第五章 渦輪增壓技術

1、第五章第五章 渦輪增壓技術渦輪增壓技術 第一節(jié)概述第一節(jié)概述 第二節(jié)新奧迪第二節(jié)新奧迪A4 2.0TFSI廢氣渦輪增壓技術廢氣渦輪增壓技術 第三節(jié)寶馬第三節(jié)寶馬N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術發(fā)動機雙渦輪增壓技術 第四節(jié)第四節(jié) 渦輪通流面積控制渦輪通流面積控制 第五節(jié)第五節(jié) 廢氣渦輪增壓電子控制廢氣渦輪增壓電子控制 補、機械增壓系統(tǒng)補、機械增壓系統(tǒng) 1.類型類型2螺旋式增壓器螺旋式增壓器(Screw Superchargers)：這個形式的增壓器是基本：這個形式的增壓器是基本型的派生出來的，而且也長得很像，但它們的吸氣壓縮方式卻截然型的派生出來的，而且也長得很像，但它們的吸氣壓縮方式卻截然不同。當空

2、氣被吸入增壓器時，被螺旋狀葉片強壓入進氣歧管內。不同。當空氣被吸入增壓器時，被螺旋狀葉片強壓入進氣歧管內。 機械增壓器機械增壓器4第一節(jié)概述第一節(jié)概述 一、渦輪增壓技術一、渦輪增壓技術 1.1.渦輪增壓技術的特點渦輪增壓技術的特點 2.2.增壓技術分類增壓技術分類 二、渦輪增壓技術的發(fā)展二、渦輪增壓技術的發(fā)展 1.1.可變增壓渦輪葉片幾何技術（？）可變增壓渦輪葉片幾何技術（？） 2.2.渦輪增壓中冷技術渦輪增壓中冷技術 3.3.雙渦輪增壓技術雙渦輪增壓技術 4.4.渦輪增壓渦輪增壓+ +機械增壓技術機械增壓技術 三、渦輪增壓技術的實際應用三、渦輪增壓技術的實際應用 1.1.薩博薩博SaabSa

3、ab的低渦輪增壓技術的低渦輪增壓技術 從從2020世紀世紀7070年代末開始，薩博年代末開始，薩博SaabSaab的增壓技術一直領先。的增壓技術一直領先。 SaabSaab的動力分流技術和的動力分流技術和Trionic8Trionic8發(fā)動機管理系統(tǒng)。發(fā)動機管理系統(tǒng)。 Trionic8Trionic8發(fā)動機管理系統(tǒng)在低轉速時使渦輪增壓器提前工發(fā)動機管理系統(tǒng)在低轉速時使渦輪增壓器提前工作，同時提前打開節(jié)氣門，以便增壓器迅速進入運行狀態(tài)。作，同時提前打開節(jié)氣門，以便增壓器迅速進入運行狀態(tài)。對來自加速踏板的信號進行獨立編程處理。對來自加速踏板的信號進行獨立編程處理。 其其2.0L2.0L低渦輪增壓發(fā)

4、動機，在轉速低渦輪增壓發(fā)動機，在轉速5300r5300rminmin時輸出時輸出155kw155kw的功率，幾乎相當于的功率，幾乎相當于3.0L3.0L自然吸氣發(fā)動機。自然吸氣發(fā)動機。 2.2.大眾大眾TSITSI渦輪增壓技術渦輪增壓技術 TSITSI發(fā)動機通過電子系統(tǒng)根據不同轉速對廢氣渦輪以及機發(fā)動機通過電子系統(tǒng)根據不同轉速對廢氣渦輪以及機械增壓器介入工作時間進行控制，發(fā)揮這兩種增壓技術的械增壓器介入工作時間進行控制，發(fā)揮這兩種增壓技術的各自優(yōu)勢，最終實現在寬轉速范圍的最大動力輸出。各自優(yōu)勢，最終實現在寬轉速范圍的最大動力輸出。 以國外銷售的大眾以國外銷售的大眾1.4TSI1.4TSI發(fā)動機

