渐缩喷管出口截面压力与背压(动画演示涡轮增压及冷却系统工作原理，长见识了)

Posted 2023-06-01

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渐缩喷管出口截面压力与背压(动画演示涡轮增压及冷却系统工作原理，长见识了)

一、涡轮增压系统

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。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。其中两个涡轮增压器并列布置在排气管中，按气缸工作顺序把1、2、3缸作为一组，4、5、6缸作为另一组，每组三个气缸的排气驱动一个涡轮增压器。因为三个气缸的排气间隔相等，所以增压器转动平稳。另外，把三个气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。

二、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和径流式涡轮机及中间体三部分组成。增压器轴通过两个浮动轴承支撑在中间体内。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。

1.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。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。

2.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、叶轮和出气道等组成。蜗壳4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作功，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。

3.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100000r/min，最高可达200000r/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。

4.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0.05mm左右，外层间隙大约为0.1mm。轴承壁厚约3～4.5mm，用锡铅青铜合金制造，轴承表面镀一层厚度约为0.005～0.008mm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。

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四个布油槽；在轴承上还加工有进油孔，以保证止推面的润滑和冷却。

三、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。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。

在有些发动机上，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。

在大排量重型车用涡轮增压发动机上多采用涡轮机喷管出口截面可变的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在这种涡轮增压器中，通过改变喷管出口截面积来调节增压压力。当发动机低速运行时，缩小喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速增大，涡轮机转速随之升高，增压压力和供气量都相应增加；当发动机高速工作时，增大喷管出口截面积，使喷管出口的排气流速减小，涡轮机的转速相对降低，这样增压器将不会超速，增压压力也不致于过高。在有叶径流式涡轮机中，可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积。喷管叶片与齿轮相连，齿轮与齿圈啮合，当执行机构往复移动时，齿圈或向左或向右转动，带动与其啮合的齿轮转动，并使喷管叶片随其转动，从而使喷管出口截面积发生改变。

对于无叶径流式涡轮机，可以在喷管出口处安装轴向移动的挡板来调节无叶喷管出口截面积。

改变涡轮机进口截面积方法。在涡轮机的进口处安装一个可摆动27°角的舌片，可动舌片的转轴固定在涡轮机壳体上，可动舌片的摆动即涡轮机进口截面积的变化由电控单元根据柴油机的转速信号进行控制。

四、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，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。

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。

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1min。

涡轮增压器的结构、工作原理、常见故障处理方法

为了适应发动机“小排量、大功率”的发展趋势，涡轮增压器在汽车上得到了广泛采用。涡轮增压器对于发动机的直接作用，就是显著提高了发动机的充气效率（超过100%），因此，大大提高了发动机的动力输出。

具体而言，发动机采用涡轮增压器的优点主要体现为：

◆ 可以根据发动机的需要提供增压压力，或减小、不提供增压压力；

◆ 即使在高海拔地区也可以使发动机获得足够的充气效率。

组成

如下图所示，涡轮增压器主要由涡轮机和压气机等部分组成。

涡轮机的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮机的排气口则接在排气管上；压气机的进气口与空气滤清器相连，压气机的排气口则接在进气歧管上。

图1 涡轮增压器的基本组成 ▲

从发动机排气歧管排出的是高温高压的废气，具有一定的能量。在自然吸气发动机中，这部分能量往往随着废气的排放而白白浪费，而涡轮增压器的动力来源恰恰就是这些废气。涡轮机涡轮与压气机泵轮通过增压器轴刚性连接，这部分称作增压器转子。增压器转子通过浮动轴承（转子高速旋转时可保证摩擦阻力矩较小）固定在增压器中。

发动机工作时，排出的废气以一定角度高速冲击涡轮，使增压器转子高速旋转，于是，压气机泵轮以同样的高速挤压进气空气。受压后的空气温度会升高，影响其密度，因此，在压缩空气通向进气歧管的中间通路上增设了一个空气冷却器（简称中冷器）以冷却增压后的空气，最终使更多、密度更大的空气进入气缸，从而实现进气增压的目的。

