5．11　廢氣渦輪增壓

廢氣渦輪增壓技術(shù)是指采用由柴油機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，從而提高氣壓、增加充氣量。

提高柴油機(jī)功率最有效的措施是增加充氣量和供油量。實(shí)踐表明，柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓可將功率提高10%～30%，同功率油耗下降3%～10%。由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒較完全，使排煙濃度降低、廢氣中有害物質(zhì)明顯減少，有利于減少汽車(chē)的排氣污染。此外，由于燃燒壓力升高率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作較柔和，噪聲比較小。

廢氣渦輪增壓技術(shù)目前已成為柴油機(jī)重要發(fā)展趨勢(shì)之一，正在得到廣泛的應(yīng)用。

5．11．1　廢氣渦輪增壓器

1．結(jié)構(gòu)

渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與渦輪同軸的壓氣葉輪高速旋轉(zhuǎn)；壓氣機(jī)將空氣壓縮進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量，可供更多的燃油完全燃燒，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低了燃油的消耗。同時(shí)，由于燃燒條件的改善，減少了廢氣中有害物的排放，還可降低噪音。

在高原地區(qū)，由于空氣稀薄自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率將會(huì)下降，而發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓器后，可補(bǔ)償下降的功率。

目前，國(guó)內(nèi)、外使用的一種典型的車(chē)用柴油機(jī)徑流脈沖式廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)如圖5－61所示，它由渦輪殼2、中間殼8、壓氣機(jī)殼13、轉(zhuǎn)子體和浮動(dòng)軸承6等主要零件組成。

渦輪殼2與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管相連。壓氣機(jī)殼13的進(jìn)口通過(guò)軟管接空氣濾清器，出口則與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸相通。壓氣機(jī)殼13與壓氣機(jī)后蓋板9之間的間隙構(gòu)成壓氣機(jī)的擴(kuò)壓器，其尺寸可通過(guò)兩者的選配來(lái)調(diào)整。轉(zhuǎn)子體由轉(zhuǎn)子軸12、壓氣機(jī)葉輪11和渦輪4組成。渦輪焊接在轉(zhuǎn)子軸上，壓氣機(jī)葉輪用螺母固定在轉(zhuǎn)子軸上，轉(zhuǎn)子軸則支承在兩浮動(dòng)軸6上高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)（轉(zhuǎn)速可達(dá)100000～120000r／min），將來(lái)自柴油機(jī)主油道并經(jīng)精濾器再次濾清的壓力為0．25～0．4MPa的潤(rùn)滑油，充滿(mǎn)浮動(dòng)軸承6與轉(zhuǎn)子軸12以及中間殼8之間的間隙，使浮動(dòng)軸承在內(nèi)、外兩層油膜中隨轉(zhuǎn)子軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；但其轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速低得多，從而使軸承對(duì)軸承孔和轉(zhuǎn)子軸的相對(duì)線(xiàn)速度大大降低。

中間殼中設(shè)有密封環(huán)3、O形密封圈16、密封套14、密封環(huán)10等密封件，以防止壓氣機(jī)端的壓縮空氣和渦輪端的廢氣漏入中間殼，同時(shí)防止中間殼的潤(rùn)滑油外漏。

2．工作原理

廢氣渦輪增壓器的工作原理示意圖如圖5－62所示。柴油機(jī)排出的具有一定壓力的高溫廢氣經(jīng)排氣管1進(jìn)入渦輪殼4的噴嘴環(huán)2，由于噴嘴環(huán)的通道面積做成由大到小，因而廢氣通過(guò)的壓力和溫度下降，而速度卻迅速提高。這個(gè)高溫高速的廢氣氣流，按一定方向沖擊渦輪3，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉(zhuǎn)速也越高，通過(guò)渦輪的廢氣最后排入大氣。這時(shí)，與渦輪3固裝在同一軸（轉(zhuǎn)子軸5）上的壓氣機(jī)葉輪8也以相同的速度旋轉(zhuǎn)，將經(jīng)過(guò)濾清器的空氣吸入壓氣機(jī)殼。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進(jìn)入擴(kuò)壓器7；因擴(kuò)壓器進(jìn)口小、出口大，所以氣流的速度下降、壓力升高，再通過(guò)斷面由小到大的環(huán)形壓氣機(jī)殼9使空氣壓力繼續(xù)升高。經(jīng)上述增壓過(guò)程后，空氣壓力可達(dá)0．14～0．3MPa，最高可達(dá)0．5MPa。這些高壓空氣流經(jīng)柴油機(jī)進(jìn)氣管10進(jìn)入氣缸與更多的柴油混合燃燒，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出更大的功率。

圖5－61廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)　

