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1、2009.1,学习情境5：电控辅助系统检修,项目5.2：电控VGT系统检修,2009.1,1.废气涡轮增压器的结构和工作原理 所谓增压就是将空气预先压缩然后再供人气缸，以期提高空气密度、增加空气量的一项投术。由于迸气量增加，可相应地增加循环供油量。从而可以增加发动机的功率，同时还可以改善燃油经济性和排放性能。 其中柴油机上广泛采用的是废气涡轮增压，实现空气增压的装置是涡轮增压器。涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机排出的废气引人涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸，工作原理如图1所示。增压后的车用发动机功率可以
2、和比它排量大40%的发动机功率相媲美。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图1 涡轮增压器工作原理,2009.1,2.废气涡轮增压器种类 废气涡轮增压器主要有三类：普通自由浮动增压器、旁通式涡轮增压器和可变喷嘴涡轮增压器。 （1）普通自由浮动增压器 增压发动机在大负荷、高转速运转时，具有输出功率大、经济性好的特点，但车用发动机经常在低速大转矩的工况下运行，需要较高的转矩储备系数。而普通增压柴油机的转矩特性较平坦，随增压度的提高，其转矩特性变差，不能满足车辆的要求。涡轮增压发动机在宽广的转速范围内运行，而固定流通截面的高压比涡轮增压
3、器在发动机低速时，其压比将明显下降，不能和发动机在整个运转工况保持良好的匹配。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,（2）旁通式涡轮增压器 增压器按低速大转矩工况匹配，在高转速工况时，利用放气阀在涡轮前放走一部分废气。涡轮前的放气阀由增压压力自动控制，当发动机转速超过一定大小时，增压压力便克服弹簧阻力使放气阀打开开始放气。该方法由于放气阀的开启，会造成较大的损失，使发动机高速时的经济性变差。不适于高速大功率较多工况的发动机。旁通式涡轮增压器工作原理图如图2所示。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图2 旁通阀式
4、涡轮增压器工作原理图,2009.1,（3）可变截面涡轮增压器 可变截面涡轮增压器通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个车速工况下的最佳匹配。所有的工况点与发动机都有良好的匹配，使发动机的性能都达到最佳。图3为奥迪A6电控柴油机可变截面涡轮增压器，图4和图5为其结构与工作原理图。控制连杆通过控制连杆定位销带动调整环转动，通过导向销、轴带动叶片旋转，当叶片位置转动时，涡轮的流通截面相应改变。流通截面越小，废气的流速越大，同时涡轮的输出功率越大，增压比相应越高。当发动机处于不需要高增压比的情况下，叶片处于另外的极限位置，废气的流动损失也越小。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.
5、1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图3 奥迪A6电控柴油机废气涡轮增压器的结构,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图4 可变涡轮增压器结构,1.传动拉杆 2.摇臂 3.传动销轴 4.叶片 5.支撑环 6.转动盘 A-接膜盒式真空执行器,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图5 可变截面涡轮工作原理图,2009.1,3.废气涡轮增压器调节的目的 轿车柴油机上的废气涡轮增压器系统采用的是可调增压器，这与载货汽车柴油机不一样。载货汽车柴油机一般采用固定截面的增压器，能实现发动机与增压器的良好匹配。虽然此时增压压力随转速降低而下降，但由于发动机的转
6、速变化范围不大，一般在的2500r/min以下，且强化程度不高，即使不采用增压器的调节措施，发动机与增压器仍能实现良好的匹配。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,轿车柴油机具有工况变化频繁且转速变化范围宽 (最高转速可达5000r/min)等特点,因此，要求增压器在宽广的工况范围内有良好的流通特性和较高的效率。然而传统形式的涡轮增压器的涡轮喷嘴截面积或进气通道截面积的大小是固定的，面径比A/R值 (A-通道人口最小截面积，R-涡轮中心与通道人口最小截面中心的距离)恒定不变。因而难以同时满足发动机低速和高速的全面要求。如果保证发动机在最大转矩点时有足够的增压压力，则在发动机
7、标定转速时，就要出现过高的增压压力。这就带来发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的严重超速，这是不允许的。若以考虑发动机额定转速时所需要的增压压力，则在发动机低速时，增压压力就下降过多，不能保证足够的转矩。人们提出了补燃法、放气法等方法解决上述问题。但从能量利用的角度来说，这些方法是不经济的。显然，在这种情况下，只能求助于可调增压器，使发动机在某转速以上保持不变的增压压力，或分阶段地实现调节.,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,长城哈弗车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的CRS2.0系统）的GW2.8TC型柴油机，该柴油机采用了带旁通阀式的废气涡轮增压器，增压器为G
8、arret公司的GT22型或三菱公司的TF035HM增压器，其最高转速180000r/min，最高压比为1.83。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,1.旁通阀式增压器的结构 如图6所示，GW2.8TC型柴油机的废气涡轮增压器由涡轮、径流式压气机、中间壳、转子总成和旁通阀等组成。涡轮和压气机分别被安装在轴的两头，并有各自的铸造壳体，轴本身被安装在中间壳中，并由中间壳来支撑。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,图6 废气蜗轮增压
