发动机和空气增压系统的工作原理

发动机和空气增压系统的工作原理在讨论涡轮增压发动机系统之前，先回顾一下内燃机的基本工作原理及其同空气增 压系统的关系。内燃机是一种耗气机械，因为燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程。一旦空气燃 比达到某一值后，再增加燃油，除了将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外。不会产生更 多功率，因此，超过空燃比极限后，增加供油量只会造成燃油消耗量过多、大气污染、 废气温度升高，并使柴油机寿命缩短。是空燃比为9000 比 1 典型情况。由此可见，增加 空气量的能力对发动机来说是多么重要。涡轮增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵。废气驱动涡轮叶 轮总成（HOT SIDE热侧）。它与压气机叶轮（COLD SIDE冷侧）相连接，当涡轮增压 器转子转动时，大量的压缩空气被送到发动机的燃烧室里。由于增加了压缩空气的重量， 就可以使更多的燃油喷入到发动机里去，使发动机在尺寸不变的条件下而产生更多的功 率。一台装有涡轮增压器的发动机的功率输出与其非增压时相比可增加 40%或更多。涡 轮增压发动机或任何高比功率输出的发动机，都需要经过仔细调整，发动机的零部件和 系统都要能在“恶劣”的环境工况中工作。因为涡轮增压器具有输送和压缩空气能力， 而这有时会超过发动机总体参数的要求，所以在选择合适的涡轮增压器和设定发动机燃 油量时要特别小心。若选择不当会导致发动机过热，或燃烧室燃烧温度和压力过高。燃 烧温度和压力过高会引起发动机零部件的严重故障，从而对发动机寿命产生不利影响。 在现场，对涡轮增压发动机供油量作任何调整时，只能按照制造厂商推荐的参数和步骤 进行。为了更好地理解涡轮增压的原理，我们必须对发动机的工作原理以及在四个冲程中 气缸和进排气管内气体的压力和流量有所了解。为使有用的作用力传送到曲轴上，在燃 烧冲程中气缸内会产生非常高的压力。在做功冲程结束时，尽管气缸里的气体已比原先 膨胀了许多倍，但气缸里的压力仍然很高。当发动机运行到这一点时，排气门被打开， 气体能量随高压燃气释放到排气管中，所释放的能量与发动机比功率的势能成正比。当发动机低速或怠速运行时，极少的能量被释放到排气管中。但当发动机发出功率 时，就有大量的能量以高温燃气的形式在气缸中膨胀做功并被排放到排气系统中，这时， 涡轮增压器吸收其中的部分能量，用它来把尽可能多的空气送到发动机中去。随着气缸 中压力的增加，有越来越多的能量来驱动涡轮增压器，从而连续不断地提高发动机的功 率。在到达某一点后，涡轮增压器、排气管或发动机里的能量将阻止发动机功率的进一步增加。考虑到发动机寿命和效率，需要使用控制系统来限制发动机最大极限转速和功 率。错误的控制设置及零件磨损和维护保养不当的情况，常常会导致对增压器的错误诊 断。增压发动机使用许多方法来限制发动机的最高转速和功率输出。在设计和选择发动 机零部件时必须非常注意，以确保该发动机能满足排放限制、快速响应、可接受的效率 和适当的寿命等要求。空气增压系统的优点 涡轮增压由许多好处。非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮 增压器向发动机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多，所以允许喷入较多的燃油， 使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台尺寸和重量相同的发动 机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量发动机经增压后可产生与较大发 动机相同的功率。其它还有节约燃烧油和降低排放等优点。