对于2.0T的汽车而言,大家都知道2.0代表排气量,T代表涡轮增压,若是再详细问排气量是什么?涡轮增压原理是什么?相信很多人又说不上来,前期文章我们讲解了排量的含义,这篇文章主要讲解一下涡轮增压器的分类、工作原理和结构,供大家参考!
废气涡轮增压两种基本方式:
等压增压
柴油机所有气缸的排气管都连接于一根粗大的排气总管,排气总管再与废气涡轮连接。这样,排气总管实际上还起了稳压箱的作用,尽管各气缸轮流排气,但进入涡轮时气体压力的波动不大。
脉冲增压
将涡轮增压器尽量靠近气缸,并把柴油机各缸的排气支管做得短而细,总之使排气管容积尽可能小些。每根排气支管只与部分喷咀环接通,即所谓“部分进气”。这种系统工作时,排气管中形成脉冲压力波,进入涡轮的废气压力和速度都是变化的,所以称为脉冲涡轮增压。
脉冲涡轮由于间歇进气、部分进气,其叶轮叶片容易发生较强的共振,在叶片根部产生较大的附加应力。等压涡轮叶片振动则小得多。为了有效地利用废气的脉冲动能,脉冲增压对排气系统的布置、构造和加工等都有较严格的要求。如要求排气管尽量短而细、光滑且弯头少。因此脉冲增压对气口、管道的清洁程度较敏感。脉冲增压的涡轮离排气阀很近,燃气中的燃烧产物较容易污损涡轮,所以其维护管理工作量较大。
为了解决上述矛盾,脉冲增压技术发展中出现了其它几种增压方式,如下面介绍的脉冲转换增压、多脉冲增压以及模件式脉冲转换增压等。
脉冲转换增压
A和B为细的排气支管,每根排气支管连接两个排气期不相重叠的气缸。A、B分别通过收缩管与混合管相连接——构成了引射喷咀,然后再与涡轮的一个进口连接。当连接排气支管A的某缸排气阀开启时,排气支管内压力迅速升高,形成一个压力波,减少了排气阀处的节流损失。排气压力波很快到达收缩管。气体流经收缩管时加速进入混合管,部分压力能转换为动能。此时接于B管的某缸正处于排气末期和扫气时期,在收缩管处的气流已经减弱,所以排气支管A来的高速气流加速了B管来的气流,使B管的收缩管口压力下降——产生一个膨胀波,使B管压力下降。即A管对B管产生引射(抽吸)作用。这有助于B管扫气缸的扫气,改善了扫气效果;减少了排气末期活塞的推出功。两股气流在混合管混合后,便较稳定连续地进入涡轮,减少了涡轮由于间歇进气引起的损失。
多脉冲增压
多脉冲增压的原理和脉冲转换增压相似。它将排气不重叠的气缸连接到一根细的排气支管上,每一根排气支管通入一个收缩管,各收缩管合成一束,形成一个花瓣形多孔渐缩锥形管与带喉口的混合管相连接,各收缩管相互起引射作用,最后进入涡轮增压器,实现全周进气,提高了涡轮效率。它适用于高、中速机,气缸数不受限制。
模件式单排气总管增压
模件式单排气总管增压包括模件式脉冲转换(MPC)增压、单管排气系统(SPES)等,它们工作原理类似,近年来发展迅速。其外表有些象等压增压,只是排气总管为组合式而且细得多,性能比多脉冲增压方式更好。MPC增压方式每个缸的排气出口均装有一个模件式脉冲转换器。排气出了排气阀,很快充满短小的排气支管,减少了超临界阶段阀出口处的节流损失。而且支管与总管之间由于相互引射,起了良好的动力隔离作用。
废气涡轮增压器工作原理
废气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击力来推动涡轮室的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤器管道送来的空气,使之增压进入气缸。进入气缸的空气压力和密度增大,可以燃烧更多的燃料,相应增压燃料量和调整发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率。
所以这要分两部分讲解,一是废气端的轴流式涡轮的工作原理,二是压气端的离心式压气机的工作原理。
轴流式涡轮的工作原理
轴流式涡轮的主要工作元件是固定的喷咀环和旋转的叶轮,它们组成涡轮的一个级。废气涡轮增压器一般均用单级涡轮。喷咀环的通道呈收缩形状,叶轮叶片间的通道也是收缩形的。当废气流过喷咀环时,其压力和温度下降为,而速度从增加。在喷咀中,废气的部分内能变成动能。由于叶轮在高速气流作用下旋转并作机械功,故气流的绝对速度下降。气流在弯曲而渐缩的叶轮叶片间通道中转弯(冲动作用)和膨胀相对速度提高(反动作用),使叶片凹面上压力提高,凸面上压力降低。作用在叶片表面上压力的合力形成了带动叶轮旋转作功的力矩。
离心式压气机工作原理
利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机叶轮叶片的前端部分呈弯曲状称为导轮,起作用是将气体无冲击的导入工作叶轮,减小气流冲击损失。小型增压器的压气机叶轮一般将导轮与工作叶轮制成一体。压气机的叶轮出口有扩压器,使气体在叶轮中获得的动能尽可能多地转化为压力。扩压器分为叶片式和缝隙式两种。压气机的外壳有气流的进口和出口。进口一般呈轴向布置,流道略呈渐缩,以减小进气阻力。出口一般设计成流道沿圆周渐扩的蜗壳状,使高速气流在那里继续扩压,提高增压器的总效率。
废气涡轮增压器结构
废气涡轮增压器结构型式很多,但它们之间存在一些共同点,一般由径流式涡轮、离心式压气机及带有支承装置、密封装置、润滑和冷却装置的中间壳等组成。
下图为ABB公司VTR454型废气涡轮增压器。从图上可看出,涡轮增压器是由右边的轴流式涡轮和左边的离心式压气机组成。压气机叶轮与涡轮叶轮装在一根轴上,构成涡轮增压器的转子,它由两端的滚动轴承16和23支承。柴油机废气首先进入涡轮进气壳18,流经喷咀环19、叶轮叶片20后由排气壳7的出口排出。新鲜空气则经消音滤清器1吸入,流经进气壳2、压气机叶轮22以及扩压器5后汇集到出气蜗壳4,再由出气蜗壳出口排出。
图为气波增压器的工作原理。当转子按箭头方向转动时,转子上由叶片组成的轴向气道与高压燃气入口接通,遂产生压缩波。压缩波以声速沿气道传播,并将燃气能量传递给充满气道内的空气,使其压力和密度升高并向前流动。高压空气出口设在高压燃气入口的斜对面,并顺转动方向向前错开一个角度。当气道与高压空气出口接通时,高压空气供入内燃机进气管。在燃气到达气道长度的 2/3左右时,气道恰好转过高压燃气入口,燃气停止流入气道。当气道与低压燃气出口接通时,燃气继续膨胀并经排气总管排入大气,气道内的压力继续下降。当气道与低压空气入口接通时,由于气道内处于负压,新鲜空气自大气被吸入气道。气道转过低压空气入口和低压燃气出口后,气道内遂充满新鲜充量。转子继续转动又开始下一个相同的循环。
气波增压器提供的增压压力在整个内燃机转速范围内变化不大,能量转换过程也不受转子惯性的影响,因此气波增压器具有良好的速度和负荷响应特性,比较适合于汽车发动机增压的要求,增压压力与大气压力之比可达2.5:1。但气波增压器运转噪声大,结构不如涡轮增压器(见废气涡轮增压)紧凑,故应用尚少。