第七章 汽車發動機增壓

第一節 概述

所謂增壓就是將空氣預先壓縮後再供入氣缸，以期提高空氣密度，增加進氣量的一項技術。由於進氣量增加，可相應地增加循環供油量，從而可以增加發動機的功率。同時，增壓還可以改善燃油經濟性。實踐證明，在小型汽車發動機上采用渦輪或機械增壓，當汽車以正常的經濟車速行駛時，可以得到駕駛員所期望的良好的加速性。

增壓有渦輪增壓、機械增壓和氣波增壓等三種基本類型。實現空氣增壓的裝置稱為增壓器。各種增壓類型所用的增壓器分別稱為渦輪增壓器，機械增壓器和氣波增壓器。

機械增壓器4由發動機曲軸1經齒輪增速器5驅動(圖7-1a)，或由曲軸齒形傳動帶輪經齒形傳動帶9及電磁離合器6驅動(圖7-1b)。機械增壓能有效地提高發動機功率，與渦輪增壓相比，其低速增壓效果更好。另外，機械增壓器與發動機容易匹配，結構也比較緊湊。但是，由於驅動增壓器需消耗發動機功率，因此燃油消耗率比非增壓發動機略高。

渦輪增壓器由渦輪機2和壓氣機3構成，如圖7-2所示。將發動機排出的廢氣引入渦輪機，利用廢氣所包含的能量推動渦輪機葉輪旋轉，並帶動與其同軸安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內增壓後進入氣缸(圖7-2)。渦輪增壓的優點是經濟性比機械增壓和非增壓發動機好，並可大幅度地降低有害氣體的排放和噪聲水平。渦輪增壓的缺點是低速時轉矩增加不多，而且在發動機工況發生變化時，瞬態響應差，致使汽車加速性，特別是低速加速性差。

氣波增壓器中有一個特殊形狀的轉子3，由發動機曲軸帶輪經傳動帶4驅動(圖7-3)。在轉子3中發動機排出的廢氣直接與空氣接觸，利用空氣壓力波使空氣受到壓縮，以提高進氣壓力。其波增壓器結構簡單，加工方便，工作溫度不高，不需要耐熱材料，也無需冷卻。與渦輪增壓相比，其低速轉矩特性好，但是體積大，噪聲水平高，安裝位置受到一定的限制。目前，這種增壓器還隻能在低速范圍內使用。由於柴油機的最高轉速比較低，因此多用於柴油機上。

將機械增壓以渦輪增壓適當結合，可以構成多種形式的復合增壓系統。例如，串聯復合增壓便是其中的一種。在這種增壓系統中，空氣先經渦輪增壓器提高壓力後，進入中間冷卻器降溫，在經機械增壓器增壓。這種增壓方式主要用於高增壓發動機上。並聯復合增壓則是由機械增壓器和渦輪增壓器同時向發動機供給增壓空氣。在低轉速范圍主要靠機械增壓，而在高轉速范圍主要靠渦輪增壓。這種增壓系統使發動機低速轉矩特性得到改善。

在汽車柴油機上采用渦輪增壓已經有半個多世紀瞭，但在1980年以前，一直沒有廣泛地用於車用汽油機，特別是化油器式發動機上，汽油機增壓比柴油機增壓要困難的多，其主要原因是:

1) 汽油機增壓後爆燃傾向增加。

2) 由於汽油機混合氣的過量氣系數小，燃燒溫度高，因此增壓後汽油機和渦輪增壓器的熱負荷大。

3) 車用汽油機工況變化頻繁，轉速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機的匹配相當困難。

4) 渦輪增壓汽油機的加速性較差。當節氣門突然開大要求混合氣量迅速增加時，卻由於增壓器轉子的慣性，使增壓器加速遲緩，發動機進氣量的增加將滯後一段時間。完全消除渦輪增壓器對發動機工況變化的影響滯後現象比較困難。

但是，近些年來，車用汽油機，特別是轎車汽油機的渦輪增壓得到瞭較大的普及和發展。這是因為隨著高速公路的發展，車主對汽車高動力性能的要求的追求日益強烈。另外，汽油噴射式發動機和電控技術的發展，以及小型增壓器性能的改善，都為普及和發展汽油機增壓技術創造瞭有利條件。

