汽車渦輪增壓器構(gòu)造與原理-2012

1、汽車渦輪增壓器構(gòu)造與原理主講：張 虹2012，11車用渦輪增壓技術(shù)概述 車用渦輪增壓器增壓的原理 車用渦輪增壓的目的和作用 車用渦輪增壓發(fā)展概況 汽車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例 汽車技術(shù)發(fā)展：節(jié)能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性降低排放新能源、新材料的應(yīng)用純電動(dòng)、燃料電池、混合動(dòng)力汽車、替代燃料汽車等系列化、模塊化、輕量化、小型化、電子化汽車增壓技術(shù)發(fā)展背景發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)面臨低污染、低碳化、高品質(zhì)的挑戰(zhàn)汽油機(jī)：采用提高壓縮比、多氣門和可變配氣系統(tǒng)、增壓技術(shù)、空燃比傳感器/氧傳感器、直接噴射、稀混合氣分層燃燒、EGR等技術(shù)，配合三元催化劑等排氣后處理技術(shù)柴油機(jī)：采用輕質(zhì)材料、超高壓噴油、高增壓、智能EGR

2、、多氣門甲醇、乙醇、CNG、LPG、H2等代用燃料在內(nèi)燃機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步發(fā)展汽車增壓技術(shù)發(fā)展背景渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展：提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、減輕單位功率質(zhì)量、減小外形尺寸、降低燃油消耗和強(qiáng)化現(xiàn)有非增壓柴油機(jī)的最有效的措施之一。渦輪增壓中冷技術(shù)既是減少柴油機(jī)排放的有效措施。促進(jìn)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要因素是排放、功率密度、性能、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性，因此在轎車柴油機(jī)和汽油機(jī)上也越來越多地采用渦輪增壓技術(shù)。汽車增壓技術(shù)發(fā)展背景發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的原理發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理回顧基本工作原理及其同空氣增壓系統(tǒng)的關(guān)系：發(fā)動(dòng)機(jī)是一種耗氣機(jī)械，因?yàn)槿加托枰c空氣混合才能完成燃燒沖程。一旦空燃比達(dá)到某一值后，再增加燃油，除了將黑煙和未

3、燃盡的燃油排到大氣中外，不會(huì)產(chǎn)生更多功率，發(fā)動(dòng)機(jī)供油越多，黑煙就越濃。超過空燃比極限后，單純?cè)黾庸┯土恐粫?huì)造成燃油消耗量過多、大氣污染、廢氣溫度升高，并使發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短。增加空氣量的能力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說是多么重要。 所謂增壓，就是借助于裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的專用增壓裝置，預(yù)先壓縮進(jìn)入氣缸的空氣，以提高進(jìn)入氣缸中的充氣密度。增壓的作用十分明顯，在氣缸容積一定的情況下，充氣密度大，新鮮空氣的絕對(duì)量大，就可以噴入較多的燃料進(jìn)行燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)就能發(fā)出更大的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓原理發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的原理發(fā)動(dòng)機(jī)增壓方式：機(jī)械增壓 ：利用機(jī)械傳動(dòng)的增壓器進(jìn)行增壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速性好，發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失小，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗高，多用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。廢

4、氣渦輪增壓 ：利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管排出的廢氣，經(jīng)過渦輪增壓器的渦輪膨脹產(chǎn)生能量帶動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)，并通過壓氣機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能，重新將壓縮的氣體進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的過程。氣波增壓：利用氣體的壓縮波和膨脹波來傳遞能量的一種新型能量交換器。 復(fù)合增壓：同時(shí)采用兩種形式的增壓方式廢氣渦輪增壓原理渦輪增壓器是一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的剩余能量來工作的空氣泵。廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪葉輪總成，它與壓氣機(jī)葉輪相連接，當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大量的壓縮空氣被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室里。由于增加了壓縮空氣的數(shù)量，就可以使更多的燃油噴入到發(fā)動(dòng)機(jī)里去，使發(fā)動(dòng)機(jī)在尺寸不變的條件下而產(chǎn)生更多的功率。 廢氣渦輪增壓原理圖廢氣渦輪增壓器原理圖廢氣渦輪

5、增壓器結(jié)構(gòu)圖渦輪系統(tǒng)壓氣機(jī)系統(tǒng)中間體（軸承體）轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)潤滑與冷卻系統(tǒng)密封與隔熱系統(tǒng)其他緊固小零件渦輪增壓器總體結(jié)構(gòu) 渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)第一講：渦輪增壓器概述 渦輪增壓器增壓的原理 車用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例 強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力Pe發(fā)動(dòng)機(jī)升功率Nl：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度增加，進(jìn)入氣缸的空氣增多，所以允許噴入較多的燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較多的功率并具有較高的燃燒效率。增壓后的功率可比原機(jī)提高6080%甚至更多，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力可達(dá)到3Mpa 改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性：增壓后增加熱效率，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)

