汽车涡轮增压器构造和原理PPT课件.ppt

1、汽车涡轮增压器构造与原理,主讲：张 虹 2012，11,1,车用涡轮增压技术概述,车用涡轮增压器增压的原理 车用涡轮增压的目的和作用 车用涡轮增压发展概况 汽车用涡轮增压器应用实例,2,汽车技术发展： 节能，提高燃油经济性 降低排放 新能源、新材料的应用纯电动、燃料电池、混合动力汽车、替代燃料汽车等 系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化,汽车增压技术发展背景,3,发动机技术发展： 汽车发动机面临低污染、低碳化、高品质的挑战 汽油机：采用提高压缩比、多气门和可变配气系统、增压技术、空燃比传感器/氧传感器、直接喷射、稀混合气分层燃烧、EGR等技术，配合三元催化剂等排气后处理技术 柴油机：采用轻质

2、材料、超高压喷油、高增压、智能EGR、多气门 甲醇、乙醇、CNG、LPG、H2等代用燃料在内燃机上的开发应用会进一步发展,汽车增压技术发展背景,4,涡轮增压技术的发展： 提高发动机功率、减轻单位功率质量、减小外形尺寸、降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一。 涡轮增压中冷技术既是减少柴油机排放的有效措施。 促进轿车发动机发展的主要因素是排放、功率密度、性能、噪声和燃油经济性，因此在轿车柴油机和汽油机上也越来越多地采用涡轮增压技术。,汽车增压技术发展背景,5,发动机增压的原理,发动机工作原理回顾 基本工作原理及其同空气增压系统的关系： 发动机是一种耗气机械，因为燃油需要与空气混合才

3、能完成燃烧冲程。 一旦空燃比达到某一值后，再增加燃油，除了将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外，不会产生更多功率，发动机供油越多，黑烟就越浓。 超过空燃比极限后，单纯增加供油量只会造成燃油消耗量过多、大气污染、废气温度升高，并使发动机寿命缩短。 增加空气量的能力对发动机来说是多么重要。,6,所谓增压，就是借助于装在发动机上的专用增压装置，预先压缩进入气缸的空气，以提高进入气缸中的充气密度。 增压的作用十分明显，在气缸容积一定的情况下，充气密度大，新鲜空气的绝对量大，就可以喷入较多的燃料进行燃烧，发动机就能发出更大的功率。,发动机增压原理,7,发动机增压的原理,发动机增压方式： 机械增压 ：利用机械

4、传动的增压器进行增压 发动机加速性好，发动机泵气损失小，发动机油耗高，多用于二冲程发动机。 废气涡轮增压 ：利用发动机排气管排出的废气，经过涡轮增压器的涡轮膨胀产生能量带动轴系旋转，并通过压气机将动能转换成压力能，重新将压缩的气体进入到发动机气缸的过程。 气波增压：利用气体的压缩波和膨胀波来传递能量的一种新型能量交换器。 复合增压：同时采用两种形式的增压方式,8,9,废气涡轮增压原理,涡轮增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵。 废气驱动涡轮叶轮总成，它与压气机叶轮相连接，当涡轮增压器转子转动时，大量的压缩空气被输送到发动机的燃烧室里。 由于增加了压缩空气的数量，就可以使更多的燃

5、油喷入到发动机里去，使发动机在尺寸不变的条件下而产生更多的功率。,10,废气涡轮增压原理图,11,废气涡轮增压器原理图,12,废气涡轮增压器结构图,13,涡轮系统 压气机系统 中间体（轴承体） 转子轴承系统 润滑与冷却系统 密封与隔热系统 其他紧固小零件,涡轮增压器总体结构,14,涡轮增压器转子轴承系统,15,第一讲：涡轮增压器概述,涡轮增压器增压的原理 车用涡轮增压的目的和作用 涡轮增压发展概况 汽车用涡轮增压器应用实例,16,强化发动机，提高发动机的平均有效压力Pe 发动机升功率Nl： 发动机进气密度增加，进入气缸的空气增多，所以允许喷入较多的燃油，使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效