為瞭克服汽油機增壓的困難，在汽油機增壓系統中采取瞭許多措施，其中有:

1) 在電控汽油噴射式發動機上實行汽油機增壓，成功地擺脫瞭化油器式發動機與渦輪增壓器匹配的困難。電控技術的應用，可以極其方便地對汽油機增壓系統進行爆燃控制，放氣控制和排放控制等。

2) 應用點火提前角自適應控制，來克服由於增壓而增加的爆燃傾向。利用裝在發動機上的爆燃傳感器檢測爆燃信息，並將其傳輸給電控單元(ECU)，電控單元則發出指令推遲點火時刻以消除爆燃。待爆燃消除後，自適應地逐步加大點火提前角，使發動機在比較理想的狀況下工作。

3) 對增壓後的空氣進行中間冷卻。因為空氣增壓後溫度升高，密度減小，如果溫度過高，不僅會減少進氣量，消弱增壓效果，還可能引起發動機爆燃。實踐證明，對增壓空氣實行中冷，對提高功率，降低油耗，降低熱負荷和減輕爆燃都十分有利。因此，不但在汽油機增壓系統中設置中冷器，而且在高增壓柴油機增壓系統中也設有中冷器。

4) 采用增壓壓力調節裝置。增壓壓力與渦輪增壓器的轉速有關，而增壓器轉速又取決於廢氣能量。發動機在高轉速，大負荷工作時，廢氣能量多，增壓壓力高;相反，低轉速，小負荷時，廢氣能量少，增壓壓力低。因此，渦輪增壓發動機的低轉速轉矩小，加速性差。為瞭獲得低速，大轉矩和良好的的加速性，轎車由渦輪增壓的設計轉速常為標定轉速的40%。但在高轉速時，增壓壓力將會過高，增壓器可能超速。過高的增壓壓力使汽油機熱負荷過大並發生爆燃，為此必須采用增壓壓力調節裝置，以控制增壓壓力。最為簡單而又十分有效的這類裝置是進排氣旁通閥或放氣閥。

第二節 機械增壓

一、 機械增壓系統

圖7-4所示為電控汽油噴射式發動機上所采用的一種機械增壓系統示意。圖中機械增壓器6為羅茨式(Roots-type)壓氣機，由曲軸帶輪12經傳動帶和電磁離合器帶輪11驅動增壓器6工作。當發動機在小負荷下運轉時不需要增壓，這時電控單元(ECU)根據節氣門位置傳感器3的信號使電磁離合器斷電，增壓器停止工作。與此同時，電控單元17向進氣旁通閥5通電使其開啟，即在不增壓的情況下，空氣先經中冷器7降溫。爆燃傳感器9安裝在發動機體上，它將發動機發生爆燃的信號傳輸給電控單元，電控單原則發出相應的指令減小點火提前角，即可消除爆燃。

二、機械增壓器

在機械增壓器中，羅茨式壓氣機最廣為人知，其結構如圖7-5所示。它由轉子3，轉子軸4，傳動齒輪7，殼體9，後蓋5和齒輪室罩8構成。在壓氣機前曲軸帶輪經傳動帶，電磁離合器帶輪1和電磁離合器2驅動之中的一個轉子，而另一個轉子則由傳動齒輪7帶動與第一個轉子同步旋轉。轉子的前後支承在滾子軸承10上，滾子軸承和轉動齒輪用合成高速齒輪油潤滑。在轉子軸的前後端裝置油封，以防治潤滑油滲漏入壓氣機殼內。

羅茨式壓氣機的轉子有兩葉的，也有三葉的。同窗兩葉轉子為直線型(圖7-6a)，而三葉轉子為螺旋型(圖7-6b)。三葉螺旋型轉子有較低的工作噪聲和較好的增壓器特性。在相互嚙合的轉子之間以及轉子與殼體之間都有很小的間隙，並在轉子表面塗敷樹脂，以保持轉子之間以及轉子與殼體之間較好的氣密性。轉子用鋁合金制造。

