汽車(chē)渦輪增壓器構(gòu)造和原理PPT課件.ppt

1、汽車(chē)渦輪增壓器構(gòu)造與原理,主講：張 虹 2012，11,1,車(chē)用渦輪增壓技術(shù)概述,車(chē)用渦輪增壓器增壓的原理 車(chē)用渦輪增壓的目的和作用 車(chē)用渦輪增壓發(fā)展概況 汽車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,2,汽車(chē)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(chē)、替代燃料汽車(chē)等 系列化、模塊化、輕量化、小型化、電子化,汽車(chē)增壓技術(shù)發(fā)展背景,3,發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展： 汽車(chē)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(mén)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)

2、材料、超高壓噴油、高增壓、智能EGR、多氣門(mén) 甲醇、乙醇、CNG、LPG、H2等代用燃料在內(nèi)燃機(jī)上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步發(fā)展,汽車(chē)增壓技術(shù)發(fā)展背景,4,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(chē)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(chē)柴油機(jī)和汽油機(jī)上也越來(lái)越多地采用渦輪增壓技術(shù)。,汽車(chē)增壓技術(shù)發(fā)展背景,5,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

3、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(guò)空燃比極限后，單純?cè)黾庸┯土恐粫?huì)造成燃油消耗量過(guò)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(lái)說(shuō)是多么重要。,6,所謂增壓，就是借助于裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的專(zhuān)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,7,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

4、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)。 廢氣渦輪增壓 ：利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管排出的廢氣，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)程。 氣波增壓：利用氣體的壓縮波和膨脹波來(lái)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,8,9,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(lái)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

5、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。,10,廢氣渦輪增壓原理圖,11,廢氣渦輪增壓器原理圖,12,廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖,13,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(rùn)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),14,渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng),15,第一講：渦輪增壓器概述,渦輪增壓器增壓的原理 車(chē)用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,16,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

6、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)濟(jì)性大幅度增加。,車(chē)用渦輪增壓目的,17,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

7、較高的適應(yīng)能力,車(chē)用渦輪增壓目的,18,19,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)轎車(chē)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(chē)柴油機(jī)和汽油機(jī)上也越來(lái)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(chē)用增壓特點(diǎn),20,21,第一講：渦輪增壓器概述,渦輪增壓器增壓的原理 車(chē)用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,22,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(zhuān)利，

8、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(kāi)始用于車(chē)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(chē) 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,23,渦輪增壓的發(fā)展現(xiàn)狀 轉(zhuǎn)速一般為 十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，最高可達(dá)三十萬(wàn)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(guó)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用 滾動(dòng)軸承技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用 大、中功率柴油機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家（我國(guó)）幾乎全部實(shí)現(xiàn)增壓,增壓

9、技術(shù)發(fā)展概況,24,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(jiǎn)單、體積小、重量輕并且造價(jià)低廉； 更好地適應(yīng)各種車(chē)用動(dòng)力在不同工況下的性能要求。 新技術(shù)包括：轎車(chē)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,25,大眾汽車(chē)公司推出的3升路波TDI轎車(chē)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(chē)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)；,26

10、,可變渦輪增壓器（VNT）,電子控制執(zhí)行器總成,27,混流渦輪,五軸加工壓氣機(jī)葉輪,28,渦輪增壓的國(guó)內(nèi)企業(yè)： 國(guó)有企業(yè)： 湖南天雁機(jī)械廠（衡陽(yáng)）、沈陽(yáng)黎明公司增壓器廠 合資企業(yè)： 無(wú)錫英國(guó)Holset、上海日本三菱、寧波天力、山東富源 獨(dú)資企業(yè)： 美國(guó)Honeywell（上海）、德國(guó)Borgwarner 私營(yíng)企業(yè)： 山東壽光為代表 無(wú)錫“板塊”和鳳城“板塊” 國(guó)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(guó)內(nèi)現(xiàn)狀,29,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

11、年代起自行研制軍用渦輪增壓器開(kāi)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(zhuān)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,30,第一講：渦輪增壓器概述,渦輪增壓器增壓的原理 車(chē)用渦輪增壓的目的和作用 渦輪增壓發(fā)展概況 汽車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,31,車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)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,32,車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,機(jī)械增壓器（

12、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(jiǎn)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(jiǎn)單。不過(guò)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)子的速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是相對(duì)應(yīng)的，沒(méi)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。,33,機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)圖,34,車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,渦輪增壓（Turbocharger） 利用發(fā)

13、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(lái)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(méi)有介入，同時(shí)廢氣仍然要驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，排氣沒(méi)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3000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(lái)更強(qiáng)的動(dòng)力輸出，但是作為一臺(tái)民用汽車(chē)，流暢的動(dòng)力輸出是非常重要的

14、，而渦輪遲滯會(huì)給駕駛舒適性帶來(lái)一定影響。,35,廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖,36,車(chē)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(lái)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(wèn)題。,37,機(jī)械增壓與渦輪增壓相組合的進(jìn)氣系統(tǒng),38,車(chē)用渦輪增壓器應(yīng)用實(shí)例,2005年，大眾開(kāi)始將這套技術(shù)裝配到量產(chǎn)的民用車(chē)型高爾夫1.4 TSI(Turbocharging,Supercharging,Inject

15、ion) 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(guò)電磁離合器控制，它與水泵集合在一起。 在轉(zhuǎn)速超過(guò)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，防止消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。,39,1.4升雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖片,40,車(chē)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(lái)說(shuō)也增大了，可以在小排量的情況下獲得較大的扭矩和馬力。,41,類(lèi)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