汽油机废气涡轮增压器的毕业设计

当今时代，科学技术的迅猛发展，极大的促进了汽车技术和汽车工业的高速发展，汽车正日益广泛地深入到社会和人们日常生活的各个方案，这使得汽车修理称为引人注目、迅猛发展的行业。

废气涡轮增压型发动机是利用发动机本身排出的压力废气驱动涡轮旋转，涡轮轴带动叶轮式压气机来提高进气的压力，增加气缸的充气量。采用涡轮增压技术能使发动机功率提高30％～100％，并降低发动机的比油耗和比质量，同时减轻发动机的排气污染，还可以扩大发动机的变形系列。

第一章增压器的简单概述 (4)

1.1概述 (4)

1.1.1 增压技术简介 (4)

1.1.2 发动机进气增压的基本原理 (6)

1.1.3 增压发动机的特点 (7)

1.2 废气涡轮增压器及其增压系统 (8)

1.2.1 废气涡轮增压器的结构和工作原理 (8)

1.2.2 涡轮增压器的设计考虑因素 (10)

第二章废气涡轮增压器常见故障的分析 (11)

2.1分析与修理 (12)

2.1.1简要分析 (12)

2.1.2增压压力不足 (12)

2.1.3 增压器涡轮进口温度过高 (13)

2.1.4增压器的冷却水温度过高 (14)

2.1.5 增压器轴承滑油温度过高 (14)

2.1.6 废气倒流 (14)

2.1.7 异响与振动 (15)

2.1.8涡轮端气窗冒烟气和轴承油变质 (15)

第三章涡轮增压器的优缺点及使用注意 (16)

3.1涡轮增压器优缺点分析 (16)

3.1.1 涡轮增压器优缺点的对比 (16)

3.1.2 比较奥迪A6 1.8T与奥迪A6 1.8 (16)

3.1.3 涡轮增压器的不足之处 (17)

3.2 涡轮增压器的使用注意 (18)

3.2.1工作环境 (18)

3.2.2 不能着车就走 (18)

3.2.3 不要立即熄火 (18)

3.2.4 注意选择机油 (18)

3.2.5 发动机机油保持清洁 (18)

第一章增压技术的结构

和工作原理

1.1概述

1.1.1 增压技术简介

近年来，发动机进气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向之一，过去增压技术主要应用于柴油机上，现在汽油机上也开始大量采用增压技术。这是因为发动机进气增压技术具有许多优点：

①．能够提高发动机升功率——提高了发动机的动力性；

②．能够降低发动机比油耗和比质量——提高发动机的经

济性；

③．能够减轻发动机排气污染——提高了发动机的排放性；

④．能够扩大发动机变形系列等。

当前，由于汽车一方面在向高速、重载方向发展，对发动机的动力性和燃料经济性提出更高的要求；另一方面发动机尾气的排放污染，各国排放法规的日益苛刻，使人们极力寻求减小大气污染的措施。这种种方面的原因，使汽车发动机进气增压技术获得迅速发展，其中以美国、英国、德国、瑞典等国家发展较快。

发动机增压方法很多，其中涡轮增压器在技术上最为成熟，并具有很多突出的优点，因此涡轮增压成为汽车发动机增压的主要类型为获得广泛应用。此外，在研究和发展废气涡轮增压系统的同时，其他增压系统也相继有所发展，例如气波增压系统。

随着推进技术的发展，涡轮增压器及其增压系统的应用使柴油机的性能得到大幅度提高（它可使发动机的功率比以前的自然吸气方式提高4倍），并改进了操作灵活性，降低环境污染。涡轮增压器对二冲程和四冲程发动机提供各种所需的输出功率起着重要的作用,它能通过其精巧的设计装置传送更高的压比、综合效率以及容积流量比等，而且增压器的更简单和更紧凑设计使涡轮机更加容易检修，提高了可靠性和耐用性.。