6、濟(jì)性大幅度增加。 車用渦輪增壓目的降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染及噪音采用渦輪增壓可使燃燒更充分，CO，HC及PM的排放降低，采用中冷可降低NOx排放。發(fā)動(dòng)機(jī)體積小，發(fā)射噪聲的表面積小，渦輪的消聲作用。高原或高溫地帶恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著海拔高度的增加，其功率將下降。渦輪增壓器可使非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高原上工作時(shí)得到氧氣補(bǔ)償，在高原地區(qū)工作時(shí)比不增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降要少得多。渦輪增壓器的自我補(bǔ)償功能，對(duì)海拔高度變化有較高的適應(yīng)能力車用渦輪增壓目的提高柴油機(jī)功率、減輕單位功率質(zhì)量、減小外形尺寸、降低燃油消耗和強(qiáng)化現(xiàn)有非增壓柴油機(jī)的最有效的措施之一。渦輪增壓中冷技術(shù)既是減少柴油機(jī)排放的有效措施。促進(jìn)

7、轎車柴油機(jī)發(fā)展的主要因素是排放、功率密度、性能、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性，因此在轎車柴油機(jī)和汽油機(jī)上也越來越多地采用渦輪增壓技術(shù)。熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷都有所提高，應(yīng)采取相應(yīng)措施。 車用增壓特點(diǎn)第一講：渦輪增壓器概述 渦輪增壓器增壓的原理 車用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例 渦輪增壓的發(fā)展歷史1885年戴母勒提出增壓概念1905年波希申請(qǐng)并獲得專利，在臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)增壓，首先用于航空和船舶40年代出現(xiàn)小型徑流渦輪增壓器-開始用于車輛70年代浮動(dòng)軸承的出現(xiàn)和汽油機(jī)增壓的突破-大量應(yīng)用于汽車80年代出現(xiàn)可變幾何截面渦輪增壓器90年代后期可調(diào)二級(jí)增壓 增壓技術(shù)發(fā)展概況渦輪增壓的發(fā)展現(xiàn)

8、狀轉(zhuǎn)速一般為 十幾萬轉(zhuǎn)/分，最高可達(dá)三十萬轉(zhuǎn)/分壓氣機(jī) 單級(jí)壓比達(dá) 3.5 4 ,最高達(dá) 5,絕熱效率達(dá) 0.780.80渦輪絕熱效率可達(dá) 80% 以上整機(jī)效率可達(dá) 60% 以上汽油機(jī)增壓技術(shù)在國外普遍應(yīng)用可變幾何截面渦輪增壓器的應(yīng)用混流渦輪技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用滾動(dòng)軸承技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用大、中功率柴油機(jī)在發(fā)達(dá)國家（我國）幾乎全部實(shí)現(xiàn)增壓 增壓技術(shù)發(fā)展概況渦輪增壓的發(fā)展方向增壓器向更高壓比、高效率、高可靠性、使用流量范圍寬廣的方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕并且造價(jià)低廉；更好地適應(yīng)各種車用動(dòng)力在不同工況下的性能要求。新技術(shù)包括：轎車汽油機(jī)增壓技術(shù)、可變噴嘴渦輪VNT、鐵鋁合金、滾動(dòng)軸承、可擦涂層、混

9、流式渦輪、電子控制執(zhí)行器總成、電控渦輪復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)等。 增壓技術(shù)發(fā)展概況大眾汽車公司推出的3升路波TDI轎車柴油機(jī)，采用了渦輪增壓、進(jìn)氣中冷、直接噴射、泵噴嘴、可變噴嘴渦輪等先進(jìn)技術(shù)，燃油經(jīng)濟(jì)性可以達(dá)到100km燃油消耗2.99L；該車還采用了初級(jí)催化、主催化和廢氣再循環(huán)等技術(shù)，其排放指標(biāo)可以達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)； 可變渦輪增壓器（VNT）電子控制執(zhí)行器總成混流渦輪五軸加工壓氣機(jī)葉輪渦輪增壓的國內(nèi)企業(yè)：國有企業(yè)：湖南天雁機(jī)械廠（衡陽）、沈陽黎明公司增壓器廠合資企業(yè)：無錫英國Holset、上海日本三菱、寧波天力、山東富源獨(dú)資企業(yè)：美國Honeywell（上海）、德國Borgwarner私營企業(yè)：山東壽光