5、為例發(fā)動機為例( (國產國產1.4TSI1.4TSI發(fā)動機發(fā)動機取消了機械增壓取消了機械增壓) )，最大功率在，最大功率在6000r/min6000r/min時達到時達到125kW125kW，最大轉矩在最大轉矩在175O-4500r/min175O-4500r/min的范圍內達到的范圍內達到240N240N m m，相當于，相當于一臺一臺2.3L2.3L自然吸氣發(fā)動機的動力輸出。在燃油消耗上，則自然吸氣發(fā)動機的動力輸出。在燃油消耗上，則比比2.3L2.3L自然吸氣發(fā)動機降低自然吸氣發(fā)動機降低20%20%。 具體來說，具體來說， TSITSI的渦輪是根據以下邏輯進行動作的渦輪是根據以下邏輯進行動

6、作的的: : 1)1)在低轉速時，由于廢氣渦輪的遲滯效應，大部分的在低轉速時，由于廢氣渦輪的遲滯效應，大部分的增壓壓力都由機械增壓器產生。發(fā)動機低轉速響應性增壓壓力都由機械增壓器產生。發(fā)動機低轉速響應性更好，廢氣渦輪增壓器的起動更加平順。更好，廢氣渦輪增壓器的起動更加平順。 2)2)當轉速達到當轉速達到1500r/min1500r/min時，兩個增壓器同時產生作用，時，兩個增壓器同時產生作用，總增壓值達到總增壓值達到250kPa250kPa。隨著轉速的提高，廢氣渦輪增。隨著轉速的提高，廢氣渦輪增壓器使發(fā)動機獲得更大的動力，而機械增壓器由于摩壓器使發(fā)動機獲得更大的動力，而機械增壓器由于摩擦的增大

7、，增壓效果逐漸降低。擦的增大，增壓效果逐漸降低。 3)3)當轉速超過當轉速超過35OOr/min35OOr/min時，發(fā)動機管理系統(tǒng)控制電磁時，發(fā)動機管理系統(tǒng)控制電磁離合器分離，使得機械增壓器退出工作，減少摩擦損離合器分離，使得機械增壓器退出工作，減少摩擦損耗。此時，廢氣渦輪增壓器完全提供發(fā)動機的增壓壓耗。此時，廢氣渦輪增壓器完全提供發(fā)動機的增壓壓力。力。第二節(jié)新奧迪第二節(jié)新奧迪A4 2.0TFSI廢氣渦輪廢氣渦輪增壓技術增壓技術 一、新奧迪A42.0TFSI廢氣渦輪增壓技術 新奧迪A42.0TFSI采用的是旁通閥式廢氣渦輪增壓器，在這種新型發(fā)動機上，汽油直噴技術與廢氣渦輪增壓技術相結合，因而

8、發(fā)動機體積很小，但動力性極佳。為了滿足渦輪增壓器提出的更加苛刻的條件，其缸體依然采用鑄鐵材質，這樣能承受更高的缸內燃燒溫度；水冷系統(tǒng)能更好的解決渦輪增壓器的冷卻問題，延長增壓器的正常使用壽命；渦輪增壓器與排氣歧管制成一體，體積更緊湊。轉子的工作轉速高達每分鐘數萬轉至二十多萬轉，需要有轉子的工作轉速高達每分鐘數萬轉至二十多萬轉，需要有單獨的潤滑油供應管路，并為浮動軸承提供油膜支撐。單獨的潤滑油供應管路，并為浮動軸承提供油膜支撐。渦輪增壓器的潤滑：渦輪增壓器的潤滑：首頁返回章返回節(jié) 排氣歧管的結構與點火順序相關，根據各缸的點火順序，相應缸的廢氣到達排氣管道的分離筋處，分離筋可使得廢氣的氣流均勻地作

