機(jī)械-渦輪增壓技術(shù)

1、【機(jī)械】渦輪增壓技術(shù)(TURBO)渦輪增壓技術(shù)(TURBO)什么是渦輪增壓渦輪增壓器最早是用于跑車(chē)或方程式賽車(chē)上的，以使發(fā)動(dòng)機(jī)迸發(fā)出更大的功率。 發(fā)動(dòng)機(jī)是靠燃料在汽缸內(nèi)燃燒作功來(lái)產(chǎn)生功率的，輸入的燃料量受到吸入汽缸內(nèi)空氣量的限制，所產(chǎn)生的功率也會(huì)受到限制，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能已處于最佳狀態(tài)，再增加輸出功率只能通過(guò)壓縮更多的空氣進(jìn)入汽缸來(lái)增加燃料量，提高燃燒作功能力。在目前的技術(shù)條件下，渦輪增壓器是惟一能使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機(jī)械裝置。 渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)壓縮空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪

2、又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來(lái)的空氣，使之增壓進(jìn)入汽缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入汽缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率了。但是渦輪增壓器雖然有協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)增力的作用，但也有它的缺點(diǎn)，其中最明顯的是，“滯后響應(yīng)”，即由于葉輪的慣性作用對(duì)油門(mén)驟時(shí)變化反應(yīng)遲緩，即使經(jīng)過(guò)改良后的反應(yīng)時(shí)間也要17秒，使發(fā)動(dòng)機(jī)延遲增加或減少輸出功率。這對(duì)于要突然加速或超車(chē)的汽車(chē)而言，瞬間會(huì)有點(diǎn)提不上勁的感覺(jué)。但是隨著技術(shù)的改進(jìn)，這一缺點(diǎn)正在被逐步克服。 在最近30年時(shí)間里，渦

3、輪增壓器已經(jīng)普及到許多類(lèi)型的汽車(chē)上，它彌補(bǔ)了一些自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的先天不足，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不改變汽缸工作容積的情況下可以提高輸出功率10以上，因此許多汽車(chē)制造公司都采用這種增壓技術(shù)來(lái)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，藉以實(shí)現(xiàn)轎車(chē)的高性能化。 百年渦輪增壓技術(shù)回顧渦輪增壓器100歲了，還在汽車(chē)界扮演著重要的角色，提供著雙重需求：既迎合政府嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足客戶的駕駛樂(lè)趣。 說(shuō)到渦輪增壓器，在我的印象里，也就是近10年才被人們常常提到，哪知道它已經(jīng)100歲了。在1905年，Sulzer Brothers Research and Development 公司的Alfred Buchi博士

4、申請(qǐng)了第一款渦輪增壓器的專(zhuān)利動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的軸向增壓器，1911年在瑞士的Winterthur增壓器廠開(kāi)工，在1915年制造出了原型航空器發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)，主要目的是用來(lái)克服高海拔稀薄空氣對(duì)動(dòng)力的負(fù)面影響。在1919年，通用電氣(GE)制造的增壓器將飛行器升到了一萬(wàn)米高空。當(dāng)時(shí)的人們還沒(méi)有完全認(rèn)識(shí)到增壓器的潛力，直到1938年第一款帶增壓的卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)面市。 汽車(chē)增壓技術(shù)走向成熟 Buchi是渦輪增壓器之父，Garrett將它廣泛推廣。到了1961年，小轎車(chē)才開(kāi)始試探性地安裝增壓器，首先出現(xiàn)在Oldsmobile F85上, 并在1962年上市。使用了增壓技術(shù)的Ol

5、dsmobile Jetfire3.5升V8發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了215馬力，而非增壓的最好成績(jī)只有185馬力。對(duì)于轎車(chē)，20世紀(jì)70年代是渦輪增壓器的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。帶增壓的Porsche911于1975年面市。1977年Saab 99 將渦輪增壓器技術(shù)傳播得更廣泛，使2升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能與3升發(fā)動(dòng)機(jī)相同。接著是奔馳300D Turbo，它的動(dòng)力性能給人留下了很深的印象。1978年別克Regal和Le Sabre運(yùn)動(dòng)款安裝了渦輪增壓器。在20世紀(jì)最后20年中，帶渦輪增壓器的車(chē)型一款款的出現(xiàn)了。渦輪增壓器在賽車(chē)中也起著重要的作用，包括WRC、勒芒24小時(shí)。 渦輪增壓器會(huì)產(chǎn)生更大的扭矩以滿足駕駛樂(lè)趣