10、為代表無錫“板塊”和鳳城“板塊”國內(nèi)廠家自主研發(fā)產(chǎn)品少，大多為引進(jìn)或仿制品 增壓技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀渦輪增壓的科研單位：北京理工大學(xué)，山東大學(xué)，上海交通大學(xué)、哈工程、同濟(jì)大學(xué)等，還有吉林大學(xué)、天津大學(xué)七零研究所，上海內(nèi)燃機(jī)研究所等北京理工大學(xué)渦輪增壓實(shí)驗(yàn)室50年代起自行研制軍用渦輪增壓器開始最早掌握并應(yīng)用高性能渦輪增壓器的設(shè)計(jì)技術(shù)研制混流渦輪和可變幾何截面渦輪等專利產(chǎn)品，渦輪增壓器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，葉輪模具設(shè)計(jì)與制造等。研究方向：設(shè)計(jì)、計(jì)算、氣動(dòng)、強(qiáng)度、匹配、試驗(yàn) 增壓技術(shù)發(fā)展概況第一講：渦輪增壓器概述 渦輪增壓器增壓的原理 車用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例 車用渦輪增壓器應(yīng)

11、用實(shí)例裝備在大眾Golf GT上的1.4升雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)：隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展增壓技術(shù)也在不斷進(jìn)步傳統(tǒng)的渦輪增壓和機(jī)械增壓都存在著不如人意的地方，把兩種技術(shù)結(jié)合在一起不失為一種解決方法 車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例機(jī)械增壓器（Supercharger） ：由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)，像發(fā)動(dòng)機(jī)的附件轉(zhuǎn)向助力泵一樣安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，將壓縮空氣輸送到進(jìn)氣歧管。機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)簡單，工作溫度介于70度-100度，不需特殊冷卻系統(tǒng)，機(jī)件維護(hù)簡單。不過增壓值會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低，當(dāng)達(dá)到某一界限時(shí)，由于本身的阻力增壓器反而會(huì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升。因此，目前歐洲生產(chǎn)的機(jī)械增壓系統(tǒng)多半采取低增壓。優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)

12、子的速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是相對(duì)應(yīng)的，沒有滯后，動(dòng)力輸出流暢，成本低。缺點(diǎn)是要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，機(jī)械增壓容易產(chǎn)生噪音。 機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)圖 車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例渦輪增壓（Turbocharger）利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)增壓器，利用空氣中間冷卻器來給高溫壓縮空氣進(jìn)行冷卻。優(yōu)點(diǎn)是增壓效率高于機(jī)械增壓，缺點(diǎn)是受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)效果不明顯，待發(fā)動(dòng)機(jī)提升到一定轉(zhuǎn)速時(shí)才會(huì)有出色表現(xiàn)。渦輪遲滯也是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的最大難題。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器沒有介入，同時(shí)廢氣仍然要驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，排氣沒有自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)順暢，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭力輸出要比同等排量的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)還要弱。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高.例如突破300

13、0轉(zhuǎn)以后，渦輪增壓器突然介入，這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生的動(dòng)力將陡增。這種動(dòng)力的突然增加影響了動(dòng)力輸出的平順性。盡管渦輪增壓能給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來更強(qiáng)的動(dòng)力輸出，但是作為一臺(tái)民用汽車，流暢的動(dòng)力輸出是非常重要的，而渦輪遲滯會(huì)給駕駛舒適性帶來一定影響。 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例雙增壓技術(shù)（Twincharger）機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時(shí)則力不從心。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師們于是就設(shè)想把機(jī)械增壓和渦輪增壓結(jié)合在一起，來解決兩種技術(shù)各自的不足，同時(shí)解決低速扭矩和高速功率輸出的問題。 機(jī)械增壓與渦輪增壓相組合的進(jìn)氣系統(tǒng) 車用渦

14、輪增壓器應(yīng)用實(shí)例2005年，大眾開始將這套技術(shù)裝配到量產(chǎn)的民用車型高爾夫1.4 TSI(Turbocharging,Supercharging,Injection)低轉(zhuǎn)速時(shí)，由機(jī)械增壓提供大部分的增壓壓力，在1 500rpm時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)提供增壓壓力，其總增壓值達(dá)到2.5bar(如果渦輪增壓器單獨(dú)工作，只能產(chǎn)生1.3bar的增壓壓力)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率，與此同時(shí)，機(jī)械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機(jī)械增壓通過電磁離合器控制，它與水泵集合在一起。在轉(zhuǎn)速超過3500rpm時(shí)，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時(shí)機(jī)械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動(dòng)機(jī)分離，防止消

15、耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。 1.4升雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖片 車用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例1.4升的高爾夫”雙增壓”(Twincharger)發(fā)動(dòng)機(jī)在雙增壓器的作用下最大輸出功率為125kW，最大扭矩為240Nm。從0至100kmh只需7.9秒。1.4L動(dòng)力達(dá)到2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)水平，但油耗卻降低了20%，平均油耗只有7.2L100km。在1750rpm就發(fā)出了最大扭矩240 Nm，并一直到4500rpm。優(yōu)點(diǎn)是適合全部工況。 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)力損耗小，輸出功率相對(duì)來說也增大了，可以在小排量的情況下獲得較大的扭矩和馬力。類似進(jìn)口1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)是雙渦輪增壓、機(jī)械增壓、缸內(nèi)直噴、分層燃燒技術(shù)相結(jié)合的整體，即改善了起步加速