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九(3)、渦輪增壓

   2011-03-30 12200

第三節(jié) 渦輪增壓

一、渦輪增壓系統(tǒng)

1. 單渦輪增壓

渦輪增壓系統(tǒng)分為單渦輪增壓系統(tǒng)和雙渦輪增壓系統(tǒng)。只有一個(gè)渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)為單渦輪增壓系統(tǒng)。渦輪增壓系統(tǒng)除渦輪增壓器之外,還包括進(jìn)氣旁通閥、排氣旁通閥和排氣旁通閥控制裝置等。

2. 雙渦輪增壓

六缸汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)的雙渦輪增壓系統(tǒng)。其中兩個(gè)渦輪增壓器并列布置在排氣管中,按氣缸工作順序把1、2、3缸作為一組,4、5、6缸作為另一組,每組三個(gè)氣缸的排氣驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪增壓器。因?yàn)槿齻€(gè)氣缸的排氣間隔相等,所以增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。另外,把三個(gè)氣缸分成一組還可防止各缸之間的排氣干擾。此系統(tǒng)除包括渦輪增壓器、進(jìn)氣旁通閥、排氣旁通閥及排氣旁通閥控制裝置之外,還有中冷器、諧振室和增壓壓力傳感器等。

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第三節(jié) 渦輪增壓

二、 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理

車用渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)及中間體三部分組成。增壓器軸通過兩個(gè)浮動(dòng)軸承支承在中間體內(nèi)。中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道,還有防止機(jī)油漏入壓氣機(jī)或渦輪機(jī)中的密封裝置等。

1.離心式壓氣機(jī)

離心式壓氣機(jī)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)葉輪、無葉式擴(kuò)壓管及壓氣機(jī)蝸殼等組成。葉輪包括葉片和輪轂,并由增壓器軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪,并在離心力的作用下沿著壓氣機(jī)葉片之間形成的流道,從葉輪中心流向葉輪的周邊??諝鈴男D(zhuǎn)的葉輪獲得能量,使其流速、壓力和溫度均有較大的增高,然后進(jìn)入葉片式擴(kuò)壓管。擴(kuò)壓管為漸擴(kuò)形流道,空氣流過擴(kuò)壓管時(shí)減速增壓,溫度也有所升高。即在擴(kuò)壓管中,空氣所具有的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋?/p>

擴(kuò)壓管分葉片式和無葉式兩種。無葉式擴(kuò)壓管實(shí)際上是由蝸殼和中間體側(cè)壁所形成的環(huán)形空間。無葉式擴(kuò)壓管構(gòu)造簡(jiǎn)單,工況變化對(duì)壓氣機(jī)效率的影響很小,適于車用增壓器。葉片式擴(kuò)壓管是由相鄰葉片構(gòu)成的流道,其擴(kuò)壓比大,效率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工況變化對(duì)壓氣機(jī)效率有較大的影響。蝸殼的作用是收集從擴(kuò)壓管流出的空氣,并將其引向壓氣機(jī)出口??諝庠谖仛ぶ欣^續(xù)減速增壓,完成其由動(dòng)能向壓力能轉(zhuǎn)變的過程。壓氣機(jī)葉輪由鋁合金精密鑄造,蝸殼也用鋁合金鑄造。

2.徑流式渦輪機(jī)

渦輪機(jī)是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的裝置。徑流式渦輪機(jī)由蝸殼、噴管、葉輪和出氣道等組成。蝸殼4的進(jìn)口與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管相連,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)蝸殼引導(dǎo)進(jìn)入葉片式噴管。噴管是由相鄰葉片構(gòu)成的漸縮形流道。排氣流過噴管時(shí)降壓、降溫、增速、膨脹,使排氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。由噴管流出的高速氣流沖擊葉輪,并在葉片所形成的流道中繼續(xù)膨脹作功,推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)葉輪經(jīng)常在900℃高溫的排氣沖擊下工作,并承受巨大的離心力作用,所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造。用質(zhì)量輕并且耐熱的陶瓷材料可使渦輪機(jī)葉輪的質(zhì)量大約減小2/3,渦輪增壓加速滯后的問題也在很大程度上得到改善。噴管葉片用耐熱和抗腐蝕的合金鋼鑄造或機(jī)械加工成形。蝸殼用耐熱合金鑄鐵鑄造,內(nèi)表面應(yīng)該光潔,以減少氣體流動(dòng)損失。

3.轉(zhuǎn)子

渦輪機(jī)葉輪、壓氣機(jī)葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上,構(gòu)成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子以超過100000r/min,最高可達(dá)200000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),因此,轉(zhuǎn)子的平衡是非常重要的。增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力,一般用韌性好、強(qiáng)度高的合金鋼40Cr或18CrNiWA制造。

4.增壓器軸承

增壓器軸承的結(jié)構(gòu)是車用渦輪增壓器可靠性的關(guān)鍵之一?,F(xiàn)代車用渦輪增壓器都采用浮動(dòng)軸承。浮動(dòng)軸承實(shí)際上是套在軸上的圓環(huán)。圓環(huán)與軸以及圓環(huán)與軸承座之間都有間隙,形成雙層油膜。圓環(huán)浮在軸與軸承座之間。一般內(nèi)層間隙為0.05mm左右,外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約3~4.5mm,用錫鉛青銅合金制造,軸承表面鍍一層厚度約為0.005~0.008mm的鉛錫合金或金屬銦。在增壓器工作時(shí),軸承在軸與軸承座中間轉(zhuǎn)動(dòng)。