由于涡轮增压气为发动机提供了更多的空气，燃油在发动机气缸里燃烧时会燃烧得 更充分、更彻底。发动机进气管的空气保持正压力（大于大气压的压力）对发动机有几 方面的好处。当发动机进排气门重叠开启时，新鲜空气吹入燃烧室，清除所有残留在燃 烧室里的废气，同时冷却气缸头、活塞和气门。乏粽a融轉益嫂涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿（使其达到标准大气条 件）。发动机和涡轮增压器相匹配，使进气管压力保持海平面大气压。而一台自然吸气的 发动机，随着海拔高度的增加，其功率将下降，如图所示。空气增压系统 空气增压系统由一个或多个机 械部件组成，其功能是增加柴油机的 功率。基本系统由一台燃气涡轮驱动 的空气压缩机（涡轮增压器）和一个 中冷器（热交换器）组成。图中所示 一. 的基本系统由一台燃气涡轮驱动的溫羿务淳 器輕）空气压缩机（涡轮增压器）和-个中冷器（热交换器）组成。涡轮增压器时输送进发动机的空气的压力和密度增加，从而最 大限度地增加发动机的扭矩或功率输出。中冷器位于涡轮增压器压气机的 下游。在换热过程中它带走了由于空 气压缩和摩擦所产身的热量。中冷器 的冷却作用增加了燃烧室里的空气密 度，也降低了燃烧室的温度。图中上半部对在相同输出功率下增压发动机与自然吸气发动机的情况做了比较，下半部对带空对空中冷器的增压发动机与自然吸气 发动机的情况做了比较。有些发动机带有辅助风扇（轮缘风扇），通过热交换器吸入环境空气，如图所示。轮 缘风扇是由从涡轮增压器输气管中引出来的少量压缩空气驱动的。4 涡轮增压器Ou典型的执行机构 在正常其 闭状态 时弹畐受压堆）涡轮叶轮旋转，而后者又涡轮增压器、中冷器、轮缘风扇和控制装置有其各自的作用，但当把这些部件 组合成发动机空气增压系统后，随着发动 机的运行，整个系统的作用将是自动的、 直接的并与发动机的运行完全同步。涡轮增压器的零部件膨胀后的发动机废气通过排气管进入 涡轮壳。废气压力和来自废气中的热能使 当废气通过涡轮叶轮并被排入大气中时，其涡轮增压器和中冷器要经过精确匹配，以满足发动机生产厂在轿车和工业柴油机应 用方面的性能和排放要求。这些要求常常表示为对涡轮增压器供气量的特别精确的控制。 图中所示的旁通阀（废气阀/调节阀）在许多系统里提供了这种控制。该装置经过精确的 校准，当它打开时，一部分燃气被旁通掉，即不再通过涡轮叶轮，这就限制轴的转速， 也就控制了增压压力。旁通使发动机能以最大增压响应性来产生最高增压压力，而在发 动机高转速或高负荷时，消除进气管里空气压力过大（过增压）的可能性。压力和温度都下降。旋转的压气机叶轮通过空气滤清系统吸进环境空气，并使空气在叶轮中加速后被送 入压气机壳。在压气机壳中空气被压缩，并通过输送管送入发动机的进气管中。涡轮增压器的性能要与每种发动机的尺寸和功率输出相匹配。功率输出的需求决定 了需要输送到发动机里去的空气压比和流量。而这些参数取决于压气机叶轮尺寸、叶轮转速和压气机壳尺寸。涡轮增压器（见图）是由废气驱动的涡轮和径流使压气机组成的，它们分别被安装在轴的两头并有各自的铸造壳体。轴本身被安装在中间壳中来支撑。中间壳的两侧分别At轮压r机压气机部分涡轮部分同压气机壳和涡轮壳相连接，典型的涡轮增压器转速可以在 100,000转/分以上。涡轮部分是个向心式 的径流或混流装置，由铸造 的涡轮叶轮、叶轮隔热罩及 涡轮壳组成，进气口位于涡 轮壳的外直径处。废气流进 涡轮，敬业轮叶片，从涡轮 壳直径的中心部位流出。压气机部分是个离心 式或径向外流使装置，由铸造的压气机叶轮、后盖板及压气机壳，组成，进气口位于压气机壳直径的中心部位处。空气在压气机内向外流，经叶轮叶片，从压气机壳的外直径处流出。涡轮增压器卸去所连接的压气机壳和涡轮壳后剩下的部分称为中间壳和转子总成（CHRA）。中间壳（又称轴承壳）以一个精心设计的轴承系统来支撑压气机和涡轮的轮轴系统。