6、率。 增压后的功率可比原机提高6080%甚至更多，发动机的平均有效压力可达到3Mpa 改善发动机的经济性 经济性： 增压后增加热效率，发动机功率上升，使发动机燃油经济性大幅度增加。,车用涡轮增压目的,17,降低发动机的排气污染及噪音 采用涡轮增压可使燃烧更充分，CO，HC及PM的排放降低，采用中冷可降低NOx排放。 发动机体积小，发射噪声的表面积小，涡轮的消声作用。 高原或高温地带恢复发动机的功率 自然吸气的发动机，随着海拔高度的增加，其功率将下降。涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿，在高原地区工作时比不增压发动机功率下降要少得多。 涡轮增压器的自我补偿功能，对海拔高度变化有

7、较高的适应能力,车用涡轮增压目的,18,19,提高柴油机功率、减轻单位功率质量、减小外形尺寸、降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一。 涡轮增压中冷技术既是减少柴油机排放的有效措施。 促进轿车柴油机发展的主要因素是排放、功率密度、性能、噪声和燃油经济性，因此在轿车柴油机和汽油机上也越来越多地采用涡轮增压技术。 热负荷与机械负荷都有所提高，应采取相应措施。,车用增压特点,20,21,第一讲：涡轮增压器概述,涡轮增压器增压的原理 车用涡轮增压的目的和作用 涡轮增压发展概况 汽车用涡轮增压器应用实例,22,涡轮增压的发展历史 1885年戴母勒提出增压概念 1905年波希申请并获得专利，

8、在台架上实现增压，首先用于航空和船舶 40年代出现小型径流涡轮增压器-开始用于车辆 70年代浮动轴承的出现和汽油机增压的突破-大量应用于汽车 80年代出现可变几何截面涡轮增压器 90年代后期可调二级增压,增压技术发展概况,23,涡轮增压的发展现状 转速一般为 十几万转/分，最高可达三十万转/分 压气机 单级压比达 3.5 4 ,最高达 5,绝热效率达 0.780.80 涡轮绝热效率可达 80% 以上 整机效率可达 60% 以上 汽油机增压技术在国外普遍应用 可变几何截面涡轮增压器的应用 混流涡轮技术在国内外应用 滚动轴承技术在国内外应用 大、中功率柴油机在发达国家（我国）几乎全部实现增压,增压

9、技术发展概况,24,涡轮增压的发展方向 增压器向更高压比、高效率、高可靠性、使用流量范围宽广的方向发展； 结构简单、体积小、重量轻并且造价低廉； 更好地适应各种车用动力在不同工况下的性能要求。 新技术包括：轿车汽油机增压技术、可变喷嘴涡轮VNT、铁铝合金、滚动轴承、可擦涂层、混流式涡轮、电子控制执行器总成、电控涡轮复合式发动机等。,增压技术发展概况,25,大众汽车公司推出的3升路波TDI轿车柴油机，采用了涡轮增压、进气中冷、直接喷射、泵喷嘴、可变喷嘴涡轮等先进技术，燃油经济性可以达到100km燃油消耗2.99L；该车还采用了初级催化、主催化和废气再循环等技术，其排放指标可以达到欧洲标准；,26

10、,可变涡轮增压器（VNT）,电子控制执行器总成,27,混流涡轮,五轴加工压气机叶轮,28,涡轮增压的国内企业： 国有企业： 湖南天雁机械厂（衡阳）、沈阳黎明公司增压器厂 合资企业： 无锡英国Holset、上海日本三菱、宁波天力、山东富源 独资企业： 美国Honeywell（上海）、德国Borgwarner 私营企业： 山东寿光为代表 无锡“板块”和凤城“板块” 国内厂家自主研发产品少，大多为引进或仿制品,增压技术国内现状,29,涡轮增压的科研单位： 北京理工大学，山东大学，上海交通大学、哈工程、同济大学等，还有吉林大学、天津大学 七零研究所，上海内燃机研究所等 北京理工大学涡轮增压实验室 50