9、用到渦輪上。分離筋還可阻止廢氣壓力膨脹后進入其他氣缸內。這樣就可保持所需要的渦輪轉速，并可優(yōu)化渦輪增壓器的響應特性。 在發(fā)動機超速運行狀態(tài)時，如果節(jié)氣門關在發(fā)動機超速運行狀態(tài)時，如果節(jié)氣門關閉了，由于存在著增壓壓力，會在壓縮室閉了，由于存在著增壓壓力，會在壓縮室內產生一個背壓。這個背壓會顯著降低壓內產生一個背壓。這個背壓會顯著降低壓縮機轉子的轉速，導致增壓壓力下降。為縮機轉子的轉速，導致增壓壓力下降。為了避免出現這種情況，發(fā)動機控制單元使了避免出現這種情況，發(fā)動機控制單元使渦輪增壓器循環(huán)空氣閥渦輪增壓器循環(huán)空氣閥N249N249工作，該閥打工作，該閥打開一個旁通通道，從而將壓縮空氣經壓縮開一個

10、旁通通道，從而將壓縮空氣經壓縮機轉子再引回到壓縮機循環(huán)的進氣一側，機轉子再引回到壓縮機循環(huán)的進氣一側，這樣就可保持所需要的渦輪轉速。當節(jié)氣這樣就可保持所需要的渦輪轉速。當節(jié)氣門打開時，渦輪增壓器循環(huán)空氣閥門打開時，渦輪增壓器循環(huán)空氣閥N249N249關關閉，又會立即形成增壓壓力。閉，又會立即形成增壓壓力。N249 廢氣旁通控制廢氣旁通控制 裝有廢氣旁同閥的增壓系統(tǒng)主要是為解裝有廢氣旁同閥的增壓系統(tǒng)主要是為解決廢氣渦輪增壓汽車柴油機的低速扭矩決廢氣渦輪增壓汽車柴油機的低速扭矩特性變差的問題，同時又要兼顧低速響特性變差的問題，同時又要兼顧低速響應和高速功率之間的矛盾。應和高速功率之間的矛盾。 旁通

11、閥的開啟或關閉由旁通閥的開啟或關閉由ECUECU根據增壓壓力根據增壓壓力和其他有關信息進行控制。和其他有關信息進行控制。首頁返回章返回節(jié) 輔助水泵輔助水泵V51V51 輔助水泵輔助水泵V51V51在發(fā)動機熱機關閉后還可工作在發(fā)動機熱機關閉后還可工作15min15min，這樣冷卻液就可再循環(huán)一段時間。，這樣冷卻液就可再循環(huán)一段時間。該泵將溫度較低的冷卻液逆著其流動方向該泵將溫度較低的冷卻液逆著其流動方向傳送。于是輔助水泵吸入的冷卻液就從散傳送。于是輔助水泵吸入的冷卻液就從散熱器經渦輪增壓器流到發(fā)動機缸體，然后熱器經渦輪增壓器流到發(fā)動機缸體，然后再流回散熱器，從而消除停滯的熱量。該再流回散熱器，從

12、而消除停滯的熱量。該泵運行時間的長短取決于冷卻液溫度和機泵運行時間的長短取決于冷卻液溫度和機油溫度。油溫度。第三節(jié)寶馬第三節(jié)寶馬N54N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術發(fā)動機雙渦輪增壓技術 一、寶馬一、寶馬N54N54發(fā)動機雙渦輪增壓技術發(fā)動機雙渦輪增壓技術 寶馬寶馬N54N54發(fā)動機增壓器最高轉速可達發(fā)動機增壓器最高轉速可達200000r200000rminmin，廢氣入口溫度高達，廢氣入口溫度高達10501050。因此因此N54N54發(fā)動機的增壓器不僅與發(fā)動機潤滑發(fā)動機的增壓器不僅與發(fā)動機潤滑系統(tǒng)相連，而且還集成在發(fā)動機的冷卻循系統(tǒng)相連，而且還集成在發(fā)動機的冷卻循環(huán)回路內。環(huán)回路內。 N54N54

