第三章发动机废气涡轮增压-秋

第三章“小块头，大智慧”——发动机废气涡轮增压EngineExhaust-gasTurboSupercharging推荐阅读资料：汽车之家-《变的是截面详解VGT可变截面涡轮增压器》当传统的自然吸气式发动机已经无法再满足我们追求极致的驾驶推背感和对于车辆动力性能的更高要求时，“发动机增压”这样一个具有革命性和突破性的技术打破了传统发动机在动力性能提升方面的技术壁垒，使采用增压技术的发动机比相同排量的自然吸气式发动机具有更加优异的动力性能。自然吸气发动机（NormallyAspirated）的工作原理就是把汽油和空气的混合气吸入气缸，然后由火花塞点燃，燃烧膨胀的气体推动活塞做功，从而实现发动机运转。但是由于油气混合气的量会受到吸入气缸内空气量的影响，发动机的最大输出功率也会因此受到一定程度的限制。如果发动机的运行已经处于最佳状态，想要再增大输出功率就只能依靠发动机增压技术通过压缩更多的空气进入气缸来增加油气混合气的量，从而达到提高车辆动力性能的目的。主要内容•概述•废气能量的利用（自学）•废气涡轮增压器的基本结构和工作原理•废气涡轮增压的类型•汽油机增压概述•车用增压发动机的性能•带“T”的轿车：排量后面加上一个T如宝来的1.8T，T就是代表着涡轮增压。•一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。根据发动机的有效功率：30nVipPsmee又:SDVs4230SnCm则://22memmeepCiDSnpiDP则提高发动机的单机功率的方法:1、改变发动机结构参数—缸数i，缸径D，冲程S,冲程数2、提高转速n及活塞平均运行速度3、提高平均有效压力增压其中—充量密度。cmmep00mepeP增压是内燃机发展的重要方向。增压的目的是通过将空气预先压缩后供入气缸，增加进气质量，相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。增压就是设法提高进入气缸的充量密度，使进入发动机的新气量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高功率和改善经济性能和排放性能。1000ekeeekekPPPPP•增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比．•发动机增压的衡量指标：•增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比。0ppkk增压的基本类型分涡轮增压、机械增压，又称超级增压、气波增压三种，对应的增压器称涡轮增压器、机械增压器、气波增压器目前又提出了第四种，复合增压，也称之为双增压。而气波增压气波增压由于机构体积庞大，适用范围较。目前已不使用•增压的种类1.按增压比：低增压、中增压、高增压。2.按增压系统的结构形式：机械增压涡轮增压-涡轮增压复合增压-双增压(1)机械增压：发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。这种方式提出最早，但其优点与缺点同样突出。用于小功率发动机。图3-1Supercharger机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴。一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，以曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。根据构造不同，机械增压曾经出现过许多种类型，包括：叶片式(Vane)、鲁兹(Roots)、温克尔(Wankle)等型式。现在较为常见的为前两种。鲁兹增压器有双叶、三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接接触。两转子借由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压。离合器的开合则由计算机控制以达到省油的目的。而叶片式(亦有称为涡流式)的本体就是属于叶片式本体的一种。其运作方式主要是利用三个可根据不同离心力而改变转速的行星齿轮组带动进气叶片。透过齿轮组与叶片轴心的相互磨擦，提高轴心转速并进一步提高进气叶片的速度，以获得持续不断的增压反应。换句话说，就是发动机转速愈高，进气叶片的转速也能跟着提高。“Twin-Screw式”机械增压器工作原理双转子“Roots式”机械增压器工作原理奇瑞瑞虎1.6L装有机械增压奔驰C180K用的1.6升机械增压发动机机械增压系统这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。由发动机曲轴1经齿轮增速器5驱动（图a），或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带9及电磁离合器6驱动。机械增压器由于利用引擎转速来带动机械增压器内部机构。其整体结构简单，工作温度介于70℃-100℃，比起靠废气驱动的涡轮增压器的400℃-900℃的高温工作环境要舒服得多。因此，机械增压系统对于冷却系统、润滑系统的要求与NA引擎基本相同，机件保养程序也大同小异。此外，机械增压优点为体积小，不需修改引擎本体、安装容易，因此在美国的改装界也颇受欢迎。原本为大排气量NA设计的车辆，尤其适合改装。依靠发动机动力带动的机械增压器，会给发动机带来额外的负担。因此，增压器本身的运转阻力必须越小越好，才不会拖累引擎的工作效率，发动机转速提升才能更快。机械增压器的进风量与阻力成正比关系。当使用高增压时，虽然引擎输出的能量大增，但相对增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，这个阻力会使引擎承受极大的负荷，严重影响转速的提升。因此，机械增压必须在增压值与引擎负荷间取得平衡，以避免高增压带来的负面效应。机械增压能有效提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。