为了使涡轮增压器能够更好地发挥其效能，除了涡轮机和压气机两个最主要的组成部件外，涡轮增压器上还设置了其他辅助控制元件 ▼

图2 涡轮增压器的辅助元件 ▲

如上图所示，在涡轮增压器涡轮机的出口处设有一个废气旁通阀，废气旁通阀由一个真空执行器在真空的作用下通过杠杆机构驱动其开、关及开关的幅度大小，而真空的施加与否、施加大小则由ECM通过控制一个废气旁通控制电磁阀对真空管路实施控制来实现。在压气机侧面有一旁通管路，连接其进气口与排气口，在这一旁通管路上设有一个进气旁通阀，由ECM通过对进气旁通电磁阀的控制实现对进气旁通阀开、关的间接控制。

工作原理

1. 基本工作原理

驱动涡轮增压器的动力来源于发动机排出的废气。在发动机低速运转时，排气压力和温度都较低，涡轮转速亦较低（约为1000r/min），因此，压气机泵轮不能产生进气增压压力，在此状态下，发动机的进气效果与自然吸气发动机没有明显差异；随着发动机转速和负荷增加，排气压力和温度都大幅升高，涡轮的转速也随之加快，当涡轮达到一定转速时增压开始（现代发动机最低在1500r/min左右就可以进入增压状态），当发动机全负荷运转时，涡轮转速可以达到（10~15）×104r/min。

2. 废气旁通控制

废气旁通控制的主要目的是有效控制和调节增压压力，防止增压压力过高而损坏发动机，同时，也可以使涡轮增压在较宽的发动机转速区间内（如1500~4500r/min范围内）保持持续有效。

如下图所示，涡轮增压器利用废气旁通控制电磁阀、废气旁通执行器和废气旁通阀对增压压力进行控制。

图3 废气旁通控制原理图 ▲

废气旁通控制电磁阀是一个三通电磁阀，其三个接口分别与增压前的空气、增压后的空气、废气旁通执行器的膜盒相通，由ECM对其实施占空比控制，其控制电路如下图所示。增压前空气来自与进气管，增压后的空气来自于压气机泵轮排气口之后的气道。与废气旁通执行器膜盒连接的电磁阀接口在ECM的控制下，可以分别与另外两个接口（增压前空气接口、增压后空气接口）相通。

图4 废气旁通控制电磁阀控制电路图 ▲

废气旁通执行器是一个膜盒控制装置，膜盒内部有一个膜片，膜片顶端是一个空腔，通过管路与废气旁通控制电磁阀连接；膜片下端由弹簧支撑并与拉杆做成一体，拉杆通过一个杠杆机构控制废气旁通阀开启或关闭。图3中的废气旁通阀为常闭式，即在发动机停机状态下废气旁通阀处于关闭状态，目前大部分发动机的涡轮增压器都采用常闭式废气旁通阀。

下表展示了常闭式废气旁通阀的控制过程。在发动机低速运转时，废气旁通控制电磁阀关闭增压前的进气通道，同时打开增压后的空气通道，此时增压后的空气进入执行器膜盒。但由于增压压力很小，施加在执行器膜片上的空气压力不足以推动膜片下方的弹簧，因此，废气旁通阀在弹簧力的作用保持关闭，废气全部流经涡轮。此时涡轮转速较低，没有增压效果。

常闭式废气旁通阀的控制过程

随着发动机转速不断升高，涡轮转速也随之增加，当压气机泵轮转速达到一定值时，涡轮增压器开始进入增压状态。涡轮增压器工作时，废气旁通阀一直关闭。当增压压力升高到一定值时，增压后的空气压力足以推动旁通执行器膜片弹簧下移，在杠杆机构的作用下打开废气旁通阀，大部分废气将不经过涡轮而通过旁通气道直接排入排气管，使得涡轮增压器泄压。

为了获取更高的增压压力，发动机必须在涡轮增压器泄压前控制废气旁通阀继续保持关闭，为此，ECM以占空比控制方式控制废气旁通控制电磁阀关闭增压后的空气通道，同时打开增压前的进气通道。此时滞留在执行器膜盒的增压空气通过增压前的进气通道进入进气管，于是，执行器膜盒内的高压气体泄压，使废气旁通阀依然保持关闭，增压压力持续上升。

