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1、發(fā)動機渦輪增壓技術(shù) Table of Contents 渦輪增壓技術(shù)概述 1 渦輪增壓的基本原理 2 可變渦輪增壓技術(shù) 3 增壓中冷技術(shù) 4 一、概述 為提高平均有效壓力以增加氣缸內(nèi)封存氣體密度的 方法，叫做增壓。從廣義上，凡是能夠?qū)l(fā)動機 進氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法， 都稱為增壓。 增壓的目的是通過增加充氣量，以提高功率，改善 經(jīng)濟性和排放性。 一、概述 1905年，瑞士工程師 Alfred Buchi首先提出了渦輪增壓的概念。 20世紀 50年代初，渦輪增壓技術(shù)由船舶領(lǐng)域應(yīng)用的車用領(lǐng)域。 1953年，美國 Garrett公司將其渦輪增壓器安裝在 Caterpillar （卡特

2、彼勒）公司的 D9發(fā)動機上，在提高柴油機功率和改善燃油 經(jīng)濟性方面取得良好效果。 從 20世紀 60年代起，國外開始在車用柴油機上大量采用渦輪增壓 技術(shù)。 20世紀 70年代末，汽油機渦輪增壓技術(shù)取得突破性進展。 20世紀 80年代中期該技術(shù)大量應(yīng)用和推廣。 一、概述 渦輪增壓發(fā)動機是依靠渦輪增壓器來加大發(fā)動機進氣量的一 種發(fā)動機，渦輪增壓器 (Turbo)實際上就是一個空氣壓縮機。 它是利用發(fā)動機排出的廢氣作為動力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪 ( 位于排氣道內(nèi) )，渦輪又帶動同軸的葉輪位于進氣道內(nèi)，葉輪 就壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入氣缸。 當發(fā)動機轉(zhuǎn)速加快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同

3、步加快， 空氣壓縮程度就得以加大，發(fā)動機的進氣量就相應(yīng)地得到增 加，就可以增加發(fā)動機的輸出功率了。 一、概述 二、渦輪增壓的基本原理 基本概念 發(fā)動機的有效功率為： 式中： Pme 發(fā)動機的平均有效壓力； Vs 發(fā)動機的氣缸工作容積 ， Vs=SD2/4 n 發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速 i 氣缸個數(shù) 沖程數(shù) 二、渦輪增壓的基本原理 基本概念 增壓后發(fā)動機功率的增長程度常以增壓度表示 增壓度是指發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比 式中： s 增壓后充氣密度； 0 增壓前充氣密度； k 范圍為 10%60%，大部分為 20%30% 二、渦輪增壓的基本原理 渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機不同的流通方向，可分

4、為徑流式渦輪和軸 流式渦輪兩大類。 大中型柴油機多采用軸流式渦輪增壓器，而對于車用發(fā)動機則用徑流式 增壓器。 廢氣渦輪增壓兩種基本類型：定壓增壓系統(tǒng)；脈沖增壓系統(tǒng) 下圖為徑流式渦輪增壓機的工作原理圖，它是由離心式壓氣機和徑流式 渦輪機這兩部分，以及支撐裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)所組 成。 二、渦輪增壓的基本原理 離心式壓氣機的工作原理。離心式壓氣機主要由進氣道、工作輪、擴壓 器和出氣渦流殼組成?？諝庋厥諗康妮S向進氣道流入時，氣流略有加速。 二、渦輪增壓的基本原理 徑流式渦輪機主要由進氣渦輪殼、噴嘴環(huán)、工作輪及出氣道組成。進氣 渦輪殼的作用是引導(dǎo)發(fā)動機的排氣均勻的進入渦輪。根據(jù)增壓系統(tǒng)的

5、 要求，渦輪殼可以有 1個、 2個甚至更多的進氣口。 由發(fā)動機進氣管中排出的氣體以一定的速度經(jīng)進氣渦輪殼流入噴嘴環(huán)。 在噴嘴環(huán)上均勻地安裝具有一定角度的許多葉片，這就使燃氣經(jīng)過葉 片間的通道后更具有方向性，使氣流更加均勻且有秩序的進入渦輪機 工作輪。 1. 葉片間的通道面積是漸縮的，使部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，即 氣體的壓力降低，溫度降低，氣體的流動速度增加； 2. 工作輪的輪周功完全有氣體的絕對速度動能轉(zhuǎn)化，工作輪的出口氣體 速度下降，同時，壓力與溫度也下降 優(yōu)點： 1. 發(fā)動機質(zhì)量和體積增加很少情況下，發(fā)動機不需作重大改變很容易提 高功率 20%50%。由于不像機械增壓時壓比受到限制，

