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浅谈 涡轮增压器技术

日期时间:2011-9-6 16:00:58

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     涡轮增压器技术 发动机是靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的,输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制,所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量,提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下,涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。

  构造

  涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器,涡轮室进气口与排气歧管相连,排气口接在排气管上;增压器进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内,二者同轴刚性联接。

  原理

  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,叶轮压送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,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

  技术

  涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上,处在高温,高压和高速运转的工作状况下,其工作环境非常恶劣,工作要求又比较苛刻,因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度最高的是支承涡轮轴运转的“浮式轴承”,它工作转速可达10万转/分以上,加上环境温度可达六、七百度以上,决非一般轴承所能承受,由于轴承与机体内壁间有油液做冷却,又称“全浮式轴承”。

  缺点

  另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用,但也有它的缺点,其中最明显的是,“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。这对于要突然加速或超车的汽车而言,瞬间会有点提不上劲的感觉。

  改进

  但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情,它是利用发动机的废气工作的,这些废气的能量如果不加以利用也会白白地浪费掉。因此,自从涡轮增压器面世以来,人们就经常对它进行技术改造,例如提高加工精度,尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙,以便提高废气能量利用率;采用新型材料陶瓷,利用陶瓷的耐热高,刚度强,重量轻的优点,可以将涡轮增压器做得更加紧凑,体积更少,而且能减少涡轮的“滞后响应”时间。

  在最近30年时间里,涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上,它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足,会发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上,因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率,藉以实现轿车的高性能化。

  图解涡轮增压器

  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,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,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。

  一般的内燃机多采用“自然进气”方式工作,这种方式是利用活塞下行时汽缸内部产生的真空度,借助于外界的大气压力,将混合气压入汽缸。然而,受到各种因素的影响使得汽缸的进气量很难达到 100%,依实测数据,一般汽油机的容积率约在60%-70%之间。即使设计精良的发动机也只能达到80%左右。由于容积率每提高1%,发动机的输出功率约能提高3%,于是人们发明了增压器。

  增压器最初是在柴油机上使用,分活塞式和离心式,*发动机输出的动力来驱动。因为柴油机是喷油点火方式,被压缩的是纯空气,不像汽油机那样是在混合气被压缩过程中经火花塞的高压电火花点燃,所以为了提高功率,柴油机的压缩比已经很高,加上增加器后功率可提高30%~100%。但它要消耗发动机的部分输出功率,这对于汽车、摩托车使用的轻型汽油机来说就有些得不偿失,于是设计师们想到了利用废气来驱动增压器的方法,这就是排气涡轮增压器。

  涡轮增压器由装在同一根增压器轴上的涡轮机叶轮和压气机叶轮组成,增压器轴支承在增压器壳体内的轴承上,涡轮机叶轮和压气机叶轮上都有很多叶片,从汽缸排出的废气直接进入涡轮机,并推动叶轮和增压器轴旋转,因为压气机叶轮固定在增压器轴的另一端,所以压气机叶轮随轴也一起旋转。

  压气机的叶轮安装在进气管道内,当压气机叶轮旋转时,空气被吸入进气管道,经压气机压缩之后送入进气管。大多数增压发动机是气道燃油喷射式发动机,喷入进气道内的燃油与压缩空气混合形成密度较大的空气燃油混合气。由于进入汽缸的混合气量增多,因此发动机功率增加。

  涡轮增压叶轮以超过100 000r/min的高速度旋转,因此叶轮的平衡及轴承润滑是非常重要的。在增压器开始对进气管内的空气加压之前,增压器轴必须达到一定的转速,有些涡轮增压器在发动机转速为1 250r/min时开始压缩空气,而在2 250r/min时达到最大增压压力。

  一、增压压力的控制

  如果涡轮增压器的增压压力不加限制,那么过高的进气管压力及过高的燃烧压力可能使发动机零件损坏,为此很多涡轮增压器都装有放气膜盒。从膜盒到涡轮机壳体上的放气阀用连动杆连接,膜片弹簧压住放气阀使其关闭,进气管内的增压压力作用到放气膜片上。当进气管内的增压压力达到最大安全极限时,增压压力推压放气膜片并打开放气阀,使部分废气不经过涡轮机叶轮,从而限制了涡轮增压器轴的转速及增压压力。在某些发动机上,作用在放气膜片上的增压压力由电脑*纵,通过PCM使电磁线圈通电或断电来控制增压压力。有些电脑按预编程序在突然加速时,允许短时间产生较高的增压压力,以改进发动机的加速性。