当增压压力超过目标值时，ECM以占空比形式控制废气旁通控制电磁阀打开增压后的空气通道，同时关闭增压前的进气通道。此时增压后的空气进入执行器膜盒，在杠杆机构的作用下，旁通气道打开，涡轮增压器泄压。

提示：

作用于废气旁通执行器膜盒上的压力大小取决于增压压力和废气旁通控制电磁阀通电电压的占空比。当占空比达到80%~90%时，废气旁通阀完全开启；当占空比小于20%时，废气旁通阀完全关闭。

ECM通过发动机转速、进气门开度、进气歧管压力、发动机温度等参数计算目标增压压力值，通过进气增压压力传感器检测实际增压压力值并反馈给ECM，ECM通过控制废气旁通控制电磁阀以保证实际增压压力与目标增压压力的一致。

提示：

有些发动机的涡轮增压器采用常开式废气旁通阀，即在发动机停机状态下废气旁通阀处于开启状态，为此，废气旁通执行器的内部结构及ECM对废气旁通控制电磁阀的控制都要进行必要的调整，以满足对涡轮增压控制的要求。

3. 进气旁通控制

涡轮增压发动机在运行过程中如果突然关闭节气门会导致节气门和压气机泵轮之间的空间内产生背压，致使涡轮增压器被强烈制动，被制动的涡轮增压器会导致大量的增压压力损失，并且也损失了在下一次需要产生增压效果时所需要的动力。进气旁通控制的主要目的就是为了防止上述情况的发生。

下图所示为真空式进气旁通控制装置，主要由真空罐、进气旁通电磁阀、进气旁通阀和真空管路等组成。

图5 真空式进气增压旁通控制原理图 ▲

进气旁通阀是一个真空控制阀，位于压气机侧面的旁通管路上，在发动机停机状态下，进气旁通阀关闭旁通管路。

进气旁通电磁阀是一个三通阀，其三个接口通过真空软管分别与真空罐、进气歧管和进气旁通阀相连。通过ECM对进气旁通电磁阀的通电、断电控制，进气旁通阀的接口可以分别与真空罐和进气歧管相通。进气旁通电磁阀的控制电路与废气旁通控制电磁阀相似，参见图4。

如下表所示，在发动机停机和涡轮增压器工作时，进气旁通电磁阀始终断电，此时，真空罐接口关闭，进气旁通阀接口与进气歧管相通，进气歧管中的空气进入进气旁通阀。在进气歧管空气压力与弹簧力的共同作用下，进气旁通阀关闭进气旁通道，压气机泵轮后端的增压空气全部通过中冷器进入到发动机进气歧管。

进气旁通阀的控制过程

当车辆在行驶过程中突然关闭节气门时，ECM控制进气旁通电磁阀关闭通向进气歧管的接口，同时打开真空罐通向进气旁通阀的通道。在真空负压的作用下，进气旁通阀迅速打开进气旁通道，压气机泵轮后端的增压空气通过旁通气道进入到泵轮的前端（即空气滤清器的进气端），使节气门和压气机泵轮之间的空间压力得以释放，从而保证了泵轮只承受很小的阻力而依然保持较高的转速，避免了再次增压而产生迟滞现象，同时增压后的空气进入到泵轮前端更有助于提升增压效果。

注意：

进气旁通电磁阀和废气旁通控制电磁阀都是一个三通阀，所不同的是，进气旁通电磁阀是开关式，只有开、关两种状态，而废气旁通控制电磁阀则是一个占空比控制电磁阀，由ECM通过占空比形式的控制，实现对废气旁通控制电磁阀不同开度的调节。

提示：

在有些车辆的进气旁通控制系统中，取消了进气旁通电磁阀，进气旁通阀直接通过一个真空管连接到进气歧管中。如果节气门突然关闭，进气旁通阀会因为进气歧管中的真空突然增加而打开，增压后的部分空气会通过进气旁通阀打开所提供的通道又进入到增压器的进气侧，从而使涡轮增压器的转速得以保持。福特轿车就采用这种控制方式，其进气旁通阀在增压压力和进气歧管的两侧压力差异超过0.24bar（24kPa）的时候将会打开。

4. 温度控制

① 增压空气温度控制

空气经过压缩，温度会升高，又由于涡轮增压器处于排气歧管附近，较高的环境温度使得压缩后的空气温度进一步升高。高温的空气密度减小，会降低充气效率，另外，高温高压的空气会使燃烧温度提升，容易使发动机产生爆震。

