增压神器——涡轮增压系统结构与工作原理解析

摘要:今天我们来说说增压的终极神器——涡轮增压系统.现在的小排量涡轮增压大行其道,各种车型都推出自己的涡轮增压发动机,以“小排量、大马力、低油耗”为宣传口号,弄得大家车后面没有个“t”都不好意思出门.那么这个涡轮增压到底是什么呢？它的结构……

上一期我们讲了机械增压器,今天我们来说说增压的终极神器——涡轮增压系统.现在的小排量涡轮增压大行其道,各种车型都推出自己的涡轮增压发动机,以“小排量、大马力、低油耗”为宣传口号,弄得大家车后面没有个“t”都不好意思出门.那么这个涡轮增压到底是什么呢？它的结构及原理如何？听老侯给大家说说.

涡轮增压系统

涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统.

单涡轮增压

只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统.涡轮增压系统除涡轮增压器之外,还包括进气旁通阀、排气旁通阀和排气旁通阀控制装置等.

双涡轮增压

六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统.其中两个涡轮增压器并列布置在排气管中,按气缸工作顺序把1、2、3缸作为一组,4、5、6缸作为另一组,每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器.因为三个气缸的排气间隔相等,所以增压器转动平稳.另外,把三个气缸分成一组还可防止各缸之间的排气干扰.此系统除包括涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀及排气旁通阀控制装置之外,还有中冷器、谐振室和增压压力传感器等.

涡轮增压器的结构及工作原理

车用涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成.增压器轴通过两个浮动轴承支承在中间体内.中间体内有润滑和冷却轴承的油道,还有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等.

离心式压气机

离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成.叶轮包括叶片和轮毂,并由增压器轴带动旋转.当压气机旋转时,空气经进气道进入压气机叶轮,并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道,从叶轮中心流向叶轮的周边.空气从旋转的叶轮获得能量,使其流速、压力和温度均有较大的增高,然后进入叶片式扩压管.扩压管为渐扩形流道,空气流过扩压管时减速增压,温度也有所升高.即在扩压管中,空气所具有的大部分动能转变为压力能.

扩压管分叶片式和无叶式两种.无叶式扩压管实际上是由蜗壳和中间体侧壁所形成的环形空间.无叶式扩压管构造简单,工况变化对压气机效率的影响很小,适于车用增压器.叶片式扩压管是由相邻叶片构成的流道,其扩压比大,效率高,但结构复杂,工况变化对压气机效率有较大的影响.蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气,并将其引向压气机出口.空气在蜗壳中继续减速增压,完成其由动能向压力能转变的过程.压气机叶轮由

铝合金

精密铸造,蜗壳也用

铝合金

铸造.

径流式涡轮机

涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置.径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成.蜗壳4的进口与发动机排气管相连,发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管.喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道.排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀,使排气的压力能转变为动能.由喷管流出的高速气流冲击叶轮,并在叶片所形成的流道中继续膨胀作功,推动叶轮旋转.涡轮机叶轮经常在900℃高温的排气冲击下工作,并承受巨大的离心力作用,所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造.用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的质量大约减小2/3,涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善.喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形.蜗壳用耐热合金铸铁铸造,内表面应该光洁,以减少气体流动损失.

转子

涡轮机叶轮、

压气机叶轮

和密封套等零件安装在增压器轴上,构成涡轮增压器转子.转子以超过100000r/min,最高可达200000r/min的转速旋转,因此,转子的平衡是非常重要的.增压器轴在工作中承受弯曲和扭转交变应力,一般用韧性好、强度高的合金钢40cr或18crniwa制造.

增压器轴承

增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一.现代车用涡轮增压器都采用浮动轴承.浮动轴承实际上是套在轴上的圆环.圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙,形成双层油膜.圆环浮在轴与轴承座之间.一般内层间隙为0.05mm左右,外层间隙大约为0.1mm.轴承壁厚约3～4.5mm,用锡铅青铜合金制造,轴承表面镀一层厚度约为0.005～0.008mm的铅锡合金或金属铟.在增压器工作时,轴承在轴与轴承座中间转动.

