在介绍涡轮增压柴油机工作原理之前，先回顾一下柴油机的基本工作原理及其与空气增压系统的关系。中间体既是增压器的支承机构，又是增压器的润滑冷却装置。涡轮增压器可使非增压柴油机在高原上工作时得到氧气补偿。柴油机和涡轮增压器相匹配，使进气管压力保持标准大气压。装有增压器的柴油机称为增压柴油机，而直接从大气中吸入空气的柴油机称为非增压柴油机。增压比是增压柴油机的主要性能指标之一，用πk表示。......
2023-09-23
涡轮增压控制系统的结构与检修
【摘要】：涡轮增压器由涡轮室和增压器两部分组成。图4.53废气涡轮增压工作原理废气涡轮增压系统主要由涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀、排气旁通阀控制装置及中冷器等组成，如图4.54 所示。图4.54废气涡轮增压系统结构组成图4.55废气涡轮增压器结构转子以超过100 000 r/min的转速旋转，因此转子的平衡很重要。增压器轴承的结构是车用涡轮增压器维持可靠性的关键之一。
所谓发动机增压，就是将空气滤清器管道送来的空气进行预压缩，然后再供入汽缸的一种措施。它通过提高进气密度来增加进气量，从而提高发动机的功率。实践证明，在小型轿车发动机上采用增压技术后，不仅可以获得良好的动力性，而且燃油经济性也有所提高。
根据增压装置使用的动力源不同，增压装置可分为废气涡轮增压和动力增压两种类型。废气涡轮增压是利用发动机排出的废气量驱动增压装置工作，而动力增压是利用发动机输出动力或电源驱动增压装置工作，由于废气涡轮增压的结构简单又不消耗发动机动力，因此，目前多采用废气涡轮增压的方式，这里介绍废气涡轮增压的结构及原理。
涡轮增压器由涡轮室和增压器两部分组成。涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上，增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和泵轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性连接。
废气涡轮与进气涡轮同轴连接，它们都有叶片、涡轮和泵轮各自装在控制并引导废气和进气的螺旋形腔室内。连接涡轮和泵轮的轴装在轴承中。排气气流由喷嘴引导冲向涡轮叶片。当发动机负荷足够大时，就有足够的废气气流使涡轮和轴高速旋转，从而产生涡流。同时位于轴另一端的泵轮也随涡轮轴一起旋转，如图4.53 所示。泵轮安装在进气系统中，当泵轮旋转时，空气被吸入泵轮中心，泵轮叶片带动空气旋转，使空气在离心力作用下甩出。空气在压力作用下离开泵轮壳进入进气歧管，进气管内的压力增加，使得进入汽缸的燃油混合气增多，提高发动机的功率。
图4.53 废气涡轮增压工作原理
废气涡轮增压系统主要由涡轮增压器、进气旁通阀、排气旁通阀、排气旁通阀控制装置及中冷器等组成，如图4.54 所示。
（1）涡轮增压器
涡轮增压器包括涡轮壳体、压缩壳体、涡轮、泵轮、全浮式轴承、排气旁通阀和执行器等，如图4.55 所示。涡轮和泵轮装配在同一根轴上，通过两个浮动轴承分别安装于涡轮壳体和压气机壳体，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的密封装置等。
涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件构成涡轮增压器转子，安装在增压器轴上。来自排气歧管的废气使涡轮高速运转，同轴上的泵轮也跟着旋转，把进气压入汽缸。转子因直接受到排气的冲击变得特别热而且高速运转，所以必须耐热并且耐磨损。因此，涡轮用超耐热的合金或陶瓷制成。
图4.54 废气涡轮增压系统结构组成
图4.55 废气涡轮增压器结构
转子以超过100 000 r/min（最高可达200 000 r/min）的转速旋转，因此转子的平衡很重要。增压器轴在工作中承受弯曲和扭转交变应力。一般由韧性好、强度高的合金钢40Cr 或18CrNiWA 制造。增压器轴承的结构是车用涡轮增压器维持可靠性的关键之一。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，外层间隙约为0.1 mm。轴承壁厚3～4.5 mm，用铅锡青铜合金制造，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运转。
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。
（2）增压压力的调节
进、排气旁通阀是用来调节汽车涡轮增压系统中的增压压力，排气旁通阀的工作原理如图4.56 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（即增压压力）低于限定值时，膜片在膜片弹簧的作用下左移，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右移，并带动连动杆将排气旁通阀打开，使部分排气不经涡轮机直接进入排气总管中，从而达到控制增压压力及涡轮转速的目的。
图4.56 排气旁通阀工作原理示意图
在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由电磁阀控制。ECU 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，因此能够精确地调节增压压力。
（3）涡轮增压器的润滑及冷却
涡轮增压器的润滑油路及冷却水套如图4.57 所示。来自发动机润滑系统主油道的机油，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。油封损坏将导致机油消耗量增加和排气冒蓝烟。