这一为高速运转而设计的轴承系统不能像曲轴的轴承那样承受重的载荷，而是 必须精确的定位两只叶轮的位置，使其尽可能靠近两端壳子的轮廓型线。这种定位的关键是向中间壳油孔、轴承和轴之间的间隙注入润滑油。注入到间隙里的润滑油对提高涡 轮增压器的效率和延长使用寿命是极其重要的。图是润滑油流动的示意图，它说明从发动机润滑系统流出的润滑油是如何通过油孔 和油槽流入两个主轴承的。润滑油流过轴承中的油孔去润滑和冷却轴承、轴承孔和轴颈。润滑油也从进油孔直接进入推力轴承，或者通过在压气机壳后盖板的油道进入推力轴承。润滑油靠重力从中间壳排出。转和壳体内气体压力建立起来时，密封开始起作用。见图各种卡环和螺栓用来防护转动部件或将它们定位。止推部件用来保证轴向位置。轴密封系统使中间壳同 涡轮级和压气机级分开。 密封限制润滑油流进压气 机和涡轮区域内，并阻止 燃气和空气从这两个区域 流入中间壳。密封系统由 活塞环密封、石墨和 O 形 圈密封、甩油环以及迷宫 （螺纹状的）密封组成， 已完成密封任务。当轴旋的螺母或车有螺纹的叶轮用来连接压气机叶轮和涡轮叶轮。涡轮壳和压气机壳同中间壳 及转子总成靠螺栓、V形卡箍和/或压板、锁紧板来连接。平旋阀、提升阀和废气阀都是废气控制装置。它们帮助控制涡轮转速，从而也就控制了增压压力。它们有的同涡轮壳 制成一体，有的安装在别处，靠膜片或充满空气或油的气缸和活塞起作用。当控制阀开启时，过量的废气从涡轮壳释放出去，排到废气系统或排入大气中。型号”命名和零件号 涡轮增压.盖瑞特涡轮增压器产品分为紧凑型、中型和有一系列具体的型号名称。盖瑞特产品的零件号是5020-0005。零件号同结构六位数加短划再加四位数，如含? 尺寸没有关系，但短划后的第一位数有如下意义：禎曲 465 465020-5002，新的维修备件（-5XXX）465020-9002，经工厂返修过的部件（-9XXX）操作步骤/预防性维护多年的经验告诉我们，造成涡轮增压器事故的主要原因是润滑问题，例如润滑油供油滞后、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，特别是对空气滤请器、润滑油品质和润滑油滤请器等的 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，可以保增涡轮增压器的使用寿命和良好性能。以发动机工作时间、车辆行驶里程或时间周期为基础的维护保养方法，往往不适用 于涡轮增压器，因为润滑油的种类和发动机的工作方式及条件常常差别很大，并且在维 修涡轮增压器时往往不做校准和调整工作，以及涡轮增压器的润滑油是由它所在的发动 机供应的，所以对盖瑞特涡轮增压起不需要做通常情况下的周期性维护保养，除了偶尔 要对压气机级进行清洗以外。由于这些原因，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。应该鼓励车主遵守以下预防性措施，以确保涡轮增压气又最长的工作寿命：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，会时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。2. 在发动机停车之前，要是他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它机器要高。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，见图。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。这时需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 这些准则可以防止涡轮增压器长期在缺乏润滑油的情况下运转，并可以防止形成如图所 示的积碳现象，这是在热回吸的作用下使轴承或中间壳里的残留润滑油炭化而形成的。