增压器工作时产生轴向推力,由设置在压气机一侧的推力轴承承受.为了减少摩擦,在整体式推力轴承两端的止推面上各加工有四个布油槽；在轴承上还加工有进油孔,以保证止推面的润滑和冷却.

增压压力的调节

在汽车涡轮增压系统中设置进、排气旁通阀,是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法.排气旁通阀的工作原理.控制膜盒中的膜片将膜盒分为上、下两个室,上室为空气室经连通管与压气机出口相通,下室为膜片弹簧室,膜片弹簧作用在膜片上,膜片通过连动杆与排气旁通阀连接.当压气机出口压力,也就是增压压力低于限定值时,膜片在膜片弹簧的作用下上移,并带动连动杆将排气旁通阀关闭；当增压压力超过限定值时,增压压力克服膜片弹簧力,推动膜片下移,并带动连动杆将排气旁通阀打开,使部分排气不经过涡轮机直接排放到大气中,从而达到控制增压压力及涡轮机转速的目的.

在有些发动机上,排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵.电控单元根据发动机的工况,由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力,并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较,然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比,以此改变电磁阀的开启时间,进而改变排气旁通阀的开度,控制排气旁通量,借以精确地调节增压压力虽然排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛的应用,但是排气旁通之后,排气能量的利用率下降,致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差.

在大排量重型车用涡轮增压发动机上多采用涡轮机喷管出口截面可变的涡轮增压器,简称变截面涡轮增压器.在这种涡轮增压器中,通过改变喷管出口截面积来调节增压压力.当发动机低速运行时,缩小喷管出口截面积,使喷管出口的排气流速增大,涡轮机转速随之升高,增压压力和供气量都相应增加；当发动机高速工作时,增大喷管出口截面积,使喷管出口的排气流速减小,涡轮机的转速相对降低,这样增压器将不会超速,增压压力也不致于过高.在有叶径流式涡轮机中,可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积.喷管叶片与齿轮相连,齿轮与齿圈啮合,当执行机构往复移动时,齿圈或向左或向右转动,带动与其啮合的齿轮转动,并使喷管叶片随其转动,从而使喷管出口截面积发生改变.

对于无叶径流式涡轮机,可以在喷管出口处安装轴向移动的挡板来调节无叶喷管出口截面积.

改变涡轮机进口截面积方法.在涡轮机的进口处安装一个可摆动27°角的舌片,可动舌片的转轴固定在涡轮机壳体上,可动舌片的摆动即涡轮机进口截面积的变化由电控单元根据柴油机的转速信号进行控制.

涡轮增压器的润滑及冷却

来自发动机润滑系统主油道的机油,经增压器中间体上的机油进口进入增压器,润滑和冷却增压器轴和轴承.然后,机油经中间体上的机油出口返回发动机油底壳,在增压器轴上装有油封,用来防止机油窜入压气机或涡轮机蜗壳内.如果油封损坏,将导致机油消耗量增加和排气冒蓝烟.

由于汽油机增压器的热负荷大,因此在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套,并用软管与发动机的冷却系统相通.冷却液自中间体上的冷却液进口流入中间体内的冷却水套,从冷却液出口流回发动机冷却系统.冷却液在中间体的冷却水套中不断循环,使增压器轴和轴承得到冷却.

涡轮增压器

在中间体内不设置冷却水套,只靠机油及空气对其进行冷却.当发动机在大负荷或高转速工作之后,如果立即停机,那么机油可能由于轴承温度太高而在轴承内燃烧.因此,这类涡轮增压发动机应该在停机之前,至少在怠速下运转1min.

老侯点评:

涡轮增压的出现,使人们在不改变发动机排气量的情况下大幅度的提高发动机的功率与扭矩,降低了发动机的重量,提高了升功率,同时也在一定程度上降低了油耗,是汽车历史上一个伟大的发明.随着技术的进步,涡轮增压的缺点将逐步改进,在未来,小排量涡轮增压将是一个发展趋势,会在更多的车型上装备.

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