6、故進來 高增壓的趨勢越來越明顯。高增壓時功率提高甚至可大于 100% 2. 由于廢氣能量的回收，發(fā)動機經(jīng)濟性會明顯的提高。一般由于廢氣能 量的回收能提高經(jīng)濟性 3%4%,再加上相對地減少了機械損失及 散熱損失，提高了發(fā)動機機械效率和熱效率，使發(fā)動機渦輪增壓后油 耗率降低 5%10% 3. 渦輪增壓發(fā)動機對海拔高度的變化有較強的適應(yīng)力，渦輪增壓除了用 來提高發(fā)動機功率外還可用做高原高原發(fā)動機回復(fù)功率 4. 渦輪增壓后排氣噪聲相對減少，排氣煙度及排氣中有害成分也減少， 故對減少污染是有利的 缺點： 1. 迄今為止渦輪增壓發(fā)動機的加速性已接近不增壓或機械增壓發(fā)動機， 擔仍有差距 2. 與機械增壓相比

7、，渦輪增壓時熱負荷問題較為嚴重 3. 對大氣溫度及排氣背壓比較敏感，故經(jīng)常在高背壓下工作的發(fā)動機不 宜采用渦輪增壓 三、可變渦輪增壓技術(shù) 普通渦輪增壓發(fā)動機在全負荷狀態(tài)下時排氣能量非常可觀，但當發(fā)動機 轉(zhuǎn)速較低時，排氣能量卻小的可憐，此時渦輪增壓器就會由于驅(qū)動力不 足而無法達到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓 器并不能發(fā)揮作用，這時候渦輪增壓發(fā)動機的動力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_ 同排量的自然吸氣發(fā)動機，這就是我們經(jīng)常說的“渦輪遲滯”現(xiàn)象。 對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機，解決渦輪遲滯現(xiàn)象常使用小尺寸的輕質(zhì)渦 輪，首先，小渦輪會擁有較小的轉(zhuǎn)動慣量，因此在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，在 發(fā)動機較低轉(zhuǎn)速下

8、渦輪就能達到最佳的工作轉(zhuǎn)速，從而有效改善渦輪遲 滯的現(xiàn)象。不過，使用小渦輪也有它的缺點：當發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，小渦 輪由于排氣截面較小，會使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動 機最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。 三、可變渦輪增壓技術(shù) 雙渦輪增壓 雙渦輪增壓一般稱為 Twin turbo或 Biturbo,雙渦輪增壓是渦輪增 壓的方式之一。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只 渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的時候，較少的排氣即可 驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應(yīng)。 單渦輪雙渦管 單渦輪雙渦管可以說是寶馬的獨有技術(shù)，單渦輪雙渦管就是將一個渦 輪增壓器

9、的氣流在經(jīng)過渦管時分為兩股氣流 ,每股氣流負責 3個缸 .同時于 雙渦輪相比 ,單渦輪的設(shè)計也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。單渦輪雙 渦管發(fā)動機逐漸在寶馬各個車系開始普及。 三、可變渦輪增壓技術(shù) 為解決上述矛盾足，讓渦輪增壓發(fā)動機在高低轉(zhuǎn)速下都能保證良好的增 壓效果， VGT(Variable Geometry Turbocharger）可變截面渦 輪增壓技術(shù)或者 VNT（可變噴嘴環(huán)增壓器）便應(yīng)運而生。 在柴油發(fā)動機領(lǐng)域， VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)早已得到了很廣泛的應(yīng) 用。由于汽油發(fā)動機的排氣溫度要遠遠高于柴油發(fā)動機，達到 1000C 左右（柴油發(fā)動機為 400C左右），而 VGT所使用的硬

10、件材質(zhì)很難承受 如此高溫的環(huán)境，因此這項技術(shù)也遲遲未能在汽油機上應(yīng)用。 近年來，博格華納與保時捷聯(lián)手克服了這個難題，使用了耐高溫的航空 材料技術(shù)，從而成功開發(fā)出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發(fā)動 機，保時捷則將這項技術(shù)稱為 VTG（ Variable Turbine Geometry） 可變渦輪葉片技術(shù)。 三、可變渦輪增壓技術(shù) 圖中渦輪外圍的紅色葉片 就是導(dǎo)流葉片 一般的渦輪并沒有導(dǎo)流 葉片的結(jié)構(gòu) 三、可變渦輪增壓技術(shù) 有的廠商將這項技術(shù)稱為 VNT，比如沃爾沃 和奧迪，它們在本質(zhì)上是一樣的 四、增壓中冷技術(shù) 常用增壓中冷方案： 閉式空 -水中冷：中冷器中冷卻介質(zhì)采用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。該 方案結(jié)構(gòu)與布置簡單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。 分開式空 -水中冷：中冷器采用獨立的冷卻介質(zhì)。該方案可提高中冷器的 冷卻效率，能較低的降低空氣的溫度。結(jié)構(gòu)復(fù)雜些，布置上會增加難度。 共用冷卻風扇空 -空中冷：中冷器裝在發(fā)動機冷卻系散熱器前或后，依靠 風扇和車輛行駛時空氣氣流冷卻增壓空氣。該方案由于它的最少能量消 耗而得到廣泛應(yīng)用 獨立冷卻風扇空 -空中冷：中冷器帶有獨立的冷卻風扇，它可由直流電動 機或空氣渦輪帶動 謝 謝！ -