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. 低温使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，润滑油会通过密封健渗 漏到涡轮和压气机种。这一般不会造成机械损伤，但会弄脏叶轮，使用户产生抱怨。 安装和启动步骤安装者应遵守下列预防措施，以确保成功地更换涡轮增压器。1. 要确保润滑油泵和整个发动机状态在内的发动机润滑系统的完好，确保所有通道和管 路畅通，使它们能够产生保持所需的 润滑油流量和压力。2. 要确保润滑油进口供油管路和出 口排油管路清洁并布置适当。a. 润滑油进储油管路的布置应 尽量减少从发动机排气管和其它高 温热源传来的热量。b. 润滑油进油管被积碳堵赛时， 要更换它。c. 若使用软管，要确保管不硬化，不折叠，它的内衬不损坏，不包落。d. 若使用金属管，要确保管子没有速侠段（节流）或折叠现象。e. 一些润滑油机油软管有可以反复使用的接头，这样允许只调换软管而不环接 头。要确认接头安装正确，软管的内衬碎片不能遗留在有关总成中。3. 当涡轮增压器润滑油进出口处使用液体成型的密封垫片和密封条时，曾经发现过问 题。即在拧紧接头时，这种密封垫片和密封条因受挤压而被挤压润滑油的油道中。当这 种材料进入润滑油的进口后，流向一个或多个轴承中去的润滑油将被堵塞或切断，润滑 油流量和压力会迫使这种材料进入轴承，从而引起轴承的异常磨损。在中间壳润滑油出 口处，由于沉淀物增多，足以在出口处形成润滑油的节流现象。4对涡轮增压器进行预润滑时要注意不可使润滑油浸没增压器。 5从开口的润滑油供油管道中清除空气。把润滑油排油管从涡轮增压器上拆下来，这时 盘动曲轴而不起发动机，直到润滑油从中间壳排油口中流出。若润滑油连续不断地从排 油管中流出来，就表明空气泡已经被排出润滑油系统。用漏斗把润滑油倒回到排油管中 6要确保润滑油清洁并处于正常工作所需要的油量水平上。如果有可能，应当用清洁的 润滑油灌满润滑油滤清器，以减少启动发动机所需的时间。HONEYWELL涡轮增压器系统（上海）有限公司国内配套情况主机厂发动机型号盖瑞特型号常见车型东风汽车厂康明斯6BT5.9TB34中、重型载货车东风朝阳柴油机厂CY6102QZTB34中型载货车南京依维柯索菲姆 8140.27/47TB25轻型载货车，轻型客车中国重汽集团斯太尔WD615系列TA45/TA51重型载货车上海卡特彼勒3306B系列TV/63/T04B工程机械/重型载货车玉柴机器福特6112TBP4/TA45中、重型载货车玉柴机器6108TB34中型载货车天津帕金斯飞驰系列TBP4中型载货车天津帕金斯1000系列TBP4工程机械，农用机械江西五十铃五十铃4JB1TTB25轻型载货车，轻型客车云南内燃机厂4100QZTB28轻型载货车，轻型客车上海柴油机厂D6114QZTBP4重型载货车，大客车一汽大连柴油机厂6110QZTB34中、重型载货车整机型号整机品牌发动机型号原厂件号备注一汽锡柴解放卡车6110（170 马力）AKZ5A2一汽锡柴解放卡车6110（200 马力）1118010L/AKZ一汽锡柴解放卡车6110（180 马力）1118010S/AKZ1A1一汽锡柴*解放卡车6110（170 马力）1118010S/AKZ5A2一汽锡柴4113Z（140 马力）一汽锡柴#4110（140 马力）125ZLA1一汽锡柴4110（122 马力）125ZL1一汽锡柴4110（130 马力）125ZA5一汽大柴解放卡车6110（190 马力）6110Z3A1大口径一汽大柴解放卡车6110（180 马力）1118020A113BZ/1B大口径一汽大柴解放卡车6113（210 马力）1118020-113BZS东风朝柴东风卡车6102（160 马力）62BZ1010-1东风朝柴4102（120 