阀排气管涡轮机叶轮压气机蜗壳增压器轴中间体压气机叶轮连通管与压气机出口相同涡轮机蜗壳三、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。润滑油冷却水润滑油冷却水四、中冷器的作用：降低发动机的进气温度

（１）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１０℃，发动机功率就能提高３％～５％。

（２）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燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会增加发动机废气中的ＮＯｘ的含量，造成空气污染。

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