图4.57 涡轮增压器的润滑油路及冷却水套
由于汽油机增压器的热负荷大，因此要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连。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。
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，在发动机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在停机之前，至少在怠速下运转1 min。
（4）中冷器
涡轮增压（机械增压）的一个缺点是会加热进气。空气温度越高，密度越小。随着空气的温度升高，进气行程进入汽缸的空气量就会减少，另外，进气温度升高也会导致爆震问题。为了克服这些不利影响，增压系统采用了中冷器，中冷器就如同一个散热器，将增压系统中的热量转移出去并散发到大气中。中冷器通常采用风冷方式，也有采用水冷方式的，如图4.58 所示。空气冷却后密度增大，增加进气行程空气量，经中冷器冷却后，空气离开增压器进入汽缸前的温度约为38 ℃。空气每冷却5.5 ℃，发动机的功率就提高1%。若中冷器将空气冷却38 ℃，发动机的功率则可提高10%左右。
图4.58 中冷器的冷却方式
（5）涡轮增压器使用注意事项
①涡轮增压发动机中的机油不仅用来润滑发动机，而且用来润滑和冷却涡轮增压器。发动机机油受涡轮增压器热量的影响，其温度很容易升高。因此，机油和机油滤清器应定期更换，否则会导致涡轮增压器的损坏。
②在冷机启动时，因为轴承得不到充分润滑，高速空转或突然加速会导致轴承损坏。
③在发动机高负荷运转后和关闭发动机之前，务必使发动机怠速运转数分钟。
【任务实施】
（一）任务目标
①会用万用表、故障诊断仪、示波器对电控换气系统的常见故障进行诊断检修。
②会用故障检测仪进行数据流分析。
（二）设备要求
轿车5 台，每台6～8 人，若干万用表、示波器、故障诊断仪、教材、仪器说明书、汽车维修手册及多媒体课件。
（三）任务步骤
①在整车上分析电控进气系统常见故障现象及常见故障部位。
②用故障诊断仪、数字万用表或示波器对照汽车维修手册对常见故障进行排查。
③对电控进气系统的故障部位进行检修。
④用故障检测仪对进气系统的数据流进行分析。
【项目小结】
（1）进气谐波增压系统：进气管长度变长时，压力波波长变长，可使发动机中低速转速区功率增加；进气管长度变短时，压力波波长变短，可使发动机高速区功率增加。
（2）可变配气相位控制系统：系统根据工况连续变更气门正时，即改变进气、排气提前角和迟闭角，以使发动机输出功率增加，减少排放。
（3）废气涡轮增压系统：海拔每升高1 000 m，大气压力下降10%，同等条件下进入汽缸的气体质量随之减少10%，发动机输出功率下降10%，油耗增加5%。进气增压可以很好地解决这一问题。同时消减怠速时充气量不足的问题，为大负荷时减少油气混合气浓度提供可能性，从而提高燃油经济性，减少排放。
【知识拓展】
进气控制系统除了怠速控制系统、电子节气门控制、可变进气系统控制、涡轮增压控制相关技术外，还有可变配气相位及气门升程控制系统。比较典型的可变配气相位技术是丰田公司的VVT-i 技术，配气相位角的大小可根据转速和负载的不同进行调节，高低转速下都可获得理想的进气量，从而提升发动机燃烧效率。其工作原理是系统由ECU 协调控制，来自发动机各部位的传感器随时向ECU 报告运转工况。由于ECU 中储存有气门最佳正时参数，因此ECU 会随时控制凸轮轴正时控制液压阀，根据发动机转速调整气门的开启时间，或提前，或滞后，或保持不变。市面上大部分气门正时系统都可以实现进气门正时在一定范围内无级可调，而少数发动机还在排气门也配备了VVT 系统，从而在进、排气门都实现气门正时无级可调（就是D-VVT，双VVT 技术），进一步优化了燃烧效率。
最典型的气门升程控制是本田公司的VTEC（Variable Valve Timing and Lift ElectronicControl），保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何种速率运转都能达到动力性、经济性与低排放的统一与极佳状态。本田的VTEC 发动机技术已推出了近十年，事实证明这种设计是可靠的。i-VTEC 技术是在现有VTEC 系统的基础上，添加一个“可变正时控制”VTC，即一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，通过ECU 控制程序，控制进气门的开启关闭。随后奥迪、三菱和丰田厂商也都研发了自己的可变气门升程技术。日产和宝马则以更为精巧的设计率先推出了自己的连续可变气门升程技术，实现了气门升程的无级可调，如日产的VVEL 技术。相比分段可调的i-VTEC 技术，连续可变气门升程不仅提供各转速区域内更强的动力，也使得动力的输出更加线性，这项技术最先就被应用在G37 的VQ37VHR 发动机上。此外，宝马的Valvetronic 技术是依靠改变摇臂结构来控制气门升程的，同样可以实现气门升程无级可调。目前，可变气门升程技术基本还只停留在进气端，因此可变气门升程技术在未来还有很大的提升空间。
据统计，有30%的油耗发生在怠速工况，标准排量1.6 L 的发动机怠速时平均油耗为41.6 mL/min，1 L 汽油平均只能怠速空转23.8 min，怠速3 min 能使汽车在高速公路行驶1 km。在2012 年，欧洲新上市的车中已有50%配备怠速启停控制系统。据统计，这套系统能在城市工况下达到15%的节油能力，具备超强的环保表现。
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