柴油机涡轮增压器的结构和原理

第3期 2007年 6月 内燃机 Internal Combustion Engines No．3 Jun．2007 摘要：介绍了废气涡轮增压器、旁通涡轮增压器两种典型的涡轮增压器的结构及原理。 关键词：柴油机；废气涡轮增压器；旁通涡轮增压器；结构原理 中图分类号：TK423．5 文献标识码 ：A 文章编号：1000—6494(2007)03-0026—02 Structure and Principle of TurbOchargers in Diesel Engines JIAO Gao—rong，Wang Bin (Taiyuan Branch，The General Research Institute of Coal Science，Taiyuan 030006，China) Abstract：The paper introduces mainly the structures and principles of two typical turbochargers：waste gas turbocharger and bypass turbocharger． Key words：diesel engine；waste gas turbocharger；byp ass turbocharger；structure and principle 1 概述 随着汽车运输行业的发展，采用大功率、低污染 的柴油机作为汽车动力源已成为一种趋势。目前， 国内外普遍采用的都是增加发动机的充气量和 供油量，即由柴油机的排气来驱动涡轮机，从而由涡 轮机拖动压气机来提高进气压力，获得较大的充气 量，这一方法称为废气涡轮增压。 发动机采用废气涡轮增压有以下几点好处 ： a．提高发动机功率、降低油耗。实践表明，在一 般柴油机上通过改动进、排气管，增大供油量，加装 废气涡轮增压器，可明显增加柴油机功率。例如， 6135柴油机采用涡轮增压器后，功率由原来的 118 kW可提高到 153 kW，功率增加近 30％，而油耗则 降低 5．7％。 b．减小单位功率质量，缩小外形尺寸。例如，我 院防爆胶轮车引进 Perkinsl 104—44TA增压机后，可 用四缸机取代原来 1006—6的六缸机，使外形尺寸 大大缩小，为整车的布置带来诸多便利。 C．采用增压技术可以有效降低排放污染。由于 涡轮增压发动机增大了进气量，使得燃烧比较完全， 从而使废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也 较少。 基金 项 目：煤 炭 科学 研究 总 院技 术创 新 基金 资 助 (2004CX11) 作者简介：焦高荣(1969一)，男，山西运城人 ，高级工程 师，主要从事矿用防爆柴油机的技术支持工作。 收稿日期：2007—0l—l0 d．采用增压技术后，发动机燃烧压力升高率降 低，工作较柔和，噪声比较小。 e．采用增压技术后，对于高原地区使用的发动 机更显必要。由于高原地区气压低，单位质量的空 气中含氧量较平原地区少，易导致发动机功率下降。 一 般认为，海拔每升高 1 000 m，发动机功率下降8％ 一 10％，燃油消耗率增加 3．8％ 一5．5％，加装涡轮增 压器后，可以恢复功率，同时减少油耗。 2 废气涡轮增压器 废气涡轮增压器是目前汽车柴油机普遍采用的 一 种脉冲式增压器，见图 1。增压系统主要由增压 器、增压器机油滤清器和相应的进出油管组成。其 中，增压器主要由废气涡轮机和压气机两部分组成。 其工作原理为：涡轮机与发动机排气管相连，发动机 排出的高能量废气高速进入涡轮并推动涡轮高速运 图 1 废气涡轮增压器工作原理图 I ， 卉 。 ．． ¨ 矗 ¨ z 0 0 鼍 毒 ， 卉 螽 0 ¨舟 蠹 帮 船 弩 冀 毋 导 夤 B士 籍 舟 话 毋 蠢 始 母 务 啬 毒 ； n 、 ． 舟 素 番 露 露 ．