1－推力軸承　2－渦輪殼　3－密封環(huán)　4－渦輪

5－隔熱板　6－浮動(dòng)軸承　7－卡環(huán)　8－中間殼

9－壓氣機(jī)后蓋板　10－密封環(huán)　11－壓氣機(jī)葉輪

12－轉(zhuǎn)子軸　13－壓氣機(jī)殼　14－密封套

15－膜片彈簧　16－O形密封圈

圖5－62　廢氣渦輪增壓器的工作原理示意圖

1－排氣管　2－噴嘴環(huán)　3－渦輪

4－渦輪殼　5－轉(zhuǎn)子軸　6－軸承

7－擴(kuò)壓器　8－壓氣機(jī)葉輪

9－壓氣機(jī)殼　10－進(jìn)氣管

5．11．2　冒煙限制器

發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的排氣流量小，因而壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低，增壓作用不大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)充氣量不足，產(chǎn)生冒煙現(xiàn)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生冒煙現(xiàn)象，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的廢氣到達(dá)渦輪以及渦輪轉(zhuǎn)速的增加都有－定時(shí)間的滯后．以至增壓器對(duì)空氣的增壓也有一定的滯后。增壓器的壓比越高，冒煙傾向越嚴(yán)重。為此，增壓柴油機(jī)通常裝有冒煙限制器，如圖5－63所示。

5．11．3　增壓器的使用與維護(hù)

為保證增壓器正常工作，必須按下列要求進(jìn)行安裝：檢查渦輪增壓器型號(hào)是否與發(fā)動(dòng)相匹配，用手轉(zhuǎn)動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)子，如果葉輪滯轉(zhuǎn)或有摩擦殼體的感覺(jué)，應(yīng)查明原因后再安裝增壓器；檢查空濾器是否清潔，空濾器不干凈會(huì)引起增壓器漏油；檢查壓氣機(jī)進(jìn)氣管路和渦輪前發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道是否有雜物，以防雜物損壞葉輪；檢查機(jī)油濾清器是否需要更換，更換后濾清器內(nèi)應(yīng)注滿(mǎn)干凈潤(rùn)滑油；檢查增壓器油管是否干凈，進(jìn)油管不能扭曲、堵塞；如果增壓器進(jìn)油口使用密封墊片，檢查墊片是否有腐蝕、變形現(xiàn)象，如有則更換墊片；檢查潤(rùn)滑油是否潔凈，更換潤(rùn)滑油應(yīng)在熱態(tài)下進(jìn)行，潤(rùn)滑油應(yīng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)廠家指定牌號(hào)的。

增壓器安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上，暫不接油管；先從增壓器進(jìn)口加入干凈的潤(rùn)滑油，并用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使增壓器軸承系統(tǒng)充滿(mǎn)油后再連接進(jìn)油管。

圖5－63　氣壓控制的冒煙限制器

A－低增壓時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷位置　B－高增壓時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷位置　1－噴油泵前端　2－供油拉桿（齒條）　3－彎角搖臂　4－低增壓時(shí)的限位螺釘　5－高增壓時(shí)的限位螺釘　6－軸7－膜片彈簧　8－氣動(dòng)膜片　9－進(jìn)氣管　10－導(dǎo)向套筒　11－殼體

安裝增壓器時(shí)，使用干凈的潤(rùn)滑油注入進(jìn)油口進(jìn)行預(yù)潤(rùn)滑增壓器。安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，中間殼的潤(rùn)滑油出口應(yīng)向下，同時(shí)應(yīng)使進(jìn)油孔朝上、回油孔向下，進(jìn)、回油孔中心線(xiàn)與垂直方向角度不大于23°。中間殼位置定好后，擰緊渦輪端中間殼的固定螺釘，使壓氣機(jī)殼與渦輪不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)壓氣機(jī)殼使壓氣機(jī)殼出口能與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管連接。

更換潤(rùn)滑油、機(jī)油濾清器或使用長(zhǎng)期停放的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前應(yīng)將增壓器油管拆卸并注入潤(rùn)滑油或盤(pán)車(chē)數(shù)圈，預(yù)潤(rùn)滑增壓器。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3～5min后再加負(fù)荷。運(yùn)轉(zhuǎn)中，增壓器進(jìn)油壓力應(yīng)保持在196～392kPa。運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)注意增壓器有無(wú)異響和明顯振動(dòng)，如有異響和明顯振動(dòng)，應(yīng)予以排除。運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)注意增壓器的油壓、油溫、渦輪進(jìn)口溫度及轉(zhuǎn)速等，均不得超過(guò)技術(shù)規(guī)范。

在高速及滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)特殊情況不可立即熄火，應(yīng)逐步降速、降負(fù)荷，熄火前空轉(zhuǎn)5 min，以防因軸承缺油或機(jī)件過(guò)熱而損壞增壓器。嚴(yán)禁汽車(chē)采用“加速、熄火、空擋滑行”的操作方法，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷高溫下突然熄火時(shí)，機(jī)油泵停止工作，潤(rùn)滑油不能帶走增壓器內(nèi)零件的熱量，導(dǎo)致增壓器因過(guò)熱而損壞。