该装置最早应用在飞机上，由于飞行高度不断攀升，空气越来越稀薄，造成飞机引擎进气量不足，因此涡轮增压器便被采用，以此尽可能多地向飞机引擎“打注”新鲜空气。随着废气涡轮技术的慢慢普及，它又被用到了军事装备上。由于军用装甲车辆均为柴油发动机，为了提高功率，军车率先使用它，如美国的M1A1及德国的豹Ⅱ等主战坦克。

废气涡轮增压在民用车辆的应用则起步较晚，主要是因为轻型车辆(如轿车)大多采用汽油发动机，其对增压技术的要求很高，所以这

项技术早期的民间应用仅局限于柴油机上(我国有依维柯、得利卡等柴油车型都有应用)，普及率因此大打折扣。

随着柴油机技术的不断改进以及柴油机经济性和故障率低的优点，柴油机也逐渐应用在轿车上，为了提高功率及大扭矩输出，一些国外汽车厂商也纷纷应用了废气涡轮技术(如大众的TDI引擎，奔驰、宝马也有柴油增压车型)。同样因为技术的进步，汽油涡轮增压引擎也逐渐多见(如富豪的增压车型、三菱枪骑兵EVO系列、富士的增压车型等)，这都使得车辆的动力性得到了极大的提高。实践证明，采用该装置后功率可至少提高10%-30%，并能进一步降低油耗，尾气排放也有一定程度的改善。

既然废气涡轮增压器有如此神奇功用，我们在使用过程中就应当十分注意。大家应该知道，废气涡轮增压器里的涡轮和叶轮都是高速旋转的，因此它的润滑工作就应当十分到位。为了保证装置长期安全的工作，通常由发动机主油道单独分出一支润滑油道来对涡轮分叶轮中间的浮动轴承进行润滑。高速旋转的涡轮与叶轮具有很大的旋转惯性，转速需要一段时间才能降下来，如果我们在使用中让车辆突然熄火或停车即刻熄火，就切断了发动机通往增压器浮动轴承的润滑油路，使得高速旋转的涡轮、叶轮的充分润滑失去保证。长期如此，必定会引起废气涡轮增压的故障，出现噪音偏高、工作粗暴、发动机下降，因此正确的操作方法应当是停车后，检查一下水温、油温，再怠速运转1分钟左右，待增压器转子转速降下来，再熄火。

相对地，如果发动机长期低速运转也会对增压器造成损坏，一方面发动机低速运转则增压器涡轮也低速运转，长期下去会使润滑浮动轴承的润滑油从叶轮端渗出，并随同新鲜空气进入气缸燃烧，从而影响发动机正常工作。另一方面，渗出的机油也会影响增压器本身的工作，造成增压器工作效率下降，直至损坏。因此在使用中，车主应经常检查增压器的来、回油管，保证增压器润滑充分从而正常工作。

由于废气涡轮增压器的涡轮与叶轮是高精密度件，所以请车主不要自作聪明自行修理。车主朋友平时只要检查一下油管，听一下它的工作声音，而无需做额外的特殊保养。一旦废气涡轮增压器发生损坏，不能修理一下重复使用，而需要检查引起增压器损坏的原因并更换废气涡轮增压器，以保证发动机正常工作。

以上简单介绍了废气涡轮增压器使用中的注意事项，如果您有辆涡轮增压的车可要铭记于心，若想爱车能长期健康，需要您平时多用心，关键时刻才能少担心。

废气涡轮增压器是如何工作的呢？下面就向各位朋友简单介绍

一下它的机理。大家由图可知，废气涡轮增压器(1)的体积不大，主要由左端的叶轮和右端的涡轮组成，当发动机正常工作时，从发动机

排气门排出的废气及排气管(4)进入到废气涡轮增压器右端，从而吹动涡轮高速旋转。涡轮转速高的可达10万转，而日本的一些废气涡轮增压器的涡轮转速可达到12万转。

与涡轮同轴的左端叶轮也同时做高速旋转，叶轮左端的黑色箭头代表从空气滤清器过来的新鲜空气，新鲜空气进入到叶轮一端后，由于叶轮高速旋转从而压缩了新鲜空气形成增压。增压后的新鲜空气要首先经过中冷器(2)进行冷却。因为叶轮的搅动升高了空气的温度，从而降低了空气的密度，为了保证进气量，因此必须对增压后的高温气体实行冷却。

