认识发动机增压系统

学习情境8　汽车发动机增压系统维护

●知识目标

1．掌握汽车发动机机械增压系统结构和工作原理。

2．掌握汽车发动机涡轮增压系统结构与工作原理。

●能力目标

1．能拆装汽车发动机机械增压系统。

2．能拆装汽车发动机涡轮增压系统。

3．能对发动机增压系统进行保养与维护。

●任务分析

增压就是将空气预先压缩然后再供入汽缸，以期提高空气密度、增加进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应地增加循环供油量，从而可增加发动机功率。同时，增压还可改善燃油经济性。实践证明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可获得相当好的燃油经济性，而且还由于发动机功率增加，可以得到驾驶人所期望的良好的加速性。

任务8．1　认识发动机增压系统

8．1．1　概述

增压有涡轮增压、机械增压和气波增压3种基本类型。实现空气增压的装置，称为增压器。各种增压类型所用的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。

（1）机械增压器

机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带及电磁离合器驱动（见图8．1）。机械增压能有效地提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。另外，机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是，由于驱动增压器需消耗发动机功率，因此，燃油消耗率比非增压发动机略高。

图8．1　机械增压示意图

（2）涡轮增压器

涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。如图8．2所示，将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入汽缸。涡轮增压也称排气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有机械的联系。涡轮增压的优点是经济性比机械增压和非增压发动机都好，并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平。涡轮增压的缺点是低速时转矩增加不多，而且在发动机工况发生变化时，瞬态响应差，致使汽车加速性，特别是低速加速性较差。

图8．2　涡轮增压示意图

图8．3　气波增压器示意图

（3）气波增压器

气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。如图8．3所示，在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。气波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无须冷却。与涡轮增压相比，其低速转矩特性好，但是体积大，噪声高，安装位置受到一定的限制。目前，这种增压器还只能在低速范围内使用。由于柴油机的最高转速比较低，因此多用于柴油机上。

8．1．2　机械增压系统

（1）组成

电控汽油喷射式发动机上所采用的一种机械增压系统示意图。如图8．4所示，机械增压器6为罗茨式压气机，由曲轴带轮12经传动带和电磁离合器带轮11驱动增压器6工作。空气经增压器增压后再经中冷器7降温，然后进入汽缸。当发动机在小负荷下运转时不需要增压，这时电控单元（ECU）17根据节气门及节气门位置传感器3的信号，使电磁离合器断电，增压器停止工作。与此同时，电控单元向进气旁通阀5通电使其开启，空气经旁通阀及旁通管道进入汽缸。爆燃传感器9安装在发动机机体上，它将发动机发生爆燃的信号传输给电控单元，电控单元则发出相应的指令减小点火提前角，以消除爆燃。

图8．4　电控汽油喷射式发动机机械增压系统示意图

1—空气滤清器；2—空气流量计；3—节气门及节气门位置传感器；4—怠速空气控制阀；
5—进气旁通阀；6—机械增压器；7—中冷器；8—喷油器；9—爆燃传感器；10—冷却液温度传感器；11—电磁离合器带轮；12—曲轴带轮；13—氧传感器；
14—三效催化转换器；15—分电器；16—点火线圈；17—电控单元（ECU）

图8．5　罗茨式压气机

（2）罗茨式压气机

1）结构组成

在机械增压器当中，罗茨式压气机最广为人知。如图8．5所示，它由转子、转子轴、传动齿轮、壳体、后盖及齿轮室罩等构成。在压气机前端装有电磁离合器及电磁离合器带轮。在罗茨式压气机中有两个转子。发动机曲轴带轮经传动带、电磁离合器带轮和电磁离合器驱动其中的一个转子，而另一个转子则由传动齿轮带动与第一个转子同步旋转。转子的前后端支承在滚子轴承上，滚子轴承和传动齿轮用合成高速齿轮油润滑。在转子轴的前后端装置油封，以防止润滑油漏入压气机壳体内。

罗茨式压气机的转子有两叶的，也有三叶的（见图8．6）。通常两叶转子为直线型，而三叶转子为螺旋形。三叶螺旋形转子有较低的工作噪声和较好的增压器特性。在相互啮合的转子之间以及转子与壳体之间都有很小的间隙，并在转子表面涂敷树脂，以保持转子之间以及转子与壳体间较好的气密性。转子用铝合金制造。

图8．6　压气机转子

2）罗茨式压气机的工作原理

当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出口压出（见图8．7）。出口与进口的压力比可达1．8。罗茨式压气机结构简单、工作可靠、寿命长，供气量与转速成正比。

