汽车发动机原理发动机废气涡轮增压分析.pptx

第三章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging主要内容主要内容概述概述废气能量的利用（废气能量的利用（自学自学）废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型汽油机增压概述汽油机增压概述车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能第一节第一节 概述概述 增压增压:利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送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。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，使实际充气量增加大，使实际充气量增加,提高发动机功率和改善经济提高发动机功率和改善经济性。性。增压分类增压分类:按增压比（按增压比（增压后气体压力与增压前气体压力之比增压后气体压力与增压前气体压力之比 ）低增压：低增压：1.31.6，700 1000kPa；中增压：中增压：1.62.5，10001500kPa；高增压：高增压：2.5，1500kPa；超高增压超高增压 4.55.5，25003500kPa。(1)机械增压机械增压系统系统 发动机输出轴直接驱动发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的机械增压器，实现对进气的压缩。压缩。增压器有：离心式压气增压器有：离心式压气机、罗茨式压气机、螺旋转机、罗茨式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压子式压气机或滑片转子式压气机等。气机等。增压后的气体压力增压后的气体压力P Pk k不宜超过不宜超过160-170kPa160-170kPa。用于小功率发动机。用于小功率发动机。图3-1按增压系统的结构形式按增压系统的结构形式：(2)废气涡轮增压废气涡轮增压系系统统 压气机与涡轮同压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带量的推动下旋转，带动压气机工作，实现动压气机工作，实现进气增压。进气增压。可提高功率可提高功率30%-50%30%-50%，降低比油耗，降低比油耗5%5%广泛应用于柴油机。广泛应用于柴油机。涡轮增压的原理涡轮增压的原理 红色为高温废气，蓝色为新鲜空气红色为高温废气，蓝色为新鲜空气废气涡轮增压器废气涡轮增压器()复复合合增增压压系统系统将将废废气气动动力力涡涡轮轮与与废废气气涡涡轮轮增增压压器器串串联联起起来来工工作作，称称为为复复合合式式增增压系统。压系统。(4)组合增压组合增压系统系统 组合式涡轮增压组合式涡轮增压系统由废气涡轮增系统由废气涡轮增压与进气惯性增压压与进气惯性增压组合而成。在该增组合而成。在该增压系统中，除废气压系统中，除废气涡轮增压器外，还涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振有由稳压箱、共振管、共振室等构成管、共振室等构成的进气惯性增压系的进气惯性增压系统，利用压力峰值统，利用压力峰值,进一步提高增压后进一步提高增压后的进气压力。的进气压力。()气波增压系统气波增压系统 所谓气波增压，所谓气波增压，是由曲轴驱动一个特是由曲轴驱动一个特殊转子，在转子中废殊转子，在转子中废气直接与空气接触，气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相气波迫使空气在互相不混合的情况下受到不混合的情况下受到压缩压缩利用进气及利用进气及排气系统中的波动效排气系统中的波动效应来压缩进气。从而应来压缩进气。从而提高进气压力。提高进气压力。增压的优点增压的优点1.比质量小、升功率大比质量小、升功率大2.降低造价、提高材料利用率降低造价、提高材料利用率 3.排气噪声降低、燃烧噪声降低排气噪声降低、燃烧噪声降低4.有利于高原等稀薄条件工作有利于高原等稀薄条件工作5.排放降低排放降低6.适用性广适用性广增压的缺点增压的缺点1.热负荷与机械负荷大热负荷与机械负荷大2.气体流路长，加速响应性差气体流路长，加速响应性差第三节第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理一、径流式涡轮的工作原理一、径流式涡轮的工作原理1燃气在涡轮机中的流动燃气在涡轮机中的流动 离心式压气机径流式涡轮中间体 废气从工作叶轮转子的外缘由进废气从工作叶轮转子的外缘由进气蜗壳流入，经过一系列工作路径后气蜗壳流入，经过一系列工作路径后从涡轮中心轴向流出。从涡轮中心轴向流出。在涡轮工作叶轮中，叶片之间的在涡轮工作叶轮中，叶片之间的通道也是呈渐缩状，气体在通道中将通道也是呈渐缩状，气体在通道中将继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时，气流转弯。由于离心力作用的结时，气流转弯。由于离心力作用的结果，在叶面的凹面上压力得到提高，果，在叶面的凹面上压力得到提高，而在凸面则降低。作用在叶片表面的而在凸面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生了转矩。此时，压力的合力，产生了转矩。此时，在在工作轮出口处压力、温度以及速度均工作轮出口处压力、温度以及速度均下降，而出口处的气体速度已经大大下降，而出口处的气体速度已经大大小于进口速度，气体膨胀所获得的动小于进口速度，气体膨胀所获得的动能已大部分传给了工作叶轮。能已大部分传给了工作叶轮。涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气所拥有的能量的比所拥有的能量的比 2.涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线1)涡轮机参数涡轮机参数(1)涡轮效率涡轮效率 膨胀比膨胀比为涡轮进口气体滞止压力与涡轮为涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口气体静压力之比出口气体静压力之比(2)膨胀比膨胀比(4)相似相似转速转速(3)相似流量相似流量 相似流量相似流量 为气体质量流量，为气体质量流量，为滞止温度，为滞止温度，为气体滞止压力。为气体滞止压力。n为为涡轮涡轮转速转速相似相似转速转速涡轮机所发出的功率涡轮机所发出的功率 2）涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线图图39 涡轮机的特性涡轮机的特性 涡轮机特性曲线：涡轮机特性曲线：以相以相似流量为横坐标，以膨似流量为横坐标，以膨胀比为纵坐标，以相似胀比为纵坐标，以相似转速为参变量的一组曲转速为参变量的一组曲线。