经过中冷器的空气在经过进气管(3)后再进入气缸开始工作。涡轮增压由于进气压力高，因此在排气过程中能够充分扫清上一循环工作过程中的残余废气，达到了排气干净的目的，并能为下一次燃烧做好准备，也利于下一次燃烧充分，从而减少有害物质的排放。这是它的另一个非常突出的优点。

经过中冷器的空气在经过进气管(3)后再进入气缸开始工作。涡轮增压由于进气压力高，因此在排气过程中能够充分扫清上一循环工作过程中的残余废气，达到了排气干净的目的，并能为下一次燃烧做好准备，也利于下一次燃烧充分，从而减少有害物质的排放。这是它的另一个非常突出的优点。

1.1.2 发动机进气增压的基本原理

增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性能的目的。发动机的有效功率为

（1-1）

式中i——缸数；

Pme——平均有效压力；

Vs——工作容积；

n——发动机的转速

τ——冲程数；

可知提高发动机功率的方法:

①．改变发动机结构参数—增加缸数i，增大缸径D、活塞冲程S, 减少冲程数 ；

②．提高发动机转速n及活塞平均运行速度；

③．提高平均有效压力。

1.1.3 增压发动机的特点

①．进气增压可以提高发动机的升功率。

②．功率相同时，发动机的空间尺寸减少，质量减轻，这有利于提高车用发动机的经济性。

③．通过增压器的合理设计，可以将扭矩特性改进为低速高扭矩，这对车用发动机非常有利。

④.在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增

压发动机的工况更接近最大效率设计工况点。

⑤.可通过增压度来弥补随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下

降。

⑥.降低噪声。柴油机增压后，由于混合气工作温度升高，着火延迟

期缩短，燃烧过程变得柔和，对直喷式柴油机更是有利。

⑦.通过增压可以降低有害气体排放。

⑧.机械随时减少，经济性得到改善。

⑨.增压机主要零部件的机械负荷和热负荷均增加。

1.2 废气涡轮增压器及其增压系统

1.2.1 废气涡轮增压器的工作原理

涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气带动涡轮旋转，与燃气轮机类似。涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连。压缩机把空气压缩到气缸中。。

图—1

气缸排出的尾气流过涡轮叶片，使涡轮旋转。流过叶片的尾气越多，涡轮旋转速度就越快。

在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。压缩机是一种离心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。为了适应高达150,000转/分的转速，必须小心支撑涡轮轴。大部分轴承在这样的高速下会爆炸，所以绝大多数的涡轮增压机使用的是液压轴承。这类轴承能使轴浮于一层薄薄的油膜上，这些油从轴四周恒定抽入。这可以起到两个作用：一方面能够降低轴和一些其他涡轮增压机部件的温度，另一方面能够减小轴在旋转时遇到的摩擦。

在为发动机设计涡轮增压机时，需要权衡许多利弊。在下一节，我们将了解一些需要权衡的因素，并说明其如何影响涡轮增压机的性能。

许多人都知道，汽车发动机的工作，多是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功，从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。然而，向气缸内多提供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。

就拿汽油机来说，每向气缸内提供1公斤的汽油，约需要气缸吸入15公斤的空气，才能保证汽油充分燃烧。这15公斤的空气，其体积将是非常大的，光靠气缸在发动机进气过程产生的真空度，不容易将这么大体积的空气完全吸入。因此，提高发动机吸入气体的能力，也就是提高发动机的充气效率就显得尤为重要。

增压技术就是一种提高发动机的进气能力的方法。

从原理上讲，增压并无神秘之处。它就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，进气量即可满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。