为此，需要对压缩后的空气进气冷却。如图1所示，涡轮增压发动机通常采用中冷器对压缩空气进行冷却。中冷器的形状结构与发动机冷却系统散热器相似，其冷却方式有风冷和水冷两种。

② 涡轮增压器温度控制

高温环境和高转速造成了涡轮增压器的很高的工作温度。

如图2所示，涡轮增压器的高速运转会使其轴承产生大量的热量，该热量由位于涡轮增压器上的冷却液管路将热量带走，输送到冷却系统进行散热。这样可以大大降低涡轮增压器温度，在发动机突然关机时也会减小机油结焦的可能性。

常见的一些故障及处理方法

1. 漏油

现象一：机油消耗量大，但排气烟色正常，动力不降低

原因：这种情况一般是由于机油渗漏造成的。

处理方法：

◆ 首先应检查发动机润滑系外部油管（包括增压器进、回油管）是否漏油；

◆ 检查增压器废气排出口是否有机油。如有机油，可判定涡轮一端密封环损坏，应更换此密封环。

现象二：机油消耗量大，排气冒蓝烟，但动力不下降

原因：由于增压器压器端漏油，机油通过发动机进气管进入燃烧室被烧掉所造成的，有以下几种可能：

◆ 增压器回油管不畅通，机油在转子总成的中间支承处积留过多，沿转子轴流入压气叶轮。

◆ 靠近压气叶轮一端的密封环或甩油环损坏后，机油由此进入叶轮室，然后随室内增压后的空气一同经进所管进入燃烧室。

处理方法：

◆ 打开压气机的出气口或发动机进气直管（橡胶软管），看管口、管壁是否粘附机油。如有，请检查增压器回油管是否畅通。如不畅通则是由于中间支承处积油过多引起，应将回油管疏通后装复。

◆ 如畅通，则是由于叶轮一端密封环或甩油环损坏所造成，应解体增压器进行修复。

现象三：机油消耗量大，排气冒蓝烟或黑烟，且动力下降

原因：

◆ 活塞与汽缸之间的间隙磨损过大，机油窜入燃烧室而被烧掉。

◆ 空气在被增压器吸入的过程中，空气流遇较大阻力。（如空滤芯堵塞，进气胶管被吸变形或压扁等），压气机进气口处的压力较低，造成机油渗漏进入压气机内，随压缩空气一起进入燃烧室内烧掉。

处理方法：

◆ 检查进气直软管壁内有无机油、是否被压扁，使气流受阻或空滤芯有堵塞现象。

◆ 如管口和管壁有机油，应清洗或更换空气滤芯。

2. 有金属摩擦声

现象：

排气冒黑烟，功率下降，且增压器有异响。

原因：

◆ 如有金属摩擦声，是增压器转子轴承或止推轴承磨损过多，叶轮与增压器壳摩擦而产生。

◆ 如不是金属摩擦声，而是气流声，则是由于增压器转子高速旋转，产生的旋转声音，或是进、排气接口处由于连接不好产生的漏气现象。

处理方法：

◆ 前者应视磨损情况更换损坏的备件进行修复。

◆ 后者应认真区分，有针对性的解决。

3. 轴承损坏

现象：

增压器轴承损坏，发动机功率下降，机油消耗高，冒黑烟，严重时增压器不能工作。

原因：

1．润滑油压力和流量不足

◆ 增压器轴颈和止推轴承的润滑油供应不足；

◆ 使转子轴颈和轴承间保持浮动的润滑油不足；

◆ 增压器已高速运转，而润滑油未及时供给。

2.杂物或泥沙进入润滑系统

3.机油氧化变质

◆ 柴机油过热，从活塞与缸壁间窜过的燃气过多；

◆ 冷却水漏入机油中；

◆ 机油选用不当，以及没有按规定定期更换机油。

处理方法：

◆ 检查润滑油压力是否正常，机油量是否符合要求。

◆ 按规定要求，定期更换润滑油，并保证润滑油清洁。

◆ 严格按规定要求，使用润滑油，不得混用。

◆ 应避免发动机在高温情况下工作，保持发动机的正常工作温度。