图8．7　罗茨式压气机的工作原理示意图

（3）电磁离合器

电磁离合器安装在传动带轮中。如图8．8所示，电控单元根据发动机工况的需要，发出接通或切断电磁离合器电源的指令，以控制增压器的工作。当接通电源时，电磁线圈通电，主动板吸引从动摩擦片，使离合器处于接合状态，增压器工作。当切断电源时，电磁线圈断电，主动板与从动摩擦片分开，增压器停止转动。

8．1．3　涡轮增压系统

图8．8　电磁离合器

（1）单涡轮增压

涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统。只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统，如图8．9所示。涡轮增压系统除涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀、排气旁通阀和排气旁通阀控制装置等。

（2）双涡轮增压六缸汽油喷射式发动机的双涡轮增压系统。如图8．10所示，两个涡轮增压器并列布置在排气管中，按汽缸工作顺序把1，2，3缸作为一组，4，5，6缸作为另一组，每组3个汽缸的排气驱动一个涡轮增压器。因为3个汽缸的排气间隔相等，所以增压器转动平稳。另外，把3个汽缸分成一组还可防止各缸之

间的排气干扰。此系统除包括涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀及排气旁通阀控制装置之外，还有中冷器、谐振室和增压压力传感器等。

图8．9　单涡轮增压系统示意图

（3）涡轮增压器的结构及工作原理

车用涡轮增压器由离心式压气机、径流式涡轮机及中间体3个部分组成。如图8．11所示，增压器轴通过两个浮动轴承支承在中间体内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还有防止机油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等。

图8．10　双涡轮增压系统示意图

图8．11　涡轮增压器结构

（4）离心式压气机

离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。如图8．12（a）所示，当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高，即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。

扩压管分叶片式和无叶式两种。无叶式扩压管实际上是由蜗壳和中间体侧壁所形成的环形空间。无叶式扩压管构造简单，工况变化对压气机效率的影响很小，适于车用增压器。叶片式扩压管是由相邻叶片构成的流道，其扩压比大，效率高，但结构复杂，工况变化对压气机效率有较大的影响。蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出口。空气在蜗壳中继续减速增压，完成其由动能向压力能转变的过程。压气机叶轮由铝合金精密铸造，蜗壳也用铝合金铸造。

图8．12　离心式压气机与径流式涡轮机结构

（5）径流式涡轮机

涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮及出气道等组成。如图8．12（b）所示，蜗壳的进口与发动机排气管相连，发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管。喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击叶轮，并在叶片所形成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮旋转。涡轮机叶轮经常在900℃高温的排气冲击下工作，并承受巨大的离心力作用，所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的质量大约减小2／3，涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善。喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。蜗壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应该光洁，以减少气体流动损失。

（6）转子

涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子。转子以超过100 000 r／min，最高可达200 000 r／min的转速旋转，因此，转子的平衡是非常重要的。增压器轴在工作中承受弯曲和扭转交变应力，一般用韧性好、强度高的合金钢40Cr或18CrNiWA制造。

（7）增压器轴承

增压器轴承的结构是车用涡轮增压器可靠性的关键之一。现代车用涡轮增压器都采用浮动轴承。浮动轴承实际上是套在轴上的圆环。圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙，形成双层油膜。圆环浮在轴与轴承座之间。一般内层间隙为0．05 mm左右，外层间隙大约为0．1 mm。轴承壁厚为3～4．5 mm，用锡铅青铜合金制造，轴承表面镀一层厚度为0．005～0．008 mm的铅锡合金或金属铟。在增压器工作时，轴承在轴与轴承座中间转动。

如图8．13所示，增压器工作时产生轴向推力，由设置在压气机一侧的推力轴承承受。为了减少摩擦，在整体式推力轴承两端的止推面上各加工有4个布油槽；在轴承上还加工有进油孔，以保证止推面的润滑和冷却。

图8．13　涡轮增压器轴承及其润滑

（8）增压压力的调节

在汽车涡轮增压系统中设置进、排气旁通阀，是调节增压压力最简单、成本最低而又十分有效的方法。排气旁通阀的工作原理如图8．14所示。控制膜盒中的膜片将膜盒分为上、下两个室。上室为空气室经连通管与压气机出口相通，下室为膜片弹簧室。膜片弹簧作用在膜片上，膜片通过连动杆与排气旁通阀连接。当压气机出口压力，也就是增压压力低于限定值时，膜片在膜片弹簧的作用下上移，并带动连动杆将排气旁通阀关闭；当增压压力超过限定值时，增压压力克服膜片弹簧力，推动膜片下移，并带动连动杆将排气旁通阀打开，使部分排气不经过涡轮机直接排放到大气中，从而达到控制增压压力及涡轮机转速的目的。