增压过程中采用的压气机又叫做增压器。废气涡轮增压是进气增压的一种方式。发动机的增压方法根据驱动增压器所用能量来源的不同，基本上可以分为三类：第一类是机械增压系统，增压器由发动机曲轴通过齿轮(或链条等)直接驱动。第二类是废气涡轮增压系统，增压器是由发动机工作时排出的废气带动的。第三类是复合增压系统，即在发动机上，既采用废气涡轮增压器，又同时应用机械驱动式增压器。此外还有惯性增压、气波增压等其他增压方式。

这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与发动机无任何机械联系，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力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。但是废气涡轮增压器技术也有

其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。

1.2.2 涡轮增压器的设计考虑因素

涡轮增压机的一个主要问题是：当踩下油门时，发动机不会立即产生增压，而是需要几秒时间使涡轮提升转速，之后才能产生增压。这样就产生了延时感，即踩下油门后，要等涡轮转速上升，汽车才会加速前进。

减少涡轮延时的方法之一是减小旋转件的惯性，这主要通过减少旋转件的重量来实现。这样就使涡轮和压缩机能够更快地加速，更快地产生增压。减小涡轮增压器的尺寸是降低涡轮及压缩机惯性的一个有效方法。小型涡轮增压机在发动机低转速时能更快地产生增压，但无法在发动机处于高转速、更多空气进入发动机时产生更多的增压。同时，发动机高速运转时，更多的尾气会经过涡轮，还可能存在使涡轮转速过快的危险。

大型涡轮可以在发动机高速运转时产生较多的增压，但因为其涡轮和压缩机偏重，以致加速缓慢，从而产生较严重的涡轮延时。幸运的是，我们可以通过一些小窍门来克服这些问题。

多数涡轮增压机都有一个废气泄放阀，由于它的存在，我们可在采用小型涡轮增压机降低增压延时的同时，防止发动机高速运转时涡轮旋转过快。废气泄放阀是一个阀门，它使排出的废气绕过涡轮叶片。废气泄放阀能感知增压压力。如果压力过高，废气泄放阀就会指示涡轮旋转太快，此时废气泄放阀使一部分尾气经过涡轮叶片，从而降低涡轮叶片的转速。

一些涡轮增压机用滚珠轴承代替液压轴承来支承涡轮轴。但它们不是普通的滚珠轴承，而是用高级材料制造出的高精度轴承，用以应对涡轮增压器的速度和温度。涡轮轴旋转时，这类滚珠轴承承受的摩擦力小于大多数涡轮增压器液压轴承中的摩擦力。同时还允许使用略小、略轻的轴。这样涡轮增压器加速更快，进一步降低了涡轮延时。

陶瓷涡轮叶片比大多数涡轮增压器中使用的钢制涡轮叶片要轻。同样，这也使涡轮能更快地加速，从而降低涡轮延时。

有些发动机同时使用两个不同尺寸的涡轮增压机。较小的一个可较快地加大转速，降低涡轮延时，而较大的一个在发动机高速旋转时能产生更多增压。

空气被压缩时，温度升高；而空气温度升高时，就会发生膨胀。因此当使用涡轮增压时，空气在进入发动机前就已经因为压缩生热而产生了一些膨胀。为了提升发动机动力，需要使更多的空气分子进入气缸，而并不一定要产生更多的气压。

中间冷却器或进气冷却器是外观像散热器一样的附加组件，只不过空气同时从中间冷却器的内部和外部经过。涡轮吸入的空气通过密封管路流过冷却器，而发动机冷却风扇吹出的冷风从它外部的散热片流过。

在来自压缩机的压缩空气进入发动机之前，中间冷却器会将其冷却，从而进一步提升发动机的动力。这意味着，如果涡轮增压机在337千帕的增压下运转，中间冷却器就会产生337千帕温度更低的空气，这些空气密度更高，含有的空气分子比温度较高的同气压空气多。