马力）4102BZ东风康明斯6BTA（180 马力）A3960454东风康明斯6BT（160 马力）A3960404东风康明斯6BTAA（210 马力）A3960478（9）东风康明斯6BT（160 马力）3523294/H1C无旁通东风康明斯4BTAA（125 马力）Z3900038/WH1C玉柴6112（210 马力）玉柴6112（240 马力）187-1118020玉柴6112（270 马力）194-1118020A玉柴6108（200 马力）A30-1118020B江铃轻卡JX493ZQ1（100 马力）1118300ADB117座江铃全顺JX493ZQ1（100 马力）1118300TC40-10依维柯8140.27（100 马力）99431083低排49-12依维柯8140.47（100 马力）99431084中冷斯太尔61重汽集团615.61（260 马力）斯太尔67重汽集团615.67（280 马力）斯太尔68重汽集团615.68（310 马力）200-1日立挖掘机6BD1T114400-2100200-2/3日立挖掘机6BD1T114400-2720280/UH07-7住友挖掘机6BD1T114400-1070PC200-3小松挖掘机S6D1056137-82-8200PC200-5小松挖掘机S6D956207-81-8210PC200-6小松挖掘机S6D956207-81-8331卡特挖掘机49179-00451714460-5001康明斯挖掘机6CT8.33524034706058-5001PC200-5小松挖掘机S6D1406152-81-8210W380小松装载机S6D1146138-82-8201如何提高增压器的使用寿命由于增压器是高速/高温/高压下动转的部件，正常情况下增压器的使用依靠机油保 证，因此确保进入增压器机油的品质（质量/级别和干净）是提高增压器使用寿命的关键。 机油在使用中起二个作用：1. 冷却：机油会带走涡轮/涡轮壳传递的热量和增压器高速运转产生的热量，保证各运 动部件的间隙。2. 润滑：机油在运动零件之间产生油膜，避免各运动部件直接磨损，以保证增压器正常 工作。首先，进入增压器的机油必须干净，我公司产品说明书中明确规定机油中杂质颗 粒度不大于 0.03 毫米，如果进入增压器的机油不干净，则容易造成增压器运动件的 早期磨损，导致增压器漏油/异音等故障，严重的造成整机报废。机油滤清器是保证 机油干净的关键，因此请选用正宗的机油滤清器；不要购买廉价的劣质滤清器，以免 因小失大。其次，进入增压器的机油一定要是好的，我公司说明书要求选用40CD级以上或 发动机厂规定牌号的增压机油。一方面劣质的机油承载力差不能在运动件之间很好建 立油膜导致零件直接磨损；另一方面劣质的机油在高温下容易变质，产生结焦和其它 酸性物质腐蚀零件，使增压器早期损坏。购买时请认准正宗机油，机油的品质是可以保证；但是，机油的干净不仅要有好 的机滤同时还要注意平时的保养，发动机在长期工作中，各运动件的磨损/积碳和其 它杂质均在机油里面，如果仅是换油，由于油道等其它原因大量杂质仍会留在发动机 里，为了保证增压器的正常工作，根据我公司长期服务的经验，建议更换新增压器时 按以下方法清洗发动机：1. 拆掉坏增压器，在热态时放掉机油。2. 加入一定量的混合油（30%机油70%柴油）；3. 把增压器进油管塞入回油管内或把进油管出口封住；4. 起动发动机，怠速开12 分钟后停车，放掉混合油（如油脏的话， 最好清洗两次），以上工作在热车时进行；5. 清洗或更换增压器进油管，清洗油底壳，拆掉机滤空滤；6. 安装新增压器，并在增压器进油口加注机油预润滑后再装进油管 安装新的滤清器并在滤清器内加满机油，安装其它管道；7. 启动发动机，怠速3 分钟提速看是否有漏油漏气现象。如果用户能真正做好以上几点，并在平时能正确使用和保养，那将 大大提高增压器的使用寿命