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1、汽车涡轮增压器构造与原理 主讲 张虹2012 11 车用涡轮增压技术概述 车用涡轮增压器增压的原理车用涡轮增压的目的和作用车用涡轮增压发展概况汽车用涡轮增压器应用实例 发动机技术发展 汽车发动机面临 低污染 低碳化 高品质的挑战汽油机 采用提高压缩比 多气门和可变配气系统 增压技术 空燃比传感器 氧传感器 直接喷射 稀混合气分层燃烧 EGR等技术 配合三元催化剂等排气后处理技术柴油机 采用轻质材料 超高压喷油 高增压 智能EGR 多气门甲醇 乙醇 CNG LPG H2等代用燃料在内燃机上的开发应用会进一步发展 汽车增压技术发展背景 涡轮增压技术的发展 提高发动机功率 减轻单位功率质量 减小外形
2、尺寸 降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一 涡轮增压中冷技术既是减少柴油机排放的有效措施 促进轿车发动机发展的主要因素是排放 功率密度 性能 噪声和燃油经济性 因此在轿车柴油机和汽油机上也越来越多地采用涡轮增压技术 汽车增压技术发展背景 发动机增压的原理 发动机工作原理回顾基本工作原理及其同空气增压系统的关系 发动机是一种耗气机械 因为燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程 一旦空燃比达到某一值后 再增加燃油 除了将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外 不会产生更多功率 发动机供油越多 黑烟就越浓 超过空燃比极限后 单纯增加供油量只会造成燃油消耗量过多 大气污染 废气温度升高 并使发动机
3、寿命缩短 增加空气量的能力对发动机来说是多么重要 所谓增压 就是借助于装在发动机上的专用增压装置 预先压缩进入气缸的空气 以提高进入气缸中的充气密度 增压的作用十分明显 在气缸容积一定的情况下 充气密度大 新鲜空气的绝对量大 就可以喷入较多的燃料进行燃烧 发动机就能发出更大的功率 发动机增压原理 发动机增压的原理 发动机增压方式 机械增压 利用机械传动的增压器进行增压发动机加速性好 发动机泵气损失小 发动机油耗高 多用于二冲程发动机 废气涡轮增压 利用发动机排气管排出的废气 经过涡轮增压器的涡轮膨胀产生能量带动轴系旋转 并通过压气机将动能转换成压力能 重新将压缩的气体进入到发动机气缸的过程 气
4、波增压 利用气体的压缩波和膨胀波来传递能量的一种新型能量交换器 复合增压 同时采用两种形式的增压方式 废气涡轮增压原理 涡轮增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵 废气驱动涡轮叶轮总成 它与压气机叶轮相连接 当涡轮增压器转子转动时 大量的压缩空气被输送到发动机的燃烧室里 由于增加了压缩空气的数量 就可以使更多的燃油喷入到发动机里去 使发动机在尺寸不变的条件下而产生更多的功率 废气涡轮增压原理图 废气涡轮增压器原理图 废气涡轮增压器结构图 涡轮系统压气机系统中间体 轴承体 转子轴承系统润滑与冷却系统密封与隔热系统其他紧固小零件 涡轮增压器总体结构 涡轮增压器转子轴承系统 第一讲 涡
5、轮增压器概述 涡轮增压器增压的原理车用涡轮增压的目的和作用涡轮增压发展概况汽车用涡轮增压器应用实例 强化发动机 提高发动机的平均有效压力Pe发动机升功率Nl 发动机进气密度增加 进入气缸的空气增多 所以允许喷入较多的燃油 使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率 增压后的功率可比原机提高60 80 甚至更多 发动机的平均有效压力可达到3Mpa改善发动机的经济性经济性 增压后增加热效率 发动机功率上升 使发动机燃油经济性大幅度增加 车用涡轮增压目的 降低发动机的排气污染及噪音采用涡轮增压可使燃烧更充分 CO HC及PM的排放降低 采用中冷可降低NOx排放 发动机体积小 发射噪声的表面积小 涡轮