6、。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的需求，1989年出現(xiàn)了可變?cè)鰤旱臏u輪增壓器（VNT）。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，渦輪增壓器減小喉口，提高增壓；在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪增壓器喉口增大，保證增壓不會(huì)超出需求。喉口可用真空管控制。優(yōu)點(diǎn)是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的加速性能。今天的渦輪增壓器已經(jīng)變得部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)速更高（高達(dá)280000rpm），空氣壓縮比已經(jīng)達(dá)到2-2.51（汽油機(jī)）和4-61（柴油機(jī)）。 渦輪增壓器工作原理簡(jiǎn)單，但制造工藝要求高。渦輪增壓器就是一個(gè)氣泵，由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器一側(cè)的葉輪，當(dāng)它越轉(zhuǎn)越快時(shí)，另一側(cè)的葉輪也在同步加快，增大了進(jìn)入燃燒室的進(jìn)氣量。就像你所理解的，壓縮

7、后的空氣會(huì)變得很熱，所以在進(jìn)入燃燒室前要進(jìn)行冷卻，就是我們常說(shuō)的中冷。中冷也幫助降低了燃燒室的溫度。 渦輪增壓器的原理很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上它是很復(fù)雜和精密的。不僅需要內(nèi)部配件的嚴(yán)密配合，渦輪增壓器還要和發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)密匹配，否則就會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率甚至造成損壞。 渦輪增壓器帶來(lái)的好處今天，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的越來(lái)越嚴(yán)格，汽車(chē)制造商不僅要滿足環(huán)保要求，同時(shí)又要滿足客戶的需求，保證足夠的駕駛樂(lè)趣。渦輪增壓器正好能滿足降低排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又不會(huì)以失去駕駛樂(lè)趣為代價(jià)。渦輪增壓器能夠提供更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵鰤簳?huì)給燃燒室提供更多的空氣，使燃燒更徹底，排放更干凈。對(duì)于汽油機(jī)，CO2的排放與

8、相同功率的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比要少10-20%。其他好處有：在高海拔地區(qū)也能滿足空氣供給；在冷啟動(dòng)時(shí)使三元催化更快進(jìn)入工作等。 今天在歐洲，渦輪增壓器已經(jīng)占到了50%，在亞洲、美國(guó)也都在增長(zhǎng)。現(xiàn)代渦輪增壓器也改變了人們對(duì)柴油機(jī)的看法，渦輪增壓器已經(jīng)成為提高動(dòng)力性能的主流方向。隨著新的耐高溫材料、新的平衡技術(shù)和微量潤(rùn)滑油軸承系統(tǒng)及全新電子控制的使用，渦輪增壓器對(duì)于21世紀(jì)的汽車(chē)還同樣起著重要的作用。渦輪增壓器的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)渦輪增壓器主要由渦輪機(jī)罩、壓氣面罩及增壓殼等組成。廢氣渦輪增壓就是利用柴油機(jī)排出的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)，來(lái)提高進(jìn)氣壓力增加充氣量。增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力，主

9、要是靠裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)徑流式廢氣渦輪增壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣流經(jīng)渦輪機(jī)的力量，迫使渦輪機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。因渦輪機(jī)葉輪與壓氣機(jī)葉輪同在一根軸上，所以在渦輪機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，也帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪做相應(yīng)的調(diào)整旋轉(zhuǎn)，從而使通過(guò)壓氣機(jī)內(nèi)的空氣速度和壓力增加。又因壓氣機(jī)出氣口是和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣支管相連接的，所以，這些經(jīng)過(guò)增壓后的空氣，也就能順利地進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室以供燃油燃燒。柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓不僅可提高功率，還可減少單位功率質(zhì)量、縮小整機(jī)外形尺寸、降低燃油消耗。1.廢氣渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn) 1.1增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)只有氣體管路連接而無(wú)機(jī)械傳動(dòng)，因此增壓方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要消耗功

10、率。1.2在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)需做重大改動(dòng)，便很容易提高功率20%-50%。1.3由于廢氣渦輪增壓回收了部分能量，故增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性也有明顯提高，再加上相對(duì)減小了機(jī)械損失和散熱損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后燃油溺消耗率可降低5%-10%。1.4渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此裝有廢氣渦輪增壓的汽車(chē)在高原地區(qū)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.廢氣渦輪增壓器在使用中應(yīng)注意一下幾點(diǎn)2.1增壓器的轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速高達(dá)80000-100000r/min，若用一般機(jī)械中的軸承將無(wú)法正常工作。因此，增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承。全浮動(dòng)軸承與轉(zhuǎn)子軸和殼體軸承之