羅茨式壓氣機的工作原理如圖7-7所示。當轉子旋轉時，空氣從壓氣機入口吸入，在轉子葉片的推動下空氣被加速，然後從壓氣機出口壓出。出口與入口的壓力比可達1.8。

三、電磁離合器

電磁離合器安裝在傳動帶輪1中，其結構如圖7-8所示。電控單元根據發動機工況的需要，發出接通或切斷電磁離合器電源的指令，以控制增壓器的工作。當接通電源時，電磁線圈3通電，主動板2吸引從動摩擦片6，使離合器處於結合狀態，增壓工作。當切斷電源時，電磁線圈斷電，主動板與從動摩擦片分開，增壓器停止轉動。

第三節 渦輪增壓

一、渦輪增壓系統

渦輪增壓系統分為單渦輪增壓系統和雙渦輪增壓系統。隻有一個渦輪增壓器的增壓系統為單渦輪增壓系統，如圖7-9所示。渦輪增壓系統除渦輪增壓器之外，還包括進氣旁通閥2，排氣旁通閥9和排氣旁通閥控制裝置10等。

圖7-10所示位六缸汽油噴射式發動機的雙渦輪增壓系統示意。其中兩個渦輪增壓器並列佈置在排氣管中，按氣缸工作順序把1，2，3缸作為一組，4，5，6缸作為另一組，每組三個氣缸的排氣渦輪驅動一個渦輪增壓器。因為三個氣缸的排氣間隔相等，所以增壓器轉動平穩。另外，把三個氣缸分成一組還可以防止各缸之間的排氣幹擾。此系統除包括渦輪增壓器9，進氣旁通閥2，排氣旁通閥10及排氣旁通控制裝置11之外，還有中冷器3，諧振室4和增壓壓力傳感器5等。

二、渦輪增壓器的結構及工作原理

車用渦輪增壓器有離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三部分組成（圖7-11）增壓器5通過兩個浮動軸承9支承在中間體14內。中間體內有潤滑和冷卻軸承的油道，還有防止潤滑油漏入壓氣機或渦輪機中的密封裝置等。

1.離心式壓氣機

離心式壓氣機由進氣道6，壓氣機葉輪3，無葉式擴壓管2及壓氣機機殼1等組成（圖7-11）。葉輪包括葉片和輪轂，並由增壓器軸5帶動旋轉。

當壓氣機旋轉時，空氣經進氣管進入壓氣機葉輪，並在離心力的作用下沿著壓氣機葉片1之間形成的流道（圖7-12），從葉輪中心流向葉輪的周邊。空氣從旋轉的葉輪獲得能量，使其流速，壓力和溫度均有較大的增高，然後進入葉片式擴壓管3。擴壓管為漸擴形流道，空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所升高。即在擴壓管中，空氣所具有的大部分動能轉變為壓力能。

擴壓管分葉片式和無葉片式兩種。無葉片式擴壓管實際上是由渦殼和中間體側壁所形成的環形空間。無葉片式擴壓管構造簡單，工況變化對壓氣機效率的影響很小，適於車用增壓器。葉片式擴壓管是由相鄰葉片構成的流道，其擴壓比大，效率高，但結構復雜，工況變化對壓氣機效率有較大的影響。

渦殼的作用是收集從擴壓管流出的空氣，並將其引向壓氣機出口。空氣在渦殼中繼續減速增壓，完成汽油動能向壓力轉變的過程。

壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造，渦殼也用鋁合金鑄造。

2.徑流式渦輪機

渦輪機是將發動機排氣的能量轉變為機械裝置。徑流式渦輪機由渦殼，噴管，葉輪和出氣道等組成（圖7-13）。

渦殼4的進口與發動機排氣管相連，發動機排氣經渦殼引導進入葉片式噴管3。噴管是由相鄰葉片構成的減縮形流道。排氣流過噴管時降壓，降溫，增速，膨脹，使排氣的壓力能轉變為動能。由噴管流出的高速氣流沖擊葉輪1，並在葉片2所形成的流道中繼續膨脹做功，推動葉輪旋轉。

與壓氣機的擴壓管類似，渦輪機的噴管也有葉片式和無葉片式之分。現代車用徑流式渦輪機多采用無葉片使噴管（參看圖7-11）渦輪機的渦殼除具有引導發動機排氣以一定的角度進入渦輪機葉輪的功能之外，還有將排氣的壓力能和熱能部分地轉變動能的作用。