5．11．4　CA6110Z增壓柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

6110Z增壓柴油機(jī)是為－汽8t平頭載貨車(chē)、8t長(zhǎng)頭載貨車(chē)以及其他變型載貨車(chē)配套的車(chē)用增壓柴油機(jī)，變型后也可作為客車(chē)和其他用途的配套動(dòng)力。

6110Z柴油機(jī)是在6110柴油機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它采用增壓技術(shù)來(lái)提高柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其技術(shù)規(guī)格和數(shù)據(jù)可查閱相關(guān)資料。由于增壓器柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷較非增壓柴油機(jī)的高，因此有的零件盡管其它裝尺寸和非增壓柴油機(jī)的是一樣的，但其采用的材質(zhì)較非增壓柴油機(jī)的要好，在維修更換配件時(shí)應(yīng)予以注意。

（1）主軸瓦和連桿軸瓦。采用了三元鍍層銅鋁合金軸瓦，提高了承載能力。

（2）缸套。采用了高強(qiáng)度合金鑄鐵，提高了表面硬度。

（3）進(jìn)排氣門(mén)。氣門(mén)密封錐面采用了堆焊鈷基合金材料，以提高耐熱、耐磨能力。

（4）活塞環(huán)。第1道氣環(huán)材料由球形鑄鐵改成合金球形鑄鐵，第2道氣環(huán)和油環(huán)的材料由合金鑄鐵改成VTi合金鑄鐵，以提高耐熱強(qiáng)度。

（5）活塞。由于活塞頭部熱負(fù)荷較高，采用了如下改進(jìn)措施：第I道活塞環(huán)槽采用了鑲?cè)Y(jié)構(gòu)，并多處改進(jìn)了結(jié)構(gòu)形狀；在機(jī)體主軸承座上安裝了對(duì)活塞內(nèi)腔進(jìn)行噴油冷卻的噴嘴（每缸一個(gè)），其結(jié)構(gòu)如圖5－64所示。

圖5－64　增壓柴油機(jī)活塞冷卻噴嘴結(jié)構(gòu)

（6）活塞銷(xiāo)。內(nèi)孔由φ23縮小至φ19，以提高強(qiáng)度。

（7）進(jìn)、排氣管。由于安裝增壓器的需要，增壓機(jī)進(jìn)氣管、排氣管等零件為專(zhuān)用件。安裝連接空濾器與增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口的橡膠管和連接壓氣機(jī)出口與進(jìn)氣接管的橡膠管時(shí)，必須保證其密封良好。

（8）傳動(dòng)齒輪。分別加大了各齒輪齒寬，以提高齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩的能力。

（9）后油封座。由于曲軸正時(shí)齒輪加寬，故后油封座的尺寸相應(yīng)減薄。

為了改善增壓柴油機(jī)的冷卻潤(rùn)滑效果，在其結(jié)構(gòu)上還采用了如下措施：減小水泵帶輪直徑、提高水泵轉(zhuǎn)速以增加水泵流量；將機(jī)油冷卻器芯子由4片增加至5片；增加機(jī)油泵齒輪的寬度以增加機(jī)油泵的流量來(lái)適應(yīng)活塞冷卻噴嘴的需要。

這里需特別介紹的是增壓器的轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速極高（10萬(wàn)轉(zhuǎn)／min左右），因此保證增壓器軸承的潤(rùn)滑和潤(rùn)滑油的清潔至關(guān)重要。增壓器的潤(rùn)滑油從最后一擋機(jī)體凸輪軸軸承孔處引出（用于增壓柴油機(jī)的這一個(gè)凸輪軸軸承比非增壓柴油機(jī)的多一個(gè)孔，可引出潤(rùn)滑油），經(jīng)增壓器機(jī)油濾清器濾清后從上部進(jìn)入增壓器，潤(rùn)滑后的潤(rùn)滑油從增壓器下部回油孔經(jīng)油管流回機(jī)體挺柱室油腔。新機(jī)或修理后的柴油機(jī)使用前，應(yīng)對(duì)增壓器和增壓器機(jī)油濾清器加注潤(rùn)滑油，以保證在柴油機(jī)起動(dòng)后增壓器即得到潤(rùn)滑。

增壓柴油機(jī)低速、小負(fù)荷時(shí)的進(jìn)氣量明顯下降，因此常裝有起負(fù)校正作用的增壓補(bǔ)償器，以改善柴油機(jī)低速時(shí)的性能。但如發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)功率有較大下降，應(yīng)檢查補(bǔ)償器連接管的情況是否正常。

此外，應(yīng)定期檢查增壓器連接空氣管路的密封情況，如膠管是否破損、夾箍是否松動(dòng)，以確保增壓器能正常工作。

【實(shí)踐教學(xué)】