13、發(fā)動機還裝有電動冷卻液泵，可在發(fā)動發(fā)動機還裝有電動冷卻液泵，可在發(fā)動機熄火后排出增壓器內的余熱，防止軸承機熄火后排出增壓器內的余熱，防止軸承過熱和潤滑油結焦。過熱和潤滑油結焦。1、二、寶馬二、寶馬N54N54發(fā)動機雙渦輪增壓系統(tǒng)的結構與原理發(fā)動機雙渦輪增壓系統(tǒng)的結構與原理 采用帶廢氣旁通閥的渦輪增壓器后，雖采用帶廢氣旁通閥的渦輪增壓器后，雖可采用蝸殼面積比較小的渦輪增壓器，可采用蝸殼面積比較小的渦輪增壓器，但其工作范圍相應也變窄了，要同時兼但其工作范圍相應也變窄了，要同時兼顧低速喘振線和高速阻塞線比較困難，顧低速喘振線和高速阻塞線比較困難，因此不能把渦輪最佳轉速定得太低。因此不能把渦輪最佳轉速

14、定得太低。 故它對車用增壓柴油機低速性能的改善故它對車用增壓柴油機低速性能的改善也是有限的。也是有限的。首頁返回章返回節(jié)第四節(jié)第四節(jié) 渦輪通流面積控制渦輪通流面積控制 此外，高速時的放氣使廢氣利用率降低，此外，高速時的放氣使廢氣利用率降低，造成全負荷時燃油耗率增加，影響高工造成全負荷時燃油耗率增加，影響高工況下的經濟性。況下的經濟性。 所以，盡管帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系所以，盡管帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)是解決廢氣渦輪增壓柴油機低速轉矩統(tǒng)是解決廢氣渦輪增壓柴油機低速轉矩和瞬態(tài)響應性能差的最簡單和成本最低和瞬態(tài)響應性能差的最簡單和成本最低的方案之一，但在大排量重型車用增壓的方案之一，但在大排量重

15、型車用增壓柴油機上應用較少。柴油機上應用較少。 為克服帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)的為克服帶廢氣旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)的缺點，可采取改變渦輪通流面積的措施，缺點，可采取改變渦輪通流面積的措施，即在低工況時縮小渦輪通流面積，而在即在低工況時縮小渦輪通流面積，而在高工況時增大渦輪通流面積。這樣，就高工況時增大渦輪通流面積。這樣，就可在不損害高工況經濟性的前提下，擴可在不損害高工況經濟性的前提下，擴大低燃油耗率的運行區(qū)，增大低速轉矩，大低燃油耗率的運行區(qū)，增大低速轉矩，提高加速性能，降低排放提高加速性能，降低排放( (特別是降低柴特別是降低柴油機的煙度油機的煙度) )和噪聲。和噪聲。首頁返回章返回節(jié) l

16、.l.可變渦輪進口面積可變渦輪進口面積 改變渦輪通流面積的方法有很多，其中改變渦輪通流面積的方法有很多，其中之一是改變渦輪的進口面積。如在蝸殼之一是改變渦輪的進口面積。如在蝸殼中插入一塊可移動的板以改變廢氣的通中插入一塊可移動的板以改變廢氣的通流面積，或將蝸殼中廢氣通道分成幾個流面積，或將蝸殼中廢氣通道分成幾個以改變廢氣的通流面積等。以改變廢氣的通流面積等。首頁返回章返回節(jié) 2.2.可變渦輪噴嘴截面可變渦輪噴嘴截面 在廢氣渦輪增壓汽車柴油機中，比較成熟的改在廢氣渦輪增壓汽車柴油機中，比較成熟的改變渦輪通流面積的方法是采用可變渦輪噴嘴截變渦輪通流面積的方法是采用可變渦輪噴嘴截面，即隨發(fā)動機負荷和