渦輪機葉片經常在900攝氏度高溫的排氣沖擊下工作，並承受巨大的離心力的作用，所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造。用質量輕並且耐熱的陶瓷材料可使渦輪機葉輪的重量大約減少三分之二，渦輪增壓加速滯後的問題也在很大程度上得到改善。

噴管葉片用耐熱和抗腐蝕的合金鋼鑄造或機械加工成形。

渦殼用耐熱合金鑄鐵鑄造，內表面應該光潔，以減少氣體流動損失。

3.轉子

渦輪機葉輪，壓氣機葉輪和密封套等零件安裝在增壓器軸上，構成渦輪增壓器轉子。轉子以超過100000r/min，最高可達200000r/min的高轉速旋轉，因此，轉子的平衡是非常重要的。

增壓器軸在工作中承受彎曲和扭轉交變應力，一般用韌性好，強度高的合金鋼40CR或18CrNiWA制造。

4.增壓器軸承

增壓器軸承的結構是車用渦輪增壓器可靠性的關鍵之一。現代車用渦輪增壓器都采用浮動軸承（圖7-14）。浮動軸承實際上是套在軸上的圓環。圓環與軸以及圓環與軸承座之間都有間隙，形成雙層油膜。圓環浮在軸與軸承座之間。一般內層間隙為0.05mm，外層間隙大約為0.1mm。軸承壁厚約3–4.5mm，用錫鉛青銅合金制造，軸承表面度一層厚度約為0.005–0.008的鉛錫合金或金屬銦。在增壓器工作時，軸承在軸與軸承座中間轉動。

增壓器工作時產生軸向推力，由設置在壓氣機一側的推力軸承1承受。為瞭減少摩擦，在整體式推力軸承兩端的止推面6上各加工有四個佈油槽7；在軸承上還加工有進油孔5，以保證止推面的潤滑和冷卻（圖7-14）。

三、增壓壓力的調節

在渦輪增壓系統中都設有進氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力（參看圖7-9和7-10）。排氣旁通閥及其控制裝置在增壓器上的安裝位置如圖7-15所示。控制膜盒1中的膜片將膜盒分為左室和右室，右室經連通管11與壓氣機出口相通，左室設有膜片彈簧作用在膜片上。膜片還通過連動桿2與排氣旁通閥3連接。當壓氣機出口壓力，也就是增壓壓力低於限定值時，膜片在膜片彈簧的作用下移向右室，並帶動連動桿使排氣旁通閥保持關閉狀態。當增壓壓力超過限定值時，增壓壓力克服膜片彈簧力，推動膜片移向左室，並帶動連動桿將排氣旁通閥打開，使部分排氣不經過渦輪機而直接排放到大氣中，從而達到控制增壓壓力機渦輪機轉速的目的。

進氣旁通閥的工作原理與排氣旁通閥相似。

在有些發動機上，排氣旁通閥的開閉由電控單元操縱的電磁線圈控制。電控單元根據壓氣機出口增壓壓力的降低，對電磁線圈通電或斷電，以開閉排氣旁通閥。有的電控單元還能按照預編程序，在發動機突然加速時，允許增壓壓力短時間超出限定值，以提高發動機的加速性。

四、渦輪增壓器的潤滑及冷卻

來自發動機潤滑系統主油道的機油，經增壓器中間體上的機油口1進入增壓器，潤滑和冷卻增壓器軸和軸承，然後，機油經中間體上的機油出口2返回發動機油底殼（圖7-16）。在增壓器軸上裝有油封，用來防止機油竄入壓氣機或渦輪機渦殼內。如果油封損壞，將導致機油消耗量增加和排氣冒煙。

由於汽油機增壓器的熱負荷大，因此在增壓器中間體的渦輪機側設置冷卻水套，並用軟管與發動機的冷卻系連通。冷卻液自中間體上的冷卻液進口3流入中間體內的冷卻水套4，從冷卻液出口5流回發動機冷卻系。冷卻液在中間體的冷卻水套中不斷循環，使增壓器軸和軸承得到冷卻。

