第十章发动机增压中冷.

汽车构造第十章发动机增压中冷概念：发动机增压中冷：就是将空气预先压缩、再经冷却、然后供入气缸，以提高进气密度、增加充气量的一项技术。增压：将气体预先压缩，增大密度后再送入发动机气缸的过程。增压器：实现进气增压的装置。中冷：将压缩的气体进行冷却，进一步增大密度后再送入发动机气缸的过程。中冷器：实现在发动机进气管与增压器压气机之间降低进气温度装置。发动机增压器分类机械驱动式增压器动能式增压器叶片式螺旋式罗茨式离心式气波式谐波式废气涡轮式二冲程柴油机作扫气装置机械式和废气涡轮式联合增压，称为复合增压系统第一节机械增压一、机械增压原理机械增压是一种通过发动机直接驱动压气机，以提高发动机进气压力的增压方式。机械增压器由曲轴带动齿轮增速器驱动同步齿形带及电磁离合器驱动由曲轴带轮12经传动带和电磁离合器带轮11驱动增压器6工作。空气经增压器增压后再经中冷器7降温，然后进入气缸。当发动机在小负荷下运转时不需要增压，这时电控单元17根据节气门位置传感器3的信号，使电磁离合器断电，增压器停止工作。二、机械增压系统机械离心式增压器罗茨式增压器滑片式增压器螺旋式增压器转子活塞式增压器机械增压器根据压气机的工作原理分为电控汽油喷射式发动机上采用罗茨增压系统的工作原理：1-空气滤清器；2-空气流量计；3-节气门及节气门位置传感器；4-怠速空气控制阀；5-进气旁通阀；6-罗茨增压器；7-中冷器；8-喷油器；9-爆燃传感器；10-冷却液温度传感器；11-电磁离合器带轮；12-曲轴带轮；13-氧传感器；14-三效催化转化器；15-分电器；16-点火线圈；17-电控单元转子的前后端支承在滚子轴承上，滚子轴承和传动齿轮用合成高速齿轮油润滑。在转子轴的前后端装置油封，以防止润滑油漏入压气机壳体内。三、机械增压器在机械增压器当中，罗茨式压气机最广为人知。构成：转子、转子轴、传动齿轮、壳体、后盖和齿轮室罩等在罗茨式压气机中有两个转子发动机曲轴带轮经传动带、电磁离合器带轮和电磁离合器驱动其中的一个转子另一个转子则由传动齿轮带动同步旋转罗茨式压气机的转子有两叶的，也有三叶的。通常两叶转子为直线型，而三叶转子为螺旋型。三叶螺旋型转子有较低的工作噪声和较好的增压器特性。在相互啮合的转子之间以及转子与壳体之间都有很小的间隙，并在转子表面涂敷树脂，以保持转子之间以及转子与壳体间较好的气密性。转子用铝合金制造。罗茨式压气机的工作原理。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。罗茨式压气机结构简单、工作可靠、寿命长，供气量与转速成正比。电磁离合器安装在传动带轮中。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。当接通电源时，电磁线圈通电，主动板吸引从动摩擦片，使离合器处于接合状态，增压器工作。当切断电源时，电磁线圈断电，主动板与从动摩擦片分开，增压器停止转动。四、电磁离合器第四节涡轮增压一、废气涡轮增压原理1-排气管；2-喷嘴环；3-涡轮；4-涡轮壳；5-转子轴；6-轴承；7-扩压器；8-压气机叶轮；9-压气机壳；10-进气管增压气涡轮壳4排气管1相连接，增压器压气机壳9的进气管l0相连接。发动机排出的的废气，经涡轮壳4进入喷嘴环2。由于喷嘴环2的通道面积由大到小，使废气的压力和温度下降，而流速却迅速提高。利用这个高速的废气气流，按一定的方向冲击涡轮3，使涡轮高速旋转。而与涡轮3同轴的压气机叶轮8以相同的速度旋转，将经过空气滤清器过滤的空气，吸入压气机。高速旋转的压气机叶轮8把空气甩向叶轮的边缘，速度增加后进入扩压器7。扩压器7的形状是进口小出口大，因此，经扩压器的气流速度下降而压力升高，再通过截面由小到大的环形压气机壳9，使气流压力进一步提高后，经进气管10进入气缸，从而起到了增压的作用二、废气涡轮增压器的分类1、按废气进入涡轮的气流方向分为轴流式径流式2、增压器按压力升高比可分为低压πκ＜1.4中压πκ＝1.4~2.0高压πκ＞2出口压力与进口压力之比。简称压比。用πκ表示常用3、按对发动机排出废气压力利用的方式可分为恒压式脉冲式4、按废气能量的回收方式又可分为单级涡轮增压双级涡轮增压复合增压串联复合增压并联复合增压1.单涡轮增压涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统。涡轮增压系统除涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀、排气旁通阀和排气旁通阀控制装置等。六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统。其中两个涡轮增压器并列布置在排气管中，按气缸工作顺序把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。因为三个气缸的排气间隔相等，所以增压器转动平稳。另外，把三个气缸分成一组还可防止各缸之间的排气干扰。此系统除包括涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀及排气旁通阀控制装置之外，还有中冷器、谐振室和增压压力传感器等。2.双涡轮增压车用涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成。增压器轴通过两个浮动轴承支承在中间体内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等。三、涡轮增压器的结构及工作原理离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。1.离心式压气机空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高。即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。扩压管分叶片式和无叶式两种。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。无叶式扩压管构造简单，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。蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出口。