17、轉速的變化，用改變渦面，即隨發(fā)動機負荷和轉速的變化，用改變渦輪噴嘴角度的方法來改變噴嘴有效截面積和葉輪噴嘴角度的方法來改變噴嘴有效截面積和葉輪進氣角。輪進氣角。 柴油機低工況時，噴嘴有效截面積縮小，改善柴油機低工況時，噴嘴有效截面積縮小，改善渦輪對廢氣能量的利用；柴油機高工況時，由渦輪對廢氣能量的利用；柴油機高工況時，由于噴嘴有效截面積增大，可不讓渦輪超速或增于噴嘴有效截面積增大，可不讓渦輪超速或增壓壓力過高。壓壓力過高。 首頁返回章返回節(jié) 在有葉徑流式渦輪增壓器中，可以采用在有葉徑流式渦輪增壓器中，可以采用轉動噴嘴葉片的方法來改變噴嘴有效截轉動噴嘴葉片的方法來改變噴嘴有效截面積和葉輪進氣角。

18、面積和葉輪進氣角。 在無葉徑流式渦輪增壓器中，則可以采在無葉徑流式渦輪增壓器中，則可以采用在噴嘴出口處用滑動擋板來調節(jié)噴嘴用在噴嘴出口處用滑動擋板來調節(jié)噴嘴出口面積。出口面積。首頁返回章返回節(jié)可調葉片式渦輪增壓器調整原理可調葉片式渦輪增壓器調整原理首頁返回章返回節(jié)鏈接第五節(jié)第五節(jié) 廢氣渦輪增壓輔助電子控制廢氣渦輪增壓輔助電子控制 采用渦輪增壓技術后，由于平均有效壓力增加，采用渦輪增壓技術后，由于平均有效壓力增加，發(fā)動機爆震傾向增大，熱負荷偏高。發(fā)動機爆震傾向增大，熱負荷偏高。 為了保證發(fā)動機在不同轉速及工況下都得到最為了保證發(fā)動機在不同轉速及工況下都得到最佳增壓值，防止發(fā)動機爆震和限制熱負荷，

19、對佳增壓值，防止發(fā)動機爆震和限制熱負荷，對渦輪增壓系統(tǒng)增壓壓力必須進行控制。渦輪增壓系統(tǒng)增壓壓力必須進行控制。 目前對增壓壓力的控制方案很多，但總的說來，目前對增壓壓力的控制方案很多，但總的說來，多是采用放氣的方法，即調節(jié)進入動力渦輪室多是采用放氣的方法，即調節(jié)進入動力渦輪室的廢氣。的廢氣。 首頁返回章返回節(jié) 實踐證明，這種方法比較簡單有效。當實踐證明，這種方法比較簡單有效。當需要增加進氣壓力時，排氣歧管排出的需要增加進氣壓力時，排氣歧管排出的廢氣進入渦輪增壓器，經動力渦輪排出；廢氣進入渦輪增壓器，經動力渦輪排出；隨著節(jié)氣門開度增加和發(fā)動機轉速的升隨著節(jié)氣門開度增加和發(fā)動機轉速的升高，動力渦輪

20、的轉速就會加快，與動力高，動力渦輪的轉速就會加快，與動力渦輪同軸的增壓渦輪的轉速也同樣加快，渦輪同軸的增壓渦輪的轉速也同樣加快，致使進氣增壓壓力增大。如果放氣閥門致使進氣增壓壓力增大。如果放氣閥門打開，通過動力渦輪的廢氣數量和氣壓打開，通過動力渦輪的廢氣數量和氣壓就會減小，動力渦輪轉速降低，增壓渦就會減小，動力渦輪轉速降低，增壓渦輪的進氣增壓壓力就會減小。輪的進氣增壓壓力就會減小。 首頁返回章返回節(jié) 由此可見，通過控制放氣閥門，改變廢由此可見，通過控制放氣閥門，改變廢氣通路走向，使廢氣進入動力渦輪室或氣通路走向，使廢氣進入動力渦輪室或者旁路排出，就可以實現增壓壓力的控者旁路排出，就可以實現增壓壓力的控制。通常，放氣閥門由膜片式放氣控制制。通常，放氣閥門由膜片式放氣控制閥控制，而放氣控制閥則由閥控制，而放氣控制閥則由ECUECU通過增壓通過增壓電磁閥進行控制。電磁閥進行控制。首