6、的消声作用 高原或高温地带恢复发动机的功率自然吸气的发动机 随着海拔高度的增加 其功率将下降 涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿 在高原地区工作时比不增压发动机功率下降要少得多 涡轮增压器的自我补偿功能 对海拔高度变化有较高的适应能力 车用涡轮增压目的 提高柴油机功率 减轻单位功率质量 减小外形尺寸 降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一 涡轮增压中冷技术既是减少柴油机排放的有效措施 促进轿车柴油机发展的主要因素是排放 功率密度 性能 噪声和燃油经济性 因此在轿车柴油机和汽油机上也越来越多地采用涡轮增压技术 热负荷与机械负荷都有所提高 应采取相应措施 车用增压特
7、点 第一讲 涡轮增压器概述 涡轮增压器增压的原理车用涡轮增压的目的和作用涡轮增压发展概况汽车用涡轮增压器应用实例 涡轮增压的发展历史1885年戴母勒提出增压概念1905年波希申请并获得专利 在台架上实现增压 首先用于航空和船舶40年代出现小型径流涡轮增压器 开始用于车辆70年代浮动轴承的出现和汽油机增压的突破 大量应用于汽车80年代出现可变几何截面涡轮增压器90年代后期可调二级增压 增压技术发展概况 涡轮增压的发展现状转速一般为十几万转 分 最高可达三十万转 分压气机单级压比达3 5 4 最高达5 绝热效率达0 78 0 80涡轮绝热效率可达80 以上整机效率可达60 以上汽油机增压技术在国外
8、普遍应用可变几何截面涡轮增压器的应用混流涡轮技术在国内外应用滚动轴承技术在国内外应用大 中功率柴油机在发达国家 我国 几乎全部实现增压 增压技术发展概况 涡轮增压的发展方向增压器向更高压比 高效率 高可靠性 使用流量范围宽广的方向发展 结构简单 体积小 重量轻并且造价低廉 更好地适应各种车用动力在不同工况下的性能要求 新技术包括 轿车汽油机增压技术 可变喷嘴涡轮VNT 铁铝合金 滚动轴承 可擦涂层 混流式涡轮 电子控制执行器总成 电控涡轮复合式发动机等 增压技术发展概况 大众汽车公司推出的3升路波TDI轿车柴油机 采用了涡轮增压 进气中冷 直接喷射 泵喷嘴 可变喷嘴涡轮等先进技术 燃油经济性可
9、以达到100km燃油消耗2 99L 该车还采用了初级催化 主催化和废气再循环等技术 其排放指标可以达到欧洲 标准 可变涡轮增压器 VNT 电子控制执行器总成 混流涡轮 五轴加工压气机叶轮 涡轮增压的国内企业 国有企业 湖南天雁机械厂 衡阳 沈阳黎明公司增压器厂合资企业 无锡英国Holset 上海日本三菱 宁波天力 山东富源独资企业 美国Honeywell 上海 德国Borgwarner私营企业 山东寿光为代表无锡 板块 和凤城 板块 国内厂家自主研发产品少 大多为引进或仿制品 增压技术国内现状 涡轮增压的科研单位 北京理工大学 山东大学 上海交通大学 哈工程 同济大学等 还有吉林大学 天津大学
10、七零研究所 上海内燃机研究所等北京理工大学涡轮增压实验室50年代起自行研制军用涡轮增压器开始最早掌握并应用高性能涡轮增压器的设计技术研制混流涡轮和可变几何截面涡轮等专利产品 涡轮增压器实验台 叶轮模具设计与制造等 研究方向 设计 计算 气动 强度 匹配 试验 增压技术发展概况 第一讲 涡轮增压器概述 涡轮增压器增压的原理车用涡轮增压的目的和作用涡轮增压发展概况汽车用涡轮增压器应用实例 车用涡轮增压器应用实例 装备在大众GolfGT上的1 4升双增压发动机 随着新技术的不断发展增压技术也在不断进步传统的涡轮增压和机械增压都存在着不如人意的地方 把两种技术结合在一起不失为一种解决方法 车用涡轮增压