  二、涡轮增压器的冷却

  废气流过涡轮机叶轮使增压器的温度升高,尤其是发动机大负荷下工作时,很多涡轮增压器有冷却水管从增压器壳体通到冷却系统,冷却剂在涡轮增压器壳体内循环以冷却轴和轴承。发动机润滑系统的机油从主油道供入增压器轴承及轴,以润滑和冷却轴承,后经增压器壳体返回曲轴箱。在增压器轴上设有油封,用来防止机油窜入压气机或涡轮机叶轮室,如果油封损坏,机油会窜入压气机或压气机叶轮室导致排气冒蓝烟及机油消耗量增加。

  有些涡轮增压器没有连接增压器壳体的冷却水管,而是*机油及空气冷却,当发动机在大负荷或高转速工作后如果立即停机,那机油可能在机油及空气冷却的增压器轴承内燃烧,燃烧所产生的坚硬碳粒会把增压器轴承刮伤,如有冷却剂在增压器壳体内循环,就可降低轴承温度而避免发生这类问题。因此,用机油及空气冷却的涡轮增压器在大负荷或高速工作之后、停机之前,发动机至少要在怠速下运转1min,这样有助于防止增压器轴承损坏。

  三、国外开发应用涡轮增压技术状况

  涡轮增压器用于重载场合虽已多年,但1980年以前一直没有广泛用于汽车上,直到各种耐热材料的出现、涡轮增压器低速加速迟缓及轴承冷却困难的问题逐步解决后才开始用于汽车上。雪佛兰首先在CORVAIA汽车上使用涡轮增压器,后来又在许多赛车中陆续使用,有的使用了2~3个增压器,串联起来增至3个大气压,以达到数倍未增压发动机的功率。日本本田公司率先在CX500摩托车发动机上采用涡轮增压器配以电喷系统控制发动机的供油量,使其最大功率达到 57.33kW(8000r/min),而同等级不用涡轮增压器发动机的功率不过35.28kW,功率提高了62.5%。随后日本铃木公司、雅马哈公司在大排量摩托车发动机上使用涡轮增压器,其发动机最大功率、最高车速均有较大幅度的提高。自从陶瓷材料问世以来,由于其具有坚硬、耐腐、耐热、抗热震、耐高温变、自润滑、在高温工作环境中性能稳定等优点,用它制成“陶瓷发动机”、“陶瓷增压器”,无需冷却系统、润滑系统,体积可缩小40%,质量可减小 20%,寿命可延长100%,日产汽车公司、东京发动机公司等单位相继研制了陶瓷材料,并将其投放汽车市场,收到了良好的效果。

  、我国开发应用涡轮增压器技术状况及前景

  当前,金属涡轮增压器已广泛应用在汽车和国外摩托车上,而陶瓷涡轮增压器及陶瓷发动机代表了当前该技术的重要发展方向。我国一汽、二汽、广西重柴、扬州柴油机等大汽车和柴油机制造公司都已成功开发出了涡轮增压器,而陶瓷材料的研究在我国起步较晚,但陶瓷材料国产汽车发动机已经问世。为了加速在国产摩托车发动机上应用涡轮增压技术的步伐,应首先在大排量摩托车上推广应用金属涡轮增压技术,同时在全国范围内积极开展陶瓷发动机和陶瓷涡轮增压器的开发应用研究,以促进涡轮增压技术尽快应用于国产摩托车上

  随着汽车逐渐普及到人民的生活之中,我们对汽车的要求也在不知不觉之中提高了。不知道从什么时候开始,马路上出现了越来越多的带“T”的轿车,这些轿车为什么都在排量后面加上一个T呢,譬如宝来的1.8T。呵呵,就让笔者告诉大家吧,这个 T就是代表着涡轮增压,也就代表着你可以用1.8L发动机的油耗来获得接近2.4L发动机的动力!天下真的有这样“白吃”的午餐吗?答案是肯定的。下面就请看看我们精心为您准备的《涡轮增压轿车完全接触一:基础扫盲篇》 吧!

 

  经典的BORA 1.8T 涡轮增压发动机

  一、什么是涡轮增压?

  首先我们来弄明白什么事涡轮增压。涡轮增压的英文名字为Turbo,一般来说,如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T,即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了。相信大家都在路上看过不少这样的车型,譬如奥迪A6的1.8T,帕萨特1.8T,宝来1.8T等等。

  涡轮增压套件

  涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲。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。

  不过在经过了增压之后,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。

  二、涡轮增压的原理

  最早的涡轮增压器用于跑车或方程式赛车上的,这样在那些发动机排量受到限制的赛车比赛里面,发动机就能够获得更大的功率。

  红色为高温废气,蓝色为新鲜空气

  众所周知发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的,由于输入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制,因此发动机所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来增加燃料量,从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下,涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。

  我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加发动机的进气量,一般来说,涡轮增压都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来的空气,使之增压进入汽缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,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了。

