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废气涡轮增压器的工作原理

废气涡轮增压器的主要部件由壳体、涡轮、压气轮、转轴、浮动轴承、压力执行器、推杆、管路、进气旁通阀(又叫增压旁通阀)、进气旁通电磁阀(也有将进气旁通阀和进气旁通电磁阀合二为一的情况,在下文中将有说明)、废气旁通阀、废气旁通电磁阀等组成

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1-排气管2-喷嘴环3-涡轮4-涡轮壳5-轴6-轴承7-扩压气8-压气机叶轮9-环形压气机壳10-进气管



废气涡轮增压器的工作原理:


柴油机排出的具有800~1000K高温和一定压力的废气经排气管1进入涡轮壳4里的喷嘴环2。由于喷嘴环通过的面积是逐渐收缩的,因而废气的压力和温度下降,速度提高,使它的动能增加。这股高速废气流,按定的方向冲击涡轮,使涡轮高速运转。废气的压力、温度和速度越高,涡轮转的就越快。通过涡轮的废气最后排入大气。
因为涡轮3和离心式压气机叶轮8固装在同一根轴5上,所以两者同速旋转。这样,将经过空气滤清器的空气吸入压气机壳,高速旋转的压气机叶轮8把空气甩向叶轮的外缘,使其速度和压力增加并进入扩压器7。扩压器的形状做成进口小出口大,因此气流的流速下降,压力升高,再通过断面由小到大的环形压气机壳9使空气流的压力继续提高,压缩的空气经柴油机进气管10进入气缸。
废气涡轮增压器用的压气机多采用离心式,它的出口气体压力可达140~300kPa,甚至可达到500kPa。
废气涡轮增压器的一个主要性能指标是压力升高比,简称压比πk。它是指压气机的出口气体压力(Pk)与进口气体压力P1之比值。
废气涡轮增压器按压比可分为低、中、高三种类型,低增压的压πk≤l.4;中增压的压比πk=1.4~2.0;高增压的压比πk≥2。现代柴油机多采用高压比增压器。
汽车用废气涡轮增压器的涡轮多采用径流向心式。进入涡轮的废气流则多利用脉冲式,以使废气的能量得到充分利用。为此,进入增压器的排气管做成分置式,如对发火顺序为1-5-3-6-2-4的6缸机而言,一般1、2、3缸共用一根排气管,沿着涡轮壳上的一条进气道通向半圈喷嘴环;4、5、6缸共用另一根排气管,沿着涡轮壳的另一条进气管通向另外半圈喷嘴环。这样,每根排气管里的排气间隔为240°大于一个冲程,使排气互不干扰,可以充分利用废气的脉冲能量驱动涡轮。并且压力高峰后的瞬时真空有助于气缸扫气

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图2Steyr-WD615柴油机废气增压系统简图
l-空气滤清器2-防冒烟限位器通气管3-连接管4-进气管5-中间冷却器6-水箱7-风扇8-排气管9-涡轮10-压气机



要使充气密度提高,可以增大压气机的压比。但当πk>l.8时,空气密度将随压比升高而减小,且空气温度随压比的升高而升高,加大了柴油机零件的热负载和加大了排气污染。一般采用降低进气温度,来提高充气密度。
有些增压柴油机安装有中间冷却器。试验证明,进入气缸的空气温度每下降10K,功率可提高2.5%~3%,中间的冷却器的效果越显著,增压压力越高。
中间冷却器的结构同散热器。它安装在散热器前方,使热空气利用柴油机上的气管涡轮压气机风扇进行冷却。也有的是利用冷却水冷却,其结构外形随机型而异。


废气涡轮增压器的控制原理


废气涡轮增压器以发动机的排气作为动力,产生高密度的进气,提升发动机的输出功率和扭矩。发动机控制模块(ECM)在控制涡轮增压器器时,主要的控制对象有两个,一个是进气旁通阀,另一个是废气旁通阀。


1.进气旁通控制
发动机以较高转速运行时,如果节气门迅速关闭,会导致通向进气歧管的路径被节气门翻板堵住,使增压系统的高压侧产生波动的峰值压力,如果不对该压力进行控制,将会使涡轮增压器产生明显的振动和噪音,最后导致涡轮增压器损坏。因此在节气门迅速关闭时,ECM通过控制进气旁通电磁阀,让来自进气歧管的真空通过管路引到进气旁通阀,使进气旁通阀内部的阀芯左移,这时高压侧和低压侧的通道接通,将高压侧的压力泄放到低压侧(如图三),减小增压系统中波动的峰值压力,避免对涡轮增压器造成损坏。

另外,如果波动的峰值压力不被泄放,将使压气轮迅速减速,造成下一次增压滞后。因此泄放波动的峰值压力可以让压气轮继续以较高转速运转,为下一次产生增压压力缩短响应时间。


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关于进气旁通阀,还有一种将进气旁通阀和进气旁通电磁阀合成一种阀的方式(该阀也称为进气旁通电磁阀),该方式取消了相关管路和真空源。在节气门迅速关闭时,ECM对此电磁阀进行控制,使电磁阀的阀芯移动,将高压侧压力泄放到低压侧(如图四),起到保护涡轮增压器和让压气轮维持高转速的作用。