线。转速一定，相似流量随转速一定，相似流量随膨胀比的增大而增大，膨胀比的增大而增大，直到达到流量最大值，直到达到流量最大值，即达到了当地声速，即即达到了当地声速，即使再继续增大膨胀比，使再继续增大膨胀比，该处的气流速度仍维持该处的气流速度仍维持当地声速，涡轮流量也当地声速，涡轮流量也不会再增加。不会再增加。二、离心式压气机的工作原理与特性二、离心式压气机的工作原理与特性图图310 离心式压气机简图离心式压气机简图1进气道；进气道；2工作轮；工作轮；3扩压器；扩压器；4出气蜗壳出气蜗壳基本工作原理基本工作原理：空气沿：空气沿收敛型的轴向进气道略收敛型的轴向进气道略有加速地进入工作轮，有加速地进入工作轮，并沿着工作轮上叶片所并沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，由于构成的通道流动，由于工作轮中的空气随工作工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工作轮的轮一起旋转，工作轮的机械能传递给气体，转机械能传递给气体，转变为气体的动能，使气变为气体的动能，使气体运动的线速度增大，体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所使之能克服气体微团所受径向压差的作用，而受径向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动，达到了增压方向运动，达到了增压的目的。的目的。主要参数：主要参数：1）增压比）增压比 2）流经压气机的每秒质量流量）流经压气机的每秒质量流量或容积流量或容积流量3）压气机转速）压气机转速 4）压气机的绝热效率）压气机的绝热效率定义为定义为1kg 空气的绝热压缩功空气的绝热压缩功与实际压缩功与实际压缩功之比。之比。压气机特性曲线压气机特性曲线：图图313 离心式压气机的流量特性离心式压气机的流量特性()压气机的流量特性压气机的流量特性 压气机的流量特性是表示压气压气机的流量特性是表示压气机转速机转速不变时，压气机的增压比和不变时，压气机的增压比和绝热效率随空气流量的变化关系。绝热效率随空气流量的变化关系。(1)压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞 压气机的喘振压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧当压气机工作在喘振线右侧时，其工作是稳定的；而当处于喘时，其工作是稳定的；而当处于喘振线左侧时，压气机的工作就变得振线左侧时，压气机的工作就变得不稳定甚至有危险了。不稳定甚至有危险了。压气机的堵塞压气机的堵塞 当增压比继续降低时，气体当增压比继续降低时，气体流量却不再增加，此时的气体流量流量却不再增加，此时的气体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压称为堵塞流量，它也是该转速下压气机所对应的最大流量。气机所对应的最大流量。10ZJ型涡轮增压器废气涡轮增压器结构废气涡轮增压器结构涡轮增压器的结构涡轮增压套件半开式工作轮第四节第四节 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压的类型 图图314 涡轮增压系统的两种基本形式涡轮增压系统的两种基本形式a）定压增压系统）定压增压系统 b）脉冲增压系统）脉冲增压系统）定压增压系统）定压增压系统把各缸的排气管部通向一根排气总管上。把各缸的排气管部通向一根排气总管上。）脉冲增压系统）脉冲增压系统几个气缸连接一根排气管几个气缸连接一根排气管。）定压增压系统和脉冲增压系统的比较）定压增压系统和脉冲增压系统的比较1.废气能量利用的效果废气能量利用的效果脉冲增压对废气能量的利用比定压增压要好。脉冲增压对废气能量的利用比定压增压要好。.内燃机气缸内的扫气作用内燃机气缸内的扫气作用脉冲增压扫气作用比定压增压要好。脉冲增压扫气作用比定压增压要好。.内燃机的加速性能内燃机的加速性能 脉冲增压的加速性能比定压增压要好。脉冲增压的加速性能比定压增压要好。.增压器效率与增压系统的结构增压器效率与增压系统的结构 定压增压系统的效率较高。定压增压系统的效率较高。与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管的结与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管的结构比较复杂。构比较复杂。结论：结论：在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；而在在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；而在高增压时，则是两种系统同时存在、各有所长。高增压时，则是两种系统同时存在、各有所长。二、改善车用增压发动机扭矩特性的途径二、改善车用增压发动机扭矩特性的途径（一）排气旁通（一）排气旁通（二）进气旁通（二）进气旁通部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少进入气缸的空气量使部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少进入气缸的空气量使发动机进气压力适当降低，以适应发动机的要求。发动机进气压力适当降低，以适应发动机的要求。（三）可变截面涡轮（三）可变截面涡轮.双蜗壳通道涡轮双蜗壳通道涡轮(平板阀平板阀)；.可变蜗壳通道流通截面涡轮（曲可变蜗壳通道流通截面涡轮（曲面型阀门）面型阀门）；.变喷嘴环流通截面涡轮变喷嘴环流通截面涡轮（喷嘴环叶片角度）（喷嘴环叶片角度）第五节第五节 汽油机增压概述汽油机增压概述一、汽油机增压的特点一、汽油机增压的特点 从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动机中得到应技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动机中得到应用外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。用外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。限制汽油机压的主要技术障碍：限制汽油机压的主要技术障碍：.爆燃爆燃 汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将促使爆燃的发生，限制汽油机增压。促使爆燃的发生，限制汽油机增压。采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决。带中