图8．14　排气旁通阀工作示意图

有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵。电控单元根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制电磁阀开闭的脉冲信号占空比，以此改变电磁阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力（见图8．15）。虽然排气旁通阀在涡轮增压汽车发动机上得到了广泛的应用，但是排气旁通之后，排气能量的利用率下降，致使在高速大负荷时发动机的燃油经济性变差。

图8．15　电控排气旁通阀涡轮增压系统

任务8．2　增压系统维护

由多年的经验可知，造成涡轮增压器事故的主要原因是润滑问题，如润滑油供油滞后、节流或缺油和在润滑油里有杂质等。占第二位的原因是外来物体进入主压气机叶轮或涡轮叶轮。

要有良好的维护保养习惯，特别是对空气滤清器、润滑油品质和润滑油滤清器等的维护保养。因为涡轮增压器工作转速很高，所以良好的维护保养是非常重要的。适当的操作步骤和预防性的维护保养，可保证涡轮增压器的使用寿命和良好性能。

除了偶尔要对压气机进行清洗以外，不需要单独对涡轮增压器作周期性的维护保养。因为一般的维修人员没有专用设备是不能对涡轮增压器做校准和调整工作，并且涡轮增压器的润滑油是由它所在的发动机供应的。所以涡轮增压器的预防性维护保养主要是保证发动机与空气增压系统的完整性以及不让发动机以损害涡轮增压器和发动机自身的方式来工作。

8．2．1　涡轮增压器的润滑及冷却

来自发动机润滑系统主油道的机油首先经增压器中间体上的机油进口进入增压器，润滑和冷却增压器轴和轴承，然后机油经中间体上的机油出口返回发动机油底壳，在增压器轴上装有油封，用来防止机油窜入压气机或涡轮机蜗壳内。如果油封损坏，将导致机油消耗量增加和排气冒蓝烟。

如图8．16所示，由于汽油机增压器的热负荷大，因此在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套，并用软管与发动机的冷却系统相通。冷却液自中间体上的冷却液进口流入中间体内的冷却水套，从冷却液出口流回发动机冷却系统。冷却液在中间体的冷却水套中不断循环，使增压器轴和轴承得到冷却。

图8．16　涡轮增压器的润滑油路与冷却水套

有些涡轮增压器在中间体内不设置冷却水套，只靠机油及空气对其进行冷却。当发动机在大负荷或高转速工作之后，如果立即停机，那么机油可能由于轴承温度太高而在轴承内燃烧。因此，这类涡轮增压发动机应该在停机之前，至少在怠速下运转1 min。

8．2．2　涡轮增压器日常维护预防性措施

（1）在发动机润滑油压力建立以前，必须使发动机保持在怠速状态

发动机在启动之后立即加速，会使涡轮增压器在其轴承还来不及得到充分润滑的情况下就以最大转速工作。涡轮增压器在润滑不充分的情况下工作会损坏它的轴承。重复地这样做会导致涡轮增压器过早地损坏。

建议驾驶员启动发动机后应先怠速运行3～5 min。

（2）在发动机停车之前，要使它的温度和转速逐步地从最大值降下来

涡轮增压器的工作转速和连续工作温度都比其他机器要高。当发动机在最大输出功率或最大扭矩状态下工作时，涡轮增压器的转速和温度也达到最大值。当发动机在这一工作点突然停车时，会使发动机尤其是涡轮增压器出问题。这时，要发动机中速怠速或在轻负荷工况下工作一段时间，同时仍要保持发动机的润滑油压力和流过冷却系统的空气量不变。遵循这些准则可防止涡轮增压器长期在缺乏润滑油的情况下运转，并可防止涡轮增压器内部积炭现象，这是在热回吸的作用下使轴承或中间壳里的残留润滑油碳化而形成的。

建议驾驶员在停机前应先怠速运行3～5 min。

（3）预先润滑涡轮增压器

在更换滑油或做任何维修（包括放出润滑油）之后，涡轮增压器需要进行预先润滑。在发动机启动前要将曲轴盘动几次。启动发动机后，在进入高速运转前，让它怠速一段时间，以建立起整个润滑油循环和压力。

（4）低温时启动发动机必须谨慎

当环境温度过低或车辆长时间不用时，会影响发动机建立正常的润滑油压力和流量。在这种情况下，发动机启动后必须怠速几分钟才能进入高速工作状态。

（5）要避免发动机长时间的怠速

当涡轮和压气机中气体压力过低和涡轮增压器轴的转速过低时，润滑油会通过密封件渗漏到涡轮和压气机中。这一般不会造成机械损伤，但会弄脏叶轮，使用户产生抱怨。

●思考题

1．何谓增压？增压有哪几种基本类型？它们各有何优缺点？

2．汽油机增压有何困难？如何克服？

3．为什么要控制增压压力？在涡轮增压系统中是如何控制或调节增压压力的？