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废气旁通阀控制
废气涡轮增压器增压压力的大小取决于冲击涡轮的排气流量,冲击涡轮的排气流量越大,涡轮的转速就越高,同时压气轮的转速也就越高,增压器产生的增压力就越高。因此增压压力的大小是通过控制冲击涡轮的排气流量来实现的。
如图五,来自增压器高压侧的空气经管路通往废气旁通电磁阀后,ECM通过PWM信号控制废气旁通电磁阀,对其两路输出管路的压力进行调节,使压力按一定比例分配到压力执行器和增压器低压侧(进气侧),当通向压力执行器的压力达到一定值后,连接在压力执行器上的推杆将带动废气旁通阀打开,此时通向压力执行器的压力增大,废气旁通阀打开得就越大,这样冲击涡轮的排气流量就减少,于是涡轮转速下降,压气轮转速也下降,导致增压压力下降。
相反,如果通向压力执行器的压力减小,废气旁通阀打开的开度就减小,冲击涡轮的排气流量就增大,于是涡轮转速上升,压气轮转速也上升,导致增压压力上升。
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废气涡轮增压器是利用柴油机排出的具有一定温度和压力的废气能量,经过涡轮转换为转子的回转机械能,从而带动与其同轴的压气机叶轮高速旋转,将新鲜空气加压提高密度后经气管送入气缸,增加了气缸的充气量,从而可以向气缸内喷入更多的柴油提高柴油机的功率。因此,增压是不增加柴油机排量和转速的情况下,提高动力性,改善经济性,降低排气污染的行之有效的手段,也是目前柴油机的发展趋势。

在高原地区,由于气压低,空气稀薄缺氧,自然吸气的发动机功率会有所下降,采用废气涡轮增压器的发动机,海拔的升高对功率的影响较小,因此涡轮增压器在高原运行时随着海拔高度的升高,其转速也会上升,提高了增压压力,可以补偿因海拔高度升高而引起进气密度下降的影响,从而可以减少发动机功率下降的幅度。因此采用废气涡轮增压技术也是恢复发动机高原功率的有效措施。

增压器的润滑:
增压器的润滑油由柴油机主油道供给,回油靠自重直接流回油底壳,为避免增压器漏油,以保证增压器正常、可靠的工作,必须注意其进油及回油的畅通,不得有渗漏现象,回油管截面积及形状不得改变。


涡轮增压器的结构简介:
涡轮增压器一般由涡轮、中间体、压气机三大部分组成。
为了进一步改善涡轮增压器柴油机加速、爬坡能力,满足配套动力的使用要求,本机的废气涡轮增压器带有排气放气阀。

(1)涡轮部分:
主要包括涡轮壳,单级径流式涡轮、它们是一个能量转换器。柴油机排出的废气经过涡轮壳进入喷嘴并以一定的方向喷向涡轮叶轮时,将废气的热量及压力能变成动能,从而使涡轮高速旋转。

(2)中间体:
中间体是支承转子总成及固定涡轮壳、压气机壳的中间支承体,也是润滑和冷却浮动轴转子的润滑箱。

(3)压气机部分:
主要包括单级离心式压气机叶轮、扩压器及压气机壳体,空气经空气滤清器被高速旋转的压气机叶轮吸入,使空气流速增加,压力升高,在京扩压器与压气机壳体使气流的动能转变为压力能,压力进一步提高后经发动机进气管进入气缸,从而使进入发动机气缸的空气密度增加。
涡轮轴与涡轮采用摩擦焊连成一体,压气机叶轮以过渡配合装入涡轮轴上,并用自锁螺母压紧。整个转子总成经过非常精确的动平衡,以保证高速运转情况下正常工作。
转子总成的支承采用内支承,即两个全浮式浮动轴承布置在两叶轮之间的中间体上,转子的轴向力由固定在中间体上的止推轴承装置承受。
增压器的润滑采用压力润滑,其作用是保证转子和轴承在正常运转下获得足够的润滑强度和冷却强度

(4)排气放气阀:
涡轮增压器采用排气放气阀的目的是为了保证发动机在低、中速范围内与涡轮增压器具有最佳的匹配效果,以便发动机能够得到较充足的空气量,并与随之加大的燃油供给量相适应,增大低速扭矩,改善燃油消耗,在高速范围通过排气放气(即部分废气不经过涡轮而直接进入排气管)以避免增压器转子超速或增压压力过高而引起气缸内燃烧压力过大,加剧发动机的机械负荷等。也就是说,涡轮增压器采用排气放气阀,重点是改善发动机的低速扭矩特征,同时兼顾发动机在高速运行时性能指标及使用可靠性。 排气放气阀的启闭由增压压力自动控制,将压气机出口的增压压力引入放气阀调节器的密闭压力室内,当增压压力达到或超过规定值时,其膜片将克服左边的弹簧力,与连动推杆一起向左移动,推动摇臂绕销轴旋转,使放气阀开启,实现排气旁通放气,控制增压器转速的上升。

注意:
放气阀的开启压力规定值时由厂家设定,用户不得进行任何调整,即联动推杆上的调节螺母不得拧动,否则将会严重损害发动机的动力性、经济性及使用可靠性。

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