空气在蜗壳中继续减速增压，完成其由动能向压力能转变的过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造，蜗壳也用铝合金铸造。涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成。发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管。喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击叶轮，并在叶片所形成的流道中继续膨胀作功，推动叶轮旋转。2.径流式涡轮机涡轮机叶轮采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。用陶瓷材料可使涡轮机叶轮的质量大约减小2/3，涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。蜗壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应该光洁，以减少气体流动损失。涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子。转子以超过100000r/min，最高可达200000r/min的转速旋转，因此，转子的平衡是非常重要的。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40Cr或18CrNiWA制造。3.转子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。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。一般内层间隙为0.05mm左右，外层间隙大约为0.1mm。在增压器工作时，轴承在轴与轴承座中间转动。工作特点：高速轻载下，工作可靠、抗震性好、使用寿命长、拆装方便。四、涡轮增压器轴承及其润滑1、浮动轴承浮动轴承整体式分开式增压器的转子间只用一个浮动轴承，其结构简单、零件少、止推轴承大为简化，但工艺要求高，旋转惯性大；增压器的转子内侧的两边各有一个浮动轴承，其尺寸小、旋转惯性小、加工简单，在小型增压器上应用较多。1-推力轴承；2-浮动轴承；3-卡环；4-止推片；5-隔套；6-垫片；7-止推套；8-整体式浮动轴承；9-后止推面；10-前止推面a-整体式浮动轴承；b-分开式径向进油浮动轴承；c-分开式轴向进油浮动轴承；d-多油楔浮动轴承五、增压压力的调节在汽车涡轮增压系统中设置进、排气旁通阀，是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法。排气旁通阀的工作原理。控制膜盒中的膜片将膜盒分为上、下两个室，上室为空气室经连通管与压气机出口相通，下室为膜片弹簧室，膜片弹簧作用在膜片上，膜片通过连动杆与排气旁通阀连接。当压气机出口压力，也就是增压压力低于限定值时，膜片在膜片弹簧的作用下上移，并带动连动杆将排气旁通阀关闭；当增压压力超过限定值时，增压压力克服膜片弹簧力，推动膜片下移，并带动连动杆将排气旁通阀打开，使部分排气不经过涡轮机直接排放到大气中，从而达到控制增压压力及涡轮机转速的目的。在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵。电控单元根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力虽然排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛的应用，但是排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。在大排量重型车用涡轮增压发动机上多采用涡轮机喷管出口截面可变的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在这种涡轮增压器中，通过改变喷管出口截面积来调节增压压力。当发动机低速运行时，缩小喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速增大，涡轮机转速随之升高，增压压力和供气量都相应增加；当发动机高速工作时，增大喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速减小，涡轮机的转速相对降低，这样增压器将不会超速，增压压力也不致于过高。在有叶径流式涡轮机中，可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积。喷管叶片与齿轮相连，齿轮与齿圈啮合，当执行机构往复移动时，齿圈或向左或向右转动，带动与其啮合的齿轮转动，并使喷管叶片随其转动，从而使喷管出口截面积发生改变。对于无叶径流式涡轮机，可以在喷管出口处安装轴向移动的挡板来调节无叶喷管出口截面积。改变涡轮机进口截面积方法。在涡轮机的进口处安装一个可摆动27°角的舌片，可动舌片的转轴固定在涡轮机壳体上，可动舌片的摆动即涡轮机进口截面积的变化由电控单元根据柴油机的转速信号进行控制。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进入增压器，润滑和冷却增压器轴和轴承。然后，机油经中间体上的机油出口返回发动机油底壳，在增压器轴上装有油封，用来防止机油窜入压气机或涡轮机蜗壳内。如果油封损坏，将导致机油消耗量增加和排气冒蓝烟。六、涡轮增压器润滑及冷却及密封由于汽油机增压器的热负荷大，因此在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套，并用软管与发动机的冷却系统相通。冷却液自中间体上的冷却液进口流入中间体内的冷却水套，从冷却液出口流回发动机冷却系统。冷却液在中间体的冷却水套中不断循环，使增压器轴和轴承得到冷却。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。当发动机在大负荷或高转速工作之后，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1min。