增壓器工作時(shí)產(chǎn)生軸向推力,由設(shè)置在壓氣機(jī)一側(cè)的推力軸承承受。為了減少摩擦,在整體式推力軸承兩端的止推面上各加工有四個(gè)布油槽;在軸承上還加工有進(jìn)油孔,以保證止推面的潤滑和冷卻。

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第三節(jié) 渦輪增壓

三、增壓壓力的調(diào)節(jié)

在汽車渦輪增壓系統(tǒng)中設(shè)置進(jìn)、排氣旁通閥,是調(diào)節(jié)增壓壓力最簡(jiǎn)單、成本最低而又十分有效的方法。排氣旁通閥的工作原理??刂颇ず兄械哪て瑢⒛ず蟹譃樯稀⑾聝蓚€(gè)室,上室為空氣室經(jīng)連通管與壓氣機(jī)出口相通,下室為膜片彈簧室,膜片彈簧作用在膜片上,膜片通過連動(dòng)桿與排氣旁通閥連接。當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力,也就是增壓壓力低于限定值時(shí),膜片在膜片彈簧的作用下上移,并帶動(dòng)連動(dòng)桿將排氣旁通閥關(guān)閉;當(dāng)增壓壓力超過限定值時(shí),增壓壓力克服膜片彈簧力,推動(dòng)膜片下移,并帶動(dòng)連動(dòng)桿將排氣旁通閥打開,使部分排氣不經(jīng)過渦輪機(jī)直接排放到大氣中,從而達(dá)到控制增壓壓力及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
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在有些發(fā)動(dòng)機(jī)上,排氣旁通閥的開閉由電控單元控制的電磁閥操縱。電控單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況,由預(yù)存的增壓壓力脈譜圖確定目標(biāo)增壓壓力,并與增壓壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際增壓壓力進(jìn)行比較,然后根據(jù)其差值來改變控制電磁閥開閉的脈沖信號(hào)占空比,以此改變電磁閥的開啟時(shí)間,進(jìn)而改變排氣旁通閥的開度,控制排氣旁通量,借以精確地調(diào)節(jié)增壓壓力雖然排氣旁通閥在渦輪增壓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用,但是排氣旁通之后,排氣能量的利用率下降,致使在高速大負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性變差。

在大排量重型車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上多采用渦輪機(jī)噴管出口截面可變的渦輪增壓器,簡(jiǎn)稱變截面渦輪增壓器。在這種渦輪增壓器中,通過改變噴管出口截面積來調(diào)節(jié)增壓壓力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí),縮小噴管出口截面積,使噴管出口的排氣流速增大,渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨之升高,增壓壓力和供氣量都相應(yīng)增加;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速工作時(shí),增大噴管出口截面積,使噴管出口的排氣流速減小,渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)降低,這樣增壓器將不會(huì)超速,增壓壓力也不致于過高。在有葉徑流式渦輪機(jī)中,可以采用轉(zhuǎn)動(dòng)噴管葉片的方法來改變噴管出口截面積。噴管葉片與齒輪相連,齒輪與齒圈嚙合,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)移動(dòng)時(shí),齒圈或向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)與其嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),并使噴管葉片隨其轉(zhuǎn)動(dòng),從而使噴管出口截面積發(fā)生改變。

對(duì)于無葉徑流式渦輪機(jī),可以在噴管出口處安裝軸向移動(dòng)的擋板來調(diào)節(jié)無葉噴管出口截面積。

改變渦輪機(jī)進(jìn)口截面積方法。在渦輪機(jī)的進(jìn)口處安裝一個(gè)可擺動(dòng)27°角的舌片,可動(dòng)舌片的轉(zhuǎn)軸固定在渦輪機(jī)殼體上,可動(dòng)舌片的擺動(dòng)即渦輪機(jī)進(jìn)口截面積的變化由電控單元根據(jù)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行控制。

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第三節(jié) 渦輪增壓

四、渦輪增壓器的潤滑及冷卻

來自發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)主油道的機(jī)油,經(jīng)增壓器中間體上的機(jī)油進(jìn)口進(jìn)入增壓器,潤滑和冷卻增壓器軸和軸承。然后,機(jī)油經(jīng)中間體上的機(jī)油出口返回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼,在增壓器軸上裝有油封,用來防止機(jī)油竄入壓氣機(jī)或渦輪機(jī)蝸殼內(nèi)。如果油封損壞,將導(dǎo)致機(jī)油消耗量增加和排氣冒藍(lán)煙。

由于汽油機(jī)增壓器的熱負(fù)荷大,因此在增壓器中間體的渦輪機(jī)側(cè)設(shè)置冷卻水套,并用軟管與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)相通。冷卻液自中間體上的冷卻液進(jìn)口流入中間體內(nèi)的冷卻水套,從冷卻液出口流回發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。冷卻液在中間體的冷卻水套中不斷循環(huán),使增壓器軸和軸承得到冷卻。

有些渦輪增壓器在中間體內(nèi)不設(shè)置冷卻水套,只靠機(jī)油及空氣對(duì)其進(jìn)行冷卻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷或高轉(zhuǎn)速工作之后,如果立即停機(jī),那么機(jī)油可能由于軸承溫度太高而在軸承內(nèi)燃燒。因此,這類渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該在停機(jī)之前,至少在怠速下運(yùn)轉(zhuǎn)1min。

 
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