11、間均有間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，具有0.25-0.4Mpa壓力的潤(rùn)滑油充滿這兩個(gè)間隙，使浮動(dòng)軸承在內(nèi)外兩層油膜中隨轉(zhuǎn)子軸同向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速卻比轉(zhuǎn)子軸低得多，從而使軸承相對(duì)軸承孔和轉(zhuǎn)子軸的相對(duì)線速度大幅度下降。由于有雙層油膜，可以雙層冷卻，并產(chǎn)生雙層阻尼。由此可知，浮動(dòng)軸承具有高速輕載下工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)軸承對(duì)潤(rùn)滑油的要求很高。必須注意按規(guī)定牌號(hào)加注潤(rùn)滑油。2.2所用潤(rùn)滑油必須清潔，否則將加速軸承磨損，甚至導(dǎo)致增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化。因此，必須嚴(yán)格按照保養(yǎng)規(guī)定，定期清洗機(jī)油濾清器濾芯。15000km磨合期更換一次機(jī)油和濾芯，以后每10000km更換一次機(jī)油。2.3應(yīng)按保養(yǎng)規(guī)定定期清

12、潔空氣濾清器，每?jī)赡瓯愀鼡Q一次空氣濾清器濾芯或按行駛里程定期更換。使用中應(yīng)經(jīng)常檢查進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的密封性。2.4為確保浮動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘(至少30s)，因?yàn)闄C(jī)油的壓力以及機(jī)油循環(huán)至浮動(dòng)軸承處需要一定時(shí)間，否則浮動(dòng)軸承的潤(rùn)滑條件得不到保障，加劇軸承磨損，甚至發(fā)生卡死故障。停機(jī)時(shí)也同樣如此，逐漸減少負(fù)荷，直至怠速運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘后方可停機(jī)。2.5增壓器在使用了2000-2500h后，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)不解體的狀態(tài)下測(cè)量轉(zhuǎn)子軸的軸向移動(dòng)量。測(cè)量前應(yīng)先將進(jìn)、排氣管從增壓器上拆下，把千分表觸點(diǎn)頂在轉(zhuǎn)子軸上，然后軸向推動(dòng)葉輪進(jìn)行測(cè)量，移動(dòng)量應(yīng)為0.10-0.30mm。若超差則應(yīng)將增壓器

13、拆下檢修，或更換增壓器。2.6增壓器是一個(gè)精密部件，如需要分解，必須嚴(yán)格按說(shuō)明書(shū)操作，盡可能熟悉其結(jié)構(gòu)，不應(yīng)亂拆。增壓器的旋轉(zhuǎn)零件都經(jīng)過(guò)整體平衡試驗(yàn)，分解時(shí)應(yīng)作上記號(hào)，以免裝配時(shí)破壞其原有動(dòng)平衡。2.7分解后裝配的增壓器還需檢查轉(zhuǎn)子軸的軸向移動(dòng)量及徑向間隙。3.廢氣渦輪增壓器常見(jiàn)故障及排除3.1增壓器轉(zhuǎn)子軸卡死引起轉(zhuǎn)子軸卡死的原因有:(1)機(jī)油壓力偏低。(2)增壓器進(jìn)油管接頭松動(dòng)、漏油，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸和襯套缺油卡死。應(yīng)旋緊卡套、管接頭螺套。(3)機(jī)油不清潔堵塞襯套油孔。應(yīng)更換機(jī)油，清潔或更換機(jī)油濾清器。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)突然加速導(dǎo)致機(jī)油來(lái)不及潤(rùn)滑襯套。應(yīng)怠速幾分鐘后加速。(5)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常緊急起動(dòng)和急停機(jī)。在起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，均應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘，然后逐漸增加或減小負(fù)荷。3.2增壓器冒黑煙增壓器冒黑煙往往與潤(rùn)滑有關(guān):(1)轉(zhuǎn)子軸與襯套間隙過(guò)大，滲透機(jī)油。應(yīng)檢修增壓器，更換襯套。(2)增壓器機(jī)油回油管墻塞，機(jī)油進(jìn)入渦輪從排氣管排出。應(yīng)清潔增壓器回油管，必要時(shí)更換橡膠套管。(3)增壓器機(jī)油進(jìn)油管接頭漏油。應(yīng)旋緊接頭，防止?jié)B透。3.