9、器的构成图,1.蜗轮壳 2.蜗轮 3.压气机 4.压气机壳体 5.旁通阀 6.转子总成 7.中间壳,2009.1,如图7所示，涡轮部分主要包括涡轮壳、单级径流式涡轮，它们是一个能量转换器。柴油机排出的废气经过涡轮壳喷向涡轮叶轮时，将废气的热能及压力能转变成动能，从而使涡轮高速旋转。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,图7 蜗轮部分的构成图,1.蜗轮壳 2.单级 径流式蜗轮,2009.1,如图8所示，中间壳是支撑转子总成及固定涡轮壳、压气机壳的中间支撑体，也是润滑和冷却浮动轴承的润滑油箱。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,
10、图8 中间壳部分的构成图,1.压气机叶轮 2.蜗轮叶轮 3.浮动轴轴承 4.转子总成 5.中间壳,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,如图9所示，润滑系统的作用是冷却来自涡轮工作的热量、向轴承系统提供润滑、为转子动平衡提供油膜支撑。,图9 增压器轴承及润滑,2009.1,如图10所示，涡轮轴与涡轮叶轮采用摩擦焊（利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法）连成一体，压气机叶轮以过渡配合装入涡轮轴上，并用自锁螺母压紧。整个转子总成经过非常精确的动平衡，以保证高速运转情况下正常工作。,二、旁通阀式废气涡
11、轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,图10 涡轮叶轮、压气机叶轮与涡轮轴的连接,1.摩擦焊连接 2.过渡配合连接,2009.1,如图11所示，转子总成的支撑采用内支撑在两叶轮之间的中间体上，即两个全浮式浮动轴承布置在两叶轮之间的中间体上，转子的轴向力由固定在中间体上的止推轴承装置承受。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,图11 全浮式浮动轴承及止推轴承,1.全浮式 浮动轴承 2.止推轴承,2009.1,2.旁通阀式增压器的工作原理 旁通式增压器具有低速扭矩大并
12、能兼顾高低速性能的优点。其旁通阀工作是由增压压力来控制的。当增压压力达到预定值时，旁通阀打开，将部分多余废气排掉，控制涡轮增压器增压比，使发动机气缸内的爆发压力不超过发动机机械涡轮增压器负荷的允许值。 采用旁通阀的目的是为了保证柴油机在低、中速范围内与涡轮增压器具有最佳的匹配效果，以便柴油机能够得到较充足的空气量，并与随之加大的燃油供给量相适应，增大低速扭矩，改善燃油消耗，在高速范围通过旁通阀放气（即部分废气不经过涡轮直接进入排气管）以避免增压器转子超速或增压压力过高而引起气缸内燃烧压力过大，加剧柴油机的及机械负荷等。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,20
13、09.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,如图12所示，旁通阀的开闭由增压压力自动控制。将压气机出口的增压压力引入旁通阀调节器的密闭压力室内，当增压压力达到或超过规定值时，其膜片将克服左边的弹簧力，与联动推杆一起向左移动，推动摇臂绕销轴旋转，使放气阀开启，实现排气旁通放气，控制增压器转速的上升。使发动机气缸内的爆发压力不超过发动机机械负荷的允许值。,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用,图12 旁通阀的结构及工作原理,A-废气入口 B-废气出口 C-进气入口 D-进气出口 1.调节螺母 2.旁通阀 3.摇臂 4
14、.销轴 5.排气管 6.涡轮,2009.1,华泰圣达菲车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的第二代产品CRDi）的D4EA柴油机，该柴油机采用了带中冷器（空气冷却）电子控制的可变截面涡轮增压器VGT，为美国Garret公司的 GT27型增压器。 D4EA发动机采用的可变截面增压器VGT剖面图如图13所示。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,图14 VGT的实物剖面图,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,A-润滑油入口 B-润滑油出口 C-接VGT电磁阀 1.压气机叶轮 2.止推轴承 3.全浮式浮动轴承 4.废气涡轮 5.膜
15、盒式真空执行器,2009.1,旁通阀式废气涡轮增压器中，涡轮机转子叶片与壳体之间的截面积是固定不变的，在废气冲击下其转速与发动的转速有关。当发动机低转速工作时，废气的动能小，涡轮机的转子转速较低，同轴带动压气机的充气量相对较少，增压后的进气压力较低；而发动机高速旋转时，废气的动能大，同轴带动压气机的充气量相对较多，增压后的进气压力高。这种充气量的差异，限制了发动机中低时速功率的提高。可变截面废气涡轮增压器（VGT-Variable Geometry Turbocharger）正是针对此改进设计的，它主要是提高发动机中低速的充气量，从而提高发动机的功率、消除了传统涡轮增压器低转速时的“涡轮迟滞”
16、现象。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,华泰圣达菲车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的第二代产品CRDi）的D4EA柴油机，该柴油机采用了带中冷器（空气冷却）电子控制的可变截面涡轮增压器VGT，为美国Garret公司的 GT27型增压器。 D4EA发动机采用的可变截面增压器VGT剖面图如图14所示。 VGT系统的组成如图15所示。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,图15 圣达菲车D4EA柴油机VGT系统组成图,1.增压压力 传感器 2.膜盒式真空 执行器 3.摇臂 4.VGT 5.VGT电磁阀 6.发电机 7.真空泵,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,参考图4，VGT的压气机部分与一般废气涡轮增压器相同，而在涡轮机侧除具有涡轮转子外，还有转动叶片组、传动及操纵结构（含膜盒式真空执行器及VGT电磁阀等）。 在涡轮机转子一侧的圆形固定盘上，装有转动叶片组，它的几何位置由ECU通过控制VGT电磁阀、膜盒式真