11、器应用实例 机械增压器 Supercharger 由发动机皮带驱动 像发动机的附件转向助力泵一样安装在发动机上 将压缩空气输送到进气歧管 机械增压器结构简单 工作温度介于70度 100度 不需特殊冷却系统 机件维护简单 不过增压值会随发动机转速的提高而降低 当达到某一界限时 由于本身的阻力增压器反而会成为发动机的负担 严重影响发动机转速的提升 因此 目前欧洲生产的机械增压系统多半采取低增压 优点是转子的速度与发动机转速是相对应的 没有滞后 动力输出流畅 成本低 缺点是要消耗发动机动力 机械增压容易产生噪音 机械增压器结构图 车用涡轮增压器应用实例 涡轮增压 Turbocharger 利用发动机
12、排出的废气驱动增压器 利用空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却 优点是增压效率高于机械增压 缺点是受发动机转速影响 低转速时效果不明显 待发动机提升到一定转速时才会有出色表现 涡轮迟滞也是涡轮增压发动机面临的最大难题 在低转速时 涡轮增压器没有介入 同时废气仍然要驱动涡轮旋转 排气没有自然吸气发动机顺畅 此时的发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱 随着发动机的转速升高 例如突破3000转以后 涡轮增压器突然介入 这个时候产生的动力将陡增 这种动力的突然增加影响了动力输出的平顺性 尽管涡轮增压能给发动机带来更强的动力输出 但是作为一台民用汽车 流畅的动力输出是非常重要的 而涡轮迟
13、滞会给驾驶舒适性带来一定影响 废气涡轮增压器结构图 车用涡轮增压器应用实例 双增压技术 Twincharger 机械增压有助于低转速时的扭力输出 但是高转速时功率输出有限 而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出 但低转速时则力不从心 发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起 来解决两种技术各自的不足 同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题 机械增压与涡轮增压相组合的进气系统 车用涡轮增压器应用实例 2005年 大众开始将这套技术装配到量产的民用车型高尔夫1 4TSI Turbocharging Supercharging Injection 低转速时 由机械增压提供大部分的增
14、压压力 在1500rpm时 两个增压器同时提供增压压力 其总增压值达到2 5bar 如果涡轮增压器单独工作 只能产生1 3bar的增压压力 随着转速的提高 涡轮增压器能使发动机获得更大的功率 与此同时 机械增压器的增压压力逐渐降低 机械增压通过电磁离合器控制 它与水泵集合在一起 在转速超过3500rpm时 由涡轮增压器提供所有的增压压力 此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离 防止消耗发动机功率 1 4升双增压发动机外观图片 车用涡轮增压器应用实例 1 4升的高尔夫 双增压 Twincharger 发动机在双增压器的作用下最大输出功率为125kW 最大扭矩为240Nm 从0至100
15、km h只需7 9秒 1 4L动力达到2 5L发动机水平 但油耗却降低了20 平均油耗只有7 2L 100km 在1750rpm就发出了最大扭矩240Nm 并一直到4500rpm 优点是适合全部工况 TSI发动机的综合优点是 动力损耗小 输出功率相对来说也增大了 可以在小排量的情况下获得较大的扭矩和马力 类似进口1 4TSI发动机是双涡轮增压 机械增压 缸内直喷 分层燃烧技术相结合的整体 即改善了起步加速 又具有充足的后劲 提高了燃油效率 降低了油耗 约可以节省20 30 燃油 效率却提高了30 50 国内南北大众引进国产的TSI发动机省略了机械增压和分层燃烧部分 FuelStratifiedInjection 我们只能感受到单涡轮和缸内直喷技术的搭配 省略除了高成本的价格门槛外 双增压会大副提高发动机的压缩比 相对应的使用的燃油的标准也大大提高 相对于燃油质量普遍一般的国内市场难以达到 思考题 什么是增压 发动机为什么要增压 废气涡轮增压器的工作原理是什么