毋 量 膏 矗 t ．一 0 ☆ ， 0 舟 、 士 ¨n n ☆ 五 ．_1．“ ¨ n 、士 ， ．． ☆ ． 音 矗 矗 々 ’：： ．、．．_ “ ¨ ． ；士 鲁 n ． ．_壤-一．．．． ． 々 ， 尊 盘 -¨ 毒 p r ， 0 ．h _= ～ ． ． ． ^ ． ^ L 1 ． ． ． ， - 1， 叠 、 ¨^ 。 ， ， 嚣 舟 n ． ； h 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 焦高荣等：柴油机涡轮增压器的结构和原理 气机叶轮工作，压气机与进气系统中空气滤清器相 连。这样经空气滤清器滤清后的空气进入压气机， 使空气的压力得以提高，进气密度得以增加，从而大大 提高进气量，为提高柴油机的功率创造必要的条件。 3 旁通涡轮增压器 与废气涡轮增压器相 比较，二者的工作原理基 本相同，不同之处是涡轮增压器带有旁通阀。柴油 机在大负荷高速运转时，由于排气流量大、能量大， 将使涡轮增压器的转速随之升高，导致增压压力升 高。但是，在发动机低速工作时，即使增加了负荷， 废气流量也较小，这样会出现低速时发动机增压空 气压力低，扭矩增量过小的缺点，旁通阀即为解决这 一 问题而设置。当发动机处于高速大负荷工况时旁 通阀打开，一部分废气不经涡轮而直接排放到排气 管中，这样可以降低增压器的转速，控制压比在一个 合理的范围内，使增压器不致于因增压过高而导致 转速过快。 图2 旁通涡轮增压器示意图 如图2所示，旁通涡轮增压器在涡轮进口处设 置了一个受增压压力控制其开启、关闭的执行机构。 发动机工作时，旁通阀与曲柄整体转动，并通过推杆 (上接第9页) b．对数正态分布不仅可以描述内燃机零件的疲 劳断裂，也可以描述“过程控制参数突现重大异常， 混人大量不合格品”这样的生产过程现象。 [参考文献] [1] Weibull W．A Statistical Function of Wide Applicability 与固定在增压器壳体上的执行器中的弹簧一端相 连，而执行器的另一端则通过软管与压气机出口的 增压压力相通。当增压压力达到一定程度时，克服 了弹簧预紧力，并推动推杆，让曲柄打开旁通阀，将 进入涡轮的部分废气经旁通阀通道直接排人排气管 中，从而将废气涡轮增压器的增压压力控制在一个 合理的范围之内。 如何解决低速时扭矩不足的问题呢?其实，由 于车用发动机转速范围很广，涡轮增压器受发动机 及增压器特性的限制，很难在高、低速端均获得最佳 匹配，而旁通涡轮增压器正是以低速端进行最佳匹 配，使发动机低速时转矩大，排放污染低，同时，又通 过旁通阀来解决由此而产生的高速端时增压压力过 高的问题，从而解决了高速端和低速端同时兼顾的 问题 。 4 润滑系统 由上述两种典型涡轮增压器的结构原理知，二 者都是在高温、高转速的恶劣条件下工作。由于涡 轮进口处的废气温度高达 700℃，增压器的最高转 速达到 100 000 r／min以上，所以必须设置专门的润 滑机构来润滑。如图 1所示，保证增压器转子浮动 轴承的润滑和润滑油的清洁十分必要。来 自发动机 主油道的压力机油经过滤器再次精滤后送人轴承 处，润滑并带走此处的热量，润滑后的机油返回发动 机油底壳进行冷却，从而保证增压器工作的可靠性 和使用寿命。 5 结束语 总之，采用涡轮增压器后，整车试验和道路使用 结果表明：直接档的加速性能明显改善；换档时加速 性能良好；同时，低速性能明显改善，启步较快，爬坡 普遍可用高一个档次。这样汽车的运输效率得以提 高，排放污染较普通发动机低。 Journal of Applied Mechanics，1951，18． [2] 吴兆汉，蔡坪，陈深龙．内燃机可靠性[M]．北京： 北京理工大学出版社，1988 [3] 刘惟信．机械可靠性设计[M] 北京：清华大学出版社， 1996． 维普资讯 http://www.cqvip.com