  大家可能会觉得涡轮增压装置非常复杂,其实并不复杂,涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连,排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上,最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内,二者同轴刚性联接。这样一个整体的涡轮增压装置就做好,你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。

  三、涡轮增压的种类

  1、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。

  2、气波增压系统:利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统增压性能好、加速性好但是整个装置比较笨重,不太适合安装在体积较小的轿车里面。

  3、废气涡轮增压系统: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,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。

  4、复合增压系统:即废气涡轮增压和机械增压并用,这种装置在大功率柴油机上采用比较多,其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小,只是结构太复杂,技术含量高,维修保养不容易,因此很难普及。

  四、涡轮增压发动机的缺点

  诚然,涡轮增压的确能够提升发动机的动力,不过它的缺点也有不少,其中最明显的就是动力输出反应滞后。我们看看前面有关涡轮增压的工作原理就知道了,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,也就是说从你大脚踩油门加大马力,到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差,而且这个时间还不短。一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。如果你要突然加速的话,瞬间会有提不上速度的感觉。

  随着技术的进步,虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行改进,但是由于设计原理问题,因此安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定诧异的。譬如说我们买了1.8T的涡轮增压汽车,在实际的行驶之中,加速肯定不如2.4L的,但是只要度过了那段等待期,1.8T的动力同样会窜上来,因此如果你追求驾驶的感觉的话,涡轮增压引擎并不适合你,如果你是跑高速之类的,涡轮增压才显得特别有用。

  如果你的爱车经常在城市内行驶,那么就真的有必要考虑一下是否需要涡轮增压了,因为涡轮并不是随时都在启动的,事实上在日常行车中,涡轮增压的启动机会很少,甚至不使用,这就给涡轮增压发动机的日常表现带来影响。就拿斯巴鲁(富士)翼豹的涡轮增压来说,它的启动是在3500转左右,最明显的动力输出点则是在4000转左右,这时候会有二次加速的感觉,并一直持续到6000转甚至更高。一般市内驾驶我们的换档实际都只是在2000-3000之间,5挡能够上到3500转估计速度都破120了,也就是说除非你故意停留在低档位,否则不超过120公里的时速涡轮增压根本无法启动。没有涡轮增压的启动,你的1.8T其实也就只不过是一部1.8动力的车而已,2.4的动力只能是你的心理作用了。

  此外涡轮增压还有维护保养方面的问题,就拿宝来的1.8T来说,6万公里左右就要更换涡轮了,虽然次数不算多,毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费,这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。

 

  五、涡轮增压发动机的使用

  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。主要我们要遵循以下的方法:

  1、汽车发动机启动之后,不能急踩加速踏板,应先怠速运转三分钟,这是为了使机油温度升高,流动性能变好,从而使涡轮增压器得到充分润滑,然后才能提高发动机转速,起步行驶,这点在冬天显得尤为重要,至少需要热车5分钟以上。

  2、发动机长时间高速运转后,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,机油润滑会中断,涡轮增压器内部的热量也无法被机油带走,这时增压器涡轮部分的高温会传到中间,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。这样就会造成涡轮增压器转轴与轴套之间“咬死”而损坏轴承和轴。此外发动机突然熄火后,此时排气歧管的温度很高,其热量就会被吸收到涡轮增压器壳体上,将停留在增压器内部的机油熬成积炭。当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口,导致轴套缺油,加速涡轮转轴与轴套之间的磨损。因此发动机熄火前应怠速运转三分钟作用,使涡轮增压器转子转速下降。此外值得注意的就是涡轮增压发动机同样不适宜长时间怠速运转,一般应该保持在10分钟之内。

  3、选择机油的时候一定要注意。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,建立润滑油膜块,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机油、半合成机油等高品质润滑油。

  4、发动机机油和滤清器必须保持清洁,防止杂质进入,因为涡轮增压器的转轴与轴套之间配合间隙很小,如果机油润滑能力下降,就会造成涡轮增压器的过早报废。

  5、需要按时清洁空气滤清器,防止灰尘等杂质进入高速旋转的压气叶轮,造成转速不稳或轴套和密封件加剧磨损。

  6、需要经常检查涡轮增压器的密封环是否蜜蜂。因为如果密封环没有密封住,那么废气会通过密封环进入发动机润滑系统,将机油变脏,并使曲轴箱压力迅速升高,此外发动机低速运转时机油也会通过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧,从而造成机油的过度消耗产生“烧机油”的情况。

  7、涡轮增压器要经常检查有没有异响或者不寻常的震动,润滑油管和接头有没有渗漏。

  8、涡轮增压器转子轴承精密度很高,维修及安装时的工作环境要求很严格,因此当增压器出现故障或损坏时应到指定的维修站进行维修,而不是到普通的修理店。