11、年代起自行研制军用涡轮增压器开始 最早掌握并应用高性能涡轮增压器的设计技术 研制混流涡轮和可变几何截面涡轮等专利产品，涡轮增压器实验台，叶轮模具设计与制造等。 研究方向：设计、计算、气动、强度、匹配、试验,增压技术发展概况,30,第一讲：涡轮增压器概述,涡轮增压器增压的原理 车用涡轮增压的目的和作用 涡轮增压发展概况 汽车用涡轮增压器应用实例,31,车用涡轮增压器应用实例,装备在大众Golf GT上的1.4升双增压发动机： 随着新技术的不断发展增压技术也在不断进步 传统的涡轮增压和机械增压都存在着不如人意的地方，把两种技术结合在一起不失为一种解决方法,32,车用涡轮增压器应用实例,机械增压器（

12、Supercharger） ： 由发动机皮带驱动，像发动机的附件转向助力泵一样安装在发动机上，将压缩空气输送到进气歧管。 机械增压器结构简单，工作温度介于70度-100度，不需特殊冷却系统，机件维护简单。不过增压值会随发动机转速的提高而降低，当达到某一界限时，由于本身的阻力增压器反而会成为发动机的负担，严重影响发动机转速的提升。因此，目前欧洲生产的机械增压系统多半采取低增压。 优点是转子的速度与发动机转速是相对应的，没有滞后，动力输出流畅，成本低。 缺点是要消耗发动机动力，机械增压容易产生噪音。,33,机械增压器结构图,34,车用涡轮增压器应用实例,涡轮增压（Turbocharger） 利用发

13、动机排出的废气驱动增压器，利用空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。 优点是增压效率高于机械增压，缺点是受发动机转速影响，低转速时效果不明显，待发动机提升到一定转速时才会有出色表现。 涡轮迟滞也是涡轮增压发动机面临的最大难题。在低转速时，涡轮增压器没有介入，同时废气仍然要驱动涡轮旋转，排气没有自然吸气发动机顺畅，此时的发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱。随着发动机的转速升高.例如突破3000转以后，涡轮增压器突然介入，这个时候产生的动力将陡增。这种动力的突然增加影响了动力输出的平顺性。 尽管涡轮增压能给发动机带来更强的动力输出，但是作为一台民用汽车，流畅的动力输出是非常重要的

14、，而涡轮迟滞会给驾驶舒适性带来一定影响。,35,废气涡轮增压器结构图,36,车用涡轮增压器应用实例,双增压技术（Twincharger） 机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。,37,机械增压与涡轮增压相组合的进气系统,38,车用涡轮增压器应用实例,2005年，大众开始将这套技术装配到量产的民用车型高尔夫1.4 TSI(Turbocharging,Supercharging,Inject

15、ion) 低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1 500rpm时，两个增压器同时提供增压压力，其总增压值达到2.5bar(如果涡轮增压器单独工作，只能产生1.3bar的增压压力)。 随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器控制，它与水泵集合在一起。 在转速超过3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率。,39,1.4升双增压发动机外观图片,40,车用涡轮增压器应用实例,1.4升的高尔夫”双增压”(Twincharger)发动机在双增压器的作用下最大输出功率为125kW，最大扭矩为240Nm。从0至100kmh只需7.9秒。1.4L动力达到2.5L发动机水平，但油耗却降低了20%，平均油耗只有7.2L100km。在1750rpm就发出了最大扭矩240 Nm，并一直到4500rpm。优点是适合全部工况。 TSI发动机的综合优点是：动力损耗小，输出功率相对来说也增大了，可以在小排量的情况下获得较大的扭矩和马力。,41,类似进口1.4TSI发动机是双涡轮增压、机械增压、缸内直喷、分层燃烧技术相结合的整体，即改善了起步加