有些渦輪增壓器在中間體內不設置冷卻水套，隻靠機油及空氣對其進行冷卻。當發動機在大負荷或高轉速工作之後，如果立即停機，那麼機油可能由於軸承溫度太高而在軸承內燃燒。因此，這類渦輪增壓發動機應該在停機之前，至少在怠速下運轉1分鐘。

第四節 氣波增壓

一、 氣波增壓器構造

氣波增壓器中有一個轉子，沿其軸向開有許多梯形截面的氣體流道（參看圖7-3）。轉子懸臂地支承在兩個軸承4上（圖7-17），與增壓器殼6以及前後端蓋都不接觸。一個端蓋接低壓空氣和高壓空氣管，稱空氣端蓋1；另一個端蓋接高壓排氣管和低壓排氣管，稱排氣端蓋8。支承轉子5的兩個軸承4佈置在空氣端蓋1中，以保證得到良好的冷卻。

空氣端改用鋁合金鑄造，排氣端蓋用鑄鐵鑄造，增壓器殼和轉子則用低膨脹鋼制造。在增壓器外面包敷絕熱材料，以減少熱量的散失。

二、氣波增壓器工作原理

氣波增壓器的工作原理基於一種氣體動力現象：當壓縮波在管道內傳播時，在管道的開口端反射為膨脹波，而在管道的封閉端則反射為壓縮波。反之亦然，即當膨脹波在管道內傳播時，在管道的開口端反射為壓縮波，而在封閉端則反射為膨脹波。

在氣波增壓器中，空氣增壓所需要的能量來自柴油機的排氣。空氣的壓縮過程和排氣的膨脹過程均在轉子中的氣體流道內進行，其工作過程可用圖7-18所示的轉子軸向展開圖來說明。

首先從圖的底部開始。在A點，轉子的流道中充滿來自大氣的低壓空氣，圖中的豎直線表示氣體處於靜止狀態。柴油機的排氣先流入排氣箱1中，然後從排氣箱以定壓流入高壓排氣管2。當轉子旋轉倒充滿低壓空氣的氣體流道3與高壓排氣管相通時，排氣的壓縮波立即以當地聲速傳入流道，並壓縮其中的空氣，使其向高壓空氣管6加速流動，排氣則隨壓縮波之後流入流道。由於轉子沿著方向U不停地轉動，因此每個流道中壓縮波波峰的連線相對轉子的轉動方向是一條斜線。在流道中被壓縮的空氣經高壓空氣管6流入空氣箱7，然後進入柴油機氣缸。當流道的左端傳過高壓排氣管時，排氣不再流入轉子，但流道中原有的壓縮波繼續在傳播。當壓縮波抵達轉子的右端時，轉子流道已轉過高壓空氣管，這時排氣約充滿流道長度的2/3，前面是排氣與空氣的混合區，再前面是殘留的高壓空氣。原壓縮波的反射波仍為壓縮波，在壓縮波傳播和反射過程中有所衰減，致使封閉流道內的靜壓力略低於高壓排氣管內的靜壓力，但其總壓力仍略高於高壓空氣管內的總壓力。在轉子繼續轉動過程中，流道中的排氣壓力在區域B內處於靜止狀態。當轉子流道的左端與低壓管4相通時，壓縮波反射為膨脹波傳入流道，並向流道的右端推進，致使流道內的壓力下降。當流道右端與低壓空氣管相通時，大氣中的低壓空氣從右端流入流道，流道內的排氣則加速倒流進低壓排氣管。當排氣及排氣與空氣的混合氣完全從流道中清除出去後，整個工作循環又從A點開始。

氣波增壓器的工作原理很簡單，但在實際運用中卻遇到許多困難，其中最大的難題便是如何在較寬的轉速范圍內都獲得高的增壓壓力。由於轉子和柴油機之間的轉速比是固定的，當柴油機轉速降低時，轉子的轉速也隨之降低。但是，壓力波在轉子流道中的傳播速度隻決定於排氣或空氣的溫度，而排氣溫度取決於柴油機負荷，與轉速關系不大。由此可知，隻能按柴油機某一轉速來確定最佳轉子尺寸和轉子速度。當轉子轉速偏離設計轉速時，增壓效果明顯變差。經過長期研究改進之後，氣波增壓器更適用於轉速和轉矩在較寬范圍內變化的汽車用柴油機。