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1、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī) 進(jìn)氣密度提高到高于周?chē)h(huán)境密度的一切方法， 都稱(chēng)為增壓。 增壓的目的是通過(guò)增加充氣量，以提高功率，改善 經(jīng)濟(jì)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(jì) 50年代初，渦輪增壓技術(shù)由船舶領(lǐng)域應(yīng)用的車(chē)用領(lǐng)域。 1953年，美國(guó) 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(dòng)機(jī)上，在提高柴油機(jī)功率和改善燃油 經(jīng)濟(jì)性方面取得良好效果。 從 20世紀(jì) 60年代起，國(guó)外開(kāi)始在車(chē)用柴油機(jī)上大量采用渦輪增壓 技術(shù)。 20世紀(jì) 70年代末，汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)取得突破性進(jìn)展。 20世紀(jì) 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(dòng)機(jī)是依靠渦輪增壓器來(lái)加大發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的一 種發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓器 (Turbo)實(shí)際上就是一個(gè)空氣壓縮機(jī)。 它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣作為動(dòng)力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪 ( 位于排氣道內(nèi) )，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪位于進(jìn)氣道內(nèi)，葉輪 就壓縮由空氣濾清器管道送來(lái)的新鮮空氣，再送入氣缸。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量就相應(yīng)地得到增 加，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的有效功率為： 式中： Pme 發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力； Vs 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸工作容積 ， Vs=SD2/4 n 發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速 i 氣缸個(gè)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(dòng)機(jī)功率的增長(zhǎng)程度常以增壓度表示 增壓度是指發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓后增長(zhǎng)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(jī)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(lèi)。 大中型柴油機(jī)多采用軸流式渦輪增壓器，而對(duì)于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)則用徑流式 增壓器。 廢氣渦輪增壓兩種基本類(lèi)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(jī)的工作原理圖，它是由離心式壓氣機(jī)和徑流式 渦輪機(jī)這兩部分，以及支撐裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)所組 成。 二、渦輪增壓的基本原理 離心式壓氣機(jī)的工作原理。離心式壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣道、工作輪、擴(kuò)壓 器和出氣渦流殼組成?？諝庋厥諗康妮S向進(jìn)氣道流入時(shí)，氣流略有加速。 二、渦輪增壓的基本原理 徑流式渦輪機(jī)主要由進(jìn)氣渦輪殼、噴嘴環(huán)、工作輪及出氣道組成。進(jìn)氣 渦輪殼的作用是引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣均勻的進(jìn)入渦輪。根據(jù)增壓系統(tǒng)的
5、 要求，渦輪殼可以有 1個(gè)、 2個(gè)甚至更多的進(jìn)氣口。 由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中排出的氣體以一定的速度經(jīng)進(jìn)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?xì)饨?jīng)過(guò)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(jìn)入渦輪機(jī) 工作輪。 1. 葉片間的通道面積是漸縮的，使部分壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能，即 氣體的壓力降低，溫度降低，氣體的流動(dòng)速度增加； 2. 工作輪的輪周功完全有氣體的絕對(duì)速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化，工作輪的出口氣體 速度下降，同時(shí)，壓力與溫度也下降 優(yōu)點(diǎn)： 1. 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和體積增加很少情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需作重大改變很容易提 高功率 20%50%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制，
6、故進(jìn)來(lái) 高增壓的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。高增壓時(shí)功率提高甚至可大于 100% 2. 由于廢氣能量的回收，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯的提高。一般由于廢氣能 量的回收能提高經(jīng)濟(jì)性 3%4%,再加上相對(duì)地減少了機(jī)械損失及 散熱損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后油 耗率降低 5%10% 3. 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)力，渦輪增壓除了用 來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率外還可用做高原高原發(fā)動(dòng)機(jī)回復(fù)功率 4. 渦輪增壓后排氣噪聲相對(duì)減少，排氣煙度及排氣中有害成分也減少， 故對(duì)減少污染是有利的 缺點(diǎn)： 1. 迄今為止渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性已接近不增壓或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)， 擔(dān)仍有差距 2. 與機(jī)械增壓相比
7、，渦輪增壓時(shí)熱負(fù)荷問(wèn)題較為嚴(yán)重 3. 對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在全負(fù)荷狀態(tài)下時(shí)排氣能量非?？捎^，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣能量卻小的可憐，此時(shí)渦輪增壓器就會(huì)由于驅(qū)動(dòng)力不 足而無(wú)法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓 器并不能發(fā)揮作用，這時(shí)候渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_(tái) 同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是我們經(jīng)常說(shuō)的“渦輪遲滯”現(xiàn)象。 對(duì)于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，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(huì)擁有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，在 發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速下
8、渦輪就能達(dá)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(guò)，使用小渦輪也有它的缺點(diǎn)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，小渦 輪由于排氣截面較小，會(huì)使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動(dòng) 機(jī)最大功率和最大扭矩會(huì)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(chēng)為 Twin turbo或 Biturbo,雙渦輪增壓是渦輪增 壓的方式之一。針對(duì)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(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，較少的排氣即可 驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)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(shuō)是寶馬的獨(dú)有技術(shù)，單渦輪雙渦管就是將一個(gè)渦 輪增壓器
9、的氣流在經(jīng)過(guò)渦管時(shí)分為兩股氣流 ,每股氣流負(fù)責(zé) 3個(gè)缸 .同時(shí)于 雙渦輪相比 ,單渦輪的設(shè)計(jì)也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。單渦輪雙 渦管發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸在寶馬各個(gè)車(chē)系開(kāi)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(dòng)機(jī)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(yùn)而生。 在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到 1000C 左右（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)技術(shù)也遲遲未能在汽油機(jī)上應(yīng)用。 近年來(lái)，博格華納與保時(shí)捷聯(lián)手克服了這個(gè)難題，使用了耐高溫的航空 材料技術(shù)，從而成功開(kāi)發(fā)出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發(fā)動(dòng) 機(jī)，保時(shí)捷則將這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)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(méi)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(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為 VNT，比如沃爾沃 和奧迪，它們?cè)诒举|(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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。該 方案結(jié)構(gòu)與布置簡(jiǎn)單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。 分開(kāi)式空 -水中冷：中冷器采用獨(dú)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(huì)增加難度。 共用冷卻風(fēng)扇空 -空中冷：中冷器裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系散熱器前或后，依靠 風(fēng)扇和車(chē)輛行駛時(shí)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(dú)立冷卻風(fēng)扇空 -空中冷：中冷器帶有獨(dú)立的冷卻風(fēng)扇，它可由直流電動(dòng) 機(jī)或空氣渦輪帶動(dòng) 謝 謝！ -
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