由于机械增压器与发动机直接机械联系，因此，其变工况的瞬态响应性好，加速性好，尤其是低速时加速性好。但发动机驱动机械增压器要消耗输出功率，因此发动机的燃油经济性较差。一般适用于小型汽油机或与涡轮增压器复合使用。房车赛的赛车在改装时要拆除空调压缩机，而方程式（Formula）赛车，甚至连启动马达、机油泵都改成外部连接，目的都是为了减少对引擎造成的负担。(2)废气涡轮增压：压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。广泛应用于柴油机。图3-2由涡轮机和压气机构成。Turbocharger涡轮增压的原理红色为高温废气，蓝色为新鲜空气涡轮增压器的全称应该是废气涡轮增压器，顾名思义，它是利用发动机排出的废气能量来驱动涡轮，并带动同轴上的压气机叶轮旋转，将空气压缩并送入发动机汽缸。由于废气涡轮增压器与发动机之间没有任何机械传动连接，机械损耗更小。理论上只要汽缸壁足够坚固，只需通过增加涡轮的尺寸和激量，就能将动力提升到十分惊人的程度。将发动机发出的废气引入涡轮机，废气的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。涡轮增压的最大优点是燃油经济性好，并可大幅度降低有害气体的排放和噪声水平。缺点是低速时排气能量低，增压效果差，低速加速性能较差。涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。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相比，可增加大约40%甚至更多。通过不断的技术进步，涡轮增压器的耐高温性能(刚排出汽缸的尾气温度极高)已得到大幅改进，但它仍有个难以完全克服的缺点——涡轮迟滞。压气机叶轮只有在发动机废气排放量到达一定程度后才会被推动，因此动力的响应速度也被拖了后腿。此外，突然爆增的动力输出也经常让驾驶人措手不及。(3)气波增压：利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，著名的气波增压器(Comprex)就是其中之一。图3-5Pressurewavesupercharger气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触，利用高压废气对低压空气产生的压力波，迫使空气压缩，从而提高进气压力。气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大，加速性好等优点。但由于它的特殊结构，气波式增压器同样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。另外，空气压力波对进、排气阻力过于敏感，要求进气滤清器及悱气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。由于存在许多问题，气波式增压器目前仍处于研究试验阶段。(4)复合增压\组合增压：由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。Compositersupercharger在中国有句俗话，叫“好事成双”，相比采用单增压系统的发动机，双增压系统发动机似乎更能表达中国人对于“好事成双”这句话的理解。目前，包括宝马和大众在内的多家汽车厂商都已经在各自旗下的车型上装备了双增压系统发动机、单涡轮双涡管、可变截面涡轮增压几种。。复合式增压器也就是把机械增压器与废气涡轮增压器联合起来工作的增压装罩,主要用于某些二冲程发动机上，借以保证发动机起动和低速负荷时有必要的扫气压办力。复合式增压器还适合于排气背压较高的场合(如水下)，但它的结构过于复杂，体积较大，多用于固定式机器，目前如大众的1.4升增压发动机采用了类似结构。由于涡轮增压系统和机械增压系统分别拥有各自的优势和劣势，因此，由1个涡轮增压器和1个机械增压器共同组成的双增压系统发动机同时具备了涡轮增压系统和机械增压系统的双重技术优势，并且使整合在一起的这两种不同型式的增压系统实现了优势互补。第6代高尔夫1.4LTSI双增压系统汽油直喷发动机大众公司在第6代高尔夫车型上装备的1.4LTSI双增压系统汽油直喷发动机就采用了涡轮增压与机械增压相结合的双增压技术。发动机在较低转速下运行时，由机械增压器提供绝大部分的增压压力，发动机输出功率的增加主要来自于机械增压系统，此时涡轮增压器由于“涡轮迟滞”增压效果并不明显。待发动机转速上升到1500r/min时，涡轮增压器的增压效果开始增强，并与机械增压器共同为发动机功率的增加提供所需的增压压力。随着转速的不断提高，涡轮增压器的增压效果也在不断增强，与此同时，机械增压器的增压效果开始逐渐减弱。当发动机转速超过3500r/min时，由涡轮增压器提供全部的增压压力，发动机输出功率的增加全部来自于涡轮增压系统，此时机械增压器已经停止工作，以防止消耗发动机功率。应该说，双增压系统发动机很好地解决了机械增压系统燃油经济性较差和涡轮增压系统在低转速时容易产生“涡轮迟滞”现象的问题，但是，由于双增压系统结构复杂，不易与发动机匹配，对于发动机零部件的制造要求也较高，因此，目前只在个别车型上实现了应用。双涡轮增压双涡轮增压一般称为Twinturbo或Biturbo,双涡轮增压是涡轮增压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。在双涡轮增压的汽车上会看到2组涡轮通过串联或者并联的方式连接。并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的,它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转扭力丰厚，高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。双涡轮增压，顾名思义，就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。区别于常见的单涡轮增压发动