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涡轮增压器的工作原理结构作用对发动机的影响

2021-10-18 来源:舟山农业机械网

2017-10-06 12:45:10来源: 贤集网

近些年,增压技术越来越多的出现在汽车上,而增压方式有两种,除了涡轮增压,还有一种机械增压,但是机械增压一般应用在大排量豪华车上。而日常所说的带T的车型一般指的是涡轮增压。下面贤集网小编与大家分享下涡轮增压器的工作原理、结构、作用,对发动机的影响。

涡轮增压器的工作原理

一个鼓风机往气缸里打压缩空气,原理简单并不代表着设计和加工容易。

涡轮增压器通过压缩空气来增加进气量,利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

二战后,汽车工业发展十分迅猛,全球各大车企都在努力提升汽车性能,到了六七十年代,为了单纯追求动力出现了庞蒂亚克GTO,克尔维特等一大批肌肉车,这类肌肉车大都使用5.0以上排量的发动机,在当时的技术条件下马力达到了惊人的400多匹。

因为那时候各国对排放,油耗都不敏感,而石油价格也比现在便宜。到了近十几二十年,各国开始对环保,排放的要求越来越严格,对大排量车重税,石油价格一路飙升,大排量车缺点开始明显。但是人们对动力的需求是不会倒退的,那么就迫切需要一项技术来改善小排量车动力弱的缺点,所以涡轮增压技术重新回到设计师的视线里,并且逐渐成熟,一个重要原因就是它可以在不增加排量的情况下强制更多的空气进入气缸参与燃烧,进一步提高发动机的功率。

涡轮增压作用

汽车发动机是靠燃料在发动机汽缸内燃烧作功而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下,要提高输出功率,最有效的方法就是提供更多燃料燃烧,但传统发动机进气系统在一定转速下就难以提供充足的空气来支持燃烧,好比让一个速跑运动员带着很厚的口罩跑步,喘不上气来,自然就无法发挥最大水平。而涡轮增压是一种提高发动机的进气能力的技术,它采用专门的压气机将气体预先压缩再输入汽缸,这样,气体的质量将大大增加,而进气量由直接决定着喷油量,可以燃烧更多的燃料就意味着动力的提升。

那涡轮是什么,增压又是什么

涡轮的形式分为两种轴流式涡轮和径流式涡轮轴流式涡轮顾名思义,是沿着轴向流动方向布置的涡轮机,应用在喷气式飞机的发动机,弹道导弹的发动机和火箭的发动机。

径流式涡轮指空气由轴向进入叶轮后转入径向,沿叶轮径向输出,多用在汽车的涡轮增压器。

涡轮增压器结构

涡轮增压器主要由进气涡管,机芯,排气涡管和压力调节器,机芯里有轴承,机油润滑系统水冷却通道。

涡轮增压器转速最低在每分钟几万转,在高工况下到到每分钟20万转,排气侧外壳温度轻松超过800摄氏度,对金属性能,润滑和冷却要求十分苛刻,在只有两包烟体积大小的金属机芯内既要安排浮动轴承,还要安装润滑系统,和冷却用的水道,加工工艺和设计难度可想而知,而然这些都不算真正的技术难度,正真困难的是涡轮匹配和设计上,进气侧和排气侧如果匹配不好,不光不能增压,反而会阻碍进气和排气,而涡轮的倒角和叶片数量也是经过严格的计算和实验的。并不是盲目的扩大涡轮叶片就能提高增压性能的。

涡轮增压器对发动机的影响

最明显的就是采用增压形式会使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增加,需要使用更坚固和更耐高温的金属对发动机做强化,调整供油系统,改变配气相位,合理增大气门重叠角度,增大过量空气系数,调整排气系统,对增压空气的冷却。

但是涡轮增压器也是有硬伤的,低速时废气能量过低,增压压力不足,导致进气不畅。内在原因在于小流量时压气机受到喘振现象,导致工作不稳定。(喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工作现象,在压气机的特性曲线上有一条喘振线,又称稳定工作临界线。)而高速时废气能量过高,引起进气量过高,导致混合气过稀。在高速工况下,为了避免增压空气过量,所有的涡轮增压器上都有压力调节器,目的就是在达到最佳工况下把多余的废气直接导入到排气管道中。

对于低速工况下,这里就要提到两个增压方案,定压涡轮增压系统和脉冲增压系统,先简单说一下这两个系统的差别,定压涡轮增压系统是各缸的废气排到一个总管里,然后导入到排气涡管。脉冲增压系统是将不同的气缸的废气分别导入到涡管里。

定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内,然后再引入涡轮。尽管各个缸是交替排气的,但是由于排气管的稳压作用,涡轮入口处的压力基本不变,故称为定压增压系统。定压涡轮的主要优点是:涡轮在定压下全周进气,效率较高;气流引起的激振较小,不易引起叶片断裂;排气系统简单,成本较低,易于布置和维护。简单来说,增压器的进气口是一根管,没有分隔。我们大多数车的增压器都是采用定压涡轮增压系统,原因是制造成本相对较低,对排气侧叶轮的冲击载荷较小。

而脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损失能量的利用率。这种方案的特点是排气管做的短而细,排气系统容积要尽可能小,使排气能直接迅速的进入涡轮机中膨胀做功,减少节流损失。为减少各缸排气压力波的相互干扰,往往采用两根或更多排气支管将相邻的发火气缸的排气相互隔开。从而使各缸的废气不产生冲击,依次导入涡管,使排气管的排空更快,从而减少排气背压,改善内燃机的扫气性能。这就是宝马近几年提出的双涡流涡轮增压器,应用在新开发的2.0的发动机上。

但相信很多开过涡轮增压车型的朋友都有体会,在实际驾驶中,转速大概得升到2300-3000rpm左右才会迸发出最大扭矩,很多人会误以为这个过程就叫涡轮迟滞,其实不然。涡轮迟滞并不会出现在稳态工况下,也就是定住一个油门开度例如全油门加速,是没有办法感受到涡轮迟滞的。当踩下油门后,涡轮并不是立刻进入工作状态,而是要先通过之前发动机运作产生的废气推动涡轮叶片,达到一定转速之后才能产生一定的增压作用,提高空气压力,这些高压空气充满进气管道、中冷器之后,才开始进入气缸燃烧。从踩下油门,到增压空气参与燃烧,需要一定的时间,涡轮从怠速到进入正常工作状态,并非一瞬间发生的,而是要比油门动作稍微晚一些,所以被称之为涡轮迟滞。

也有人经常吐槽涡轮增压车费机油,其实机油属于消耗品,每一辆车都会或多或少烧机油,只不过同排量的自吸车和涡轮增压车相比,需要的润滑油是相对要少的,其实是这个直接参数对我们的感官产生了误导。因为涡轮增压车从结构上就比比自吸车多一个增压器需要用机油来润滑和辅助冷却,如果增压器油封损坏,那还真的就是烧机油了,最明显的就是发动机冒蓝烟。

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