汽車渦輪增壓系統(tǒng)(插圖)
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)是單渦輪增壓器系統(tǒng)。除了渦輪增壓器,渦輪增壓系統(tǒng)還包括進(jìn)氣旁通閥、排氣旁通閥和排氣旁通閥控制裝置。
2.雙渦輪增壓
六缸汽油機(jī)的雙渦輪增壓系統(tǒng)。兩個(gè)渦輪增壓器并排布置在排氣管中。按照氣缸的工作順序,1、2、3缸為一組,4、5、6缸為另一組。每組中三個(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)。此外,將三個(gè)氣缸組合成一組也可以防止氣缸之間的排氣干擾。該系統(tǒng)包括渦輪增壓器、進(jìn)氣旁通閥、排氣旁通閥和排氣旁通閥控制裝置、中冷器、共振室和增壓壓力傳感器。
渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理
車用渦輪增壓器由離心壓縮機(jī)、徑流式渦輪和中間體組成。增壓器軸由兩個(gè)浮動(dòng)軸承支撐在中間體中。中間有油道潤滑和冷卻軸承,有密封裝置防止油漏入壓縮機(jī)或渦輪。
1.離心式壓縮機(jī)
離心式壓縮機(jī)由進(jìn)口、壓縮機(jī)葉輪、無葉擴(kuò)壓器和壓縮機(jī)蝸殼組成。包括葉輪和輪轂,由增壓器軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),空氣通過進(jìn)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)葉輪,在離心力的作用下,沿著壓縮機(jī)葉片之間形成的流道從葉輪中心流向葉輪外圍。空氣從旋轉(zhuǎn)的葉輪中獲得能量,大大提高了其速度、壓力和溫度,然后進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器。擴(kuò)散器是一個(gè)逐漸擴(kuò)大的通道。當(dāng)空氣流過擴(kuò)壓器時(shí),速度減慢,壓力增加,溫度升高。也就是說,在擴(kuò)壓器中,空氣的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。
擴(kuò)壓器分為葉片式和無葉片式。無葉擴(kuò)壓器實(shí)際上是由蝸殼和中間體的側(cè)壁形成的環(huán)形空間。無葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工況變化對(duì)壓氣機(jī)效率影響較小,適用于汽車增壓器。葉片式擴(kuò)壓器是由相鄰葉片組成的通道,擴(kuò)壓比大,效率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工況變化對(duì)壓縮機(jī)效率影響較大。蝸殼的功能是收集從擴(kuò)散器流出的空氣,并將其引導(dǎo)至壓縮機(jī)出口??諝庠谖仛?nèi)繼續(xù)減速增壓,完成從動(dòng)能到壓能的過程。壓縮機(jī)葉輪采用鋁合金精密鑄造,蝸殼也采用鋁合金鑄造。
2.輻流式渦輪機(jī)
渦輪是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的裝置。徑流式渦輪由蝸殼、噴嘴、葉輪和出氣口組成。蝸殼4的入口與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管相連,發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣通過蝸殼引入葉片噴嘴。噴嘴是由相鄰葉片組成的錐形通道。當(dāng)廢氣流過噴嘴時(shí),它被減壓、冷卻、加速和膨脹,從而廢氣的壓力可以被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。
來自噴嘴的高速氣流沖擊葉輪,在葉片形成的流道中繼續(xù)膨脹做功,推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。渦輪葉輪經(jīng)常在900的廢氣沖擊下工作,承受巨大的離心力,所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造。采用輕質(zhì)耐熱的陶瓷材料,可使渦輪葉輪質(zhì)量減輕2/3左右,渦輪增壓加速滯后的問題大大改善。噴嘴葉片由耐熱耐腐蝕合金鋼鑄造或加工而成。蝸殼采用耐熱合金鑄鐵鑄造,其內(nèi)表面應(yīng)光滑,以減少氣流損失。
3.轉(zhuǎn)子
渦輪葉輪、壓縮機(jī)葉輪、密封套等零件安裝在渦輪增壓器軸上,形成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過100,000轉(zhuǎn)/分,最高轉(zhuǎn)速為200,000轉(zhuǎn)/分。因此,轉(zhuǎn)子的平衡為ve
渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)是車用渦輪增壓器可靠性的關(guān)鍵之一。現(xiàn)代車用渦輪增壓器都采用浮動(dòng)軸承。浮動(dòng)軸承實(shí)際上是軸上的一個(gè)環(huán)。環(huán)軸與環(huán)和軸承座之間有間隙,形成雙層油膜?;钊h(huán)在軸和軸承座之間浮動(dòng)。一般內(nèi)間隙0.05mm左右,外間隙0.1 mm左右,軸承壁厚3 ~ 4.5 mm左右,材質(zhì)為錫鉛青銅合金。軸承表面鍍一層鉛錫合金或銦,厚度約為0.005 ~ 0.008毫米,增壓器工作時(shí),軸承在軸和軸承座之間轉(zhuǎn)動(dòng)。
增壓器工作時(shí)產(chǎn)生的軸向推力由安裝在壓縮機(jī)一側(cè)的推力軸承承擔(dān)。為了減少摩擦,在整體推力軸承兩端的推力面上分別加工四個(gè)配油槽;軸承還設(shè)有進(jìn)油孔,以保證推力面的潤滑和冷卻。
三個(gè)。增壓壓力的調(diào)整
在汽車的渦輪增壓系統(tǒng)中設(shè)置進(jìn)排氣旁通閥是最簡(jiǎn)單、成本最低且非常有效的方法。排氣旁通閥的工作原理??刂聘裟ず兄械母裟⒏裟ず蟹殖缮锨缓拖虑唬锨粸榭諝馇?,通過連通管與壓縮機(jī)出口連通,下腔為作用在隔膜上的隔膜彈簧腔,通過連桿與排氣旁通閥連接。當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力即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)連桿關(guān)閉排氣旁通閥;當(dāng)增壓壓力超過極限值時(shí),增壓壓力克服膜片彈簧力,向下推動(dòng)膜片,帶動(dòng)連桿打開排氣旁通閥,使部分廢氣不經(jīng)過渦輪直接排入大氣,從而達(dá)到控制增壓壓力和渦輪轉(zhuǎn)速的目的。
在某些發(fā)動(dòng)機(jī)上,排氣旁通閥的打開和關(guān)閉由電磁閥控制,電磁閥由電子控制單元控制。電控單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況,從預(yù)存的增壓壓力譜中確定目標(biāo)增壓壓力,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)差值改變脈沖信號(hào)的占空比來控制電磁閥的開啟和關(guān)閉,從而改變電磁閥的開啟時(shí)間,進(jìn)而改變排氣旁通閥的開度,控制排氣旁通流量,精確調(diào)節(jié)增壓壓力。雖然排氣旁通閥已廣泛應(yīng)用于渦輪增壓汽車發(fā)動(dòng)機(jī),但排氣旁通后排氣能量利用率降低。
渦輪噴嘴出口變截面渦輪增壓器,簡(jiǎn)稱變截面渦輪增壓器,常用于大排量重型汽車的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種渦輪增壓器中,通過改變噴嘴出口的橫截面積來調(diào)節(jié)增壓壓力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),噴嘴出口的橫截面積減小,這增加了噴嘴出口處的廢氣流量、渦輪轉(zhuǎn)速、增壓壓力和空氣供給。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速工作時(shí),噴嘴出口的截面積增大,降低了噴嘴出口的廢氣流量和渦輪的轉(zhuǎn)速,使增壓器不會(huì)超速,增壓壓力不會(huì)過高。在帶有葉片的徑流式渦輪機(jī)中,噴嘴出口橫截面積可以通過旋轉(zhuǎn)噴嘴葉片來改變。噴嘴葉片與齒輪連接,齒輪與齒圈嚙合。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),齒圈向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)嚙合齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使噴嘴葉片隨之轉(zhuǎn)動(dòng),從而改變噴嘴出口的橫截面積。
對(duì)于無葉片徑流式渦輪機(jī),可在噴嘴出口處安裝軸向移動(dòng)擋板,以調(diào)節(jié)無葉片噴嘴出口的橫截面積。
改變渦輪入口橫截面積的方法。A
機(jī)油從發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的主油道通過增壓器中間體的進(jìn)油口進(jìn)入增壓器,潤滑和冷卻增壓器軸和軸承。然后,機(jī)油返回發(fā)動(dòng)機(jī)
一些渦輪增壓器中間體沒有冷卻水套,僅依靠油和空氣進(jìn)行冷卻。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在重載或高速運(yùn)轉(zhuǎn)后立即停止,由于軸承的高溫,油可能會(huì)在軸承中燃燒。所以這款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)要怠速運(yùn)轉(zhuǎn)至少1分鐘才能停下來。
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