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涡轮增压器结构
发布日期：2010-11-11

发动机是靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。构造涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器，涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。原理涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是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。技术涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度的是支承涡轮轴运转的“浮式轴承”，它工作转速可达10万转/分以上，加上环境温度可达六、七百度以上，决非一般轴承所能承受，由于轴承与机体内壁间有油液做冷却，又称“全浮式轴承”。缺点另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是，“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。改进但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情，它是利用发动机的废气工作的，这些废气的能量如果不加以利用也会白白地浪费掉。因此，自从涡轮增压器面世以来，人们就经常对它进行技术改造，例如提高加工精度，尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙，以便提高废气能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐热高，刚度强，重量轻的优点，可以将涡轮增压器做得更加紧凑，体积更少，而且能减少涡轮的“滞后响应”时间。在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，会发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上，因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化。图解涡轮增压器涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是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，使之增压进入汽缸。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汽缸，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。一般的内燃机多采用“自然进气”方式工作，这种方式是利用活塞下行时汽缸内部产生的真空度，借助于外界的大气压力，将混合气压入汽缸。然而，受到各种因素的影响使得汽缸的进气量很难达到100%，依实测数据，一般汽油机的容积率约在60%－70%之间。即使设计精良的发动机也只能达到80%左右。由于容积率每提高1%，发动机的输出功率约能提高3%，于是人们发明了增压器。增压器最初是在柴油机上使用，分活塞式和离心式，发动机输出的动力来驱动。因为柴油机是喷油点火方式，被压缩的是纯空气，不像汽油机那样是在混合气被压缩过程中经火花塞的高压电火花点燃，所以为了提高功率，柴油机的压缩比已经很高，加上增加器后功率可提高30%~100%。但它要消耗发动机的部分输出功率，这对于汽车、摩托车使用的轻型汽油机来说就有些得不偿失，于是设计师们想到了利用废气来驱动增压器的方法，这就是排气涡轮增压器。涡轮增压器由装在同一根增压器轴上的涡轮机叶轮和压气机叶轮组成，增压器轴支承在增压器壳体内的轴承上，涡轮机叶轮和压气机叶轮上都有很多叶片，从汽缸排出的废气直接进入涡轮机，并推动叶轮和增压器轴旋转，因为压气机叶轮固定在增压器轴的另一端，所以压气机叶轮随轴也一起旋转。压气机的叶轮安装在进气管道内，当压气机叶轮旋转时，空气被吸入进气管道，经压气机压缩之后送入进气管。大多数增压发动机是气道燃油喷射式发动机，喷入进气道内的燃油与压缩空气混合形成密度较大的空气燃油混合气。由于进入汽缸的混合气量增多，因此发动机功率增加。涡轮增压叶轮以超过100 000r/min的高速度旋转，因此叶轮的平衡及轴承润滑是非常重要的。在增压器开始对进气管内的空气加压之前，增压器轴必须达到一定的转速，有些涡轮增压器在发动机转速为1 250r/min时开始压缩空气，而在2 250r/min时达到增压压力。一、增压压力的控制如果涡轮增压器的增压压力不加限制，那么过高的进气管压力及过高的燃烧压力可能使发动机零件损坏，为此很多涡轮增压器都装有放气膜盒。从膜盒到涡轮机壳体上的放气阀用连动杆连接，膜片弹簧压住放气阀使其关闭，进气管内的增压压力作用到放气膜片上。当进气管内的增压压力达到安全极限时，增压压力推压放气膜片并打开放气阀，使部分废气不经过涡轮机叶轮，从而限制了涡轮增压器轴的转速及增压压力。在某些发动机上，作用在放气膜片上的增压压力由电脑纵，通过PCM使电磁线圈通电或断电来控制增压压力。有些电脑按预编程序在突然加速时，允许短时间产生较高的增压压力，以改进发动机的加速性。二、涡轮增压器的冷却废气流过涡轮机叶轮使增压器的温度升高，尤其是发动机大负荷下工作时，很多涡轮增压器有冷却水管从增压器壳体通到冷却系统，冷却剂在涡轮增压器壳体内循环以冷却轴和轴承。发动机润滑系统的机油从主油道供入增压器轴承及轴，以润滑和冷却轴承，后经增压器壳体返回曲轴箱。在增压器轴上设有油封，用来防止机油窜入压气机或涡轮机叶轮室，如果油封损坏，机油会窜入压气机或压气机叶轮室导致排气冒蓝烟及机油消耗量增加。有些涡轮增压器没有连接增压器壳体的冷却水管，而是*机油及空气冷却，当发动机在大负荷或高转速工作后如果立即停机，那机油可能在机油及空气冷却的增压器轴承内燃烧，燃烧所产生的坚硬碳粒会把增压器轴承刮伤，如有冷却剂在增压器壳体内循环，就可降低轴承温度而避免发生这类问题。因此，用机油及空气冷却的涡轮增压器在大负荷或高速工作之后、停机之前，发动机至少要在怠速下运转1min，这样有助于防止增压器轴承损坏。三、国外开发应用涡轮增压技术状况涡轮增压器用于重载场合虽已多年，但1980年以前一直没有广泛用于汽车上，直到各种耐热材料的出现、涡轮增压器低速加速迟缓及轴承冷却困难的问题逐步解决后才开始用于汽车上。雪佛兰首先在CORVAIA汽车上使用涡轮增压器，后来又在许多赛车中陆续使用，有的使用了2~3个增压器，串联起来增至3个大气压，以达到数倍未增压发动机的功率。日本本田公司率先在CX500摩托车发动机上采用涡轮增压器配以电喷系统控制发动机的供油量，使其功率达到57.33kW（8000r/min），而同等级不用涡轮增压器发动机的功率不过35.28kW，功率提高了62.5%。随后日本铃木公司、雅马哈公司在大排量摩托车发动机上使用涡轮增压器，其发动机功率、车速均有较大幅度的提高。自从陶瓷材料问世以来，由于其具有坚硬、耐腐、耐热、抗热震、耐高温变、自润滑、在高温工作环境中性能稳定等优点，用它制成“陶瓷发动机”、“陶瓷增压器”，无需冷却系统、润滑系统，体积可缩小40%，质量可减小20%，寿命可延长100%，日产汽车公司、东京发动机公司等单位相继研制了陶瓷材料，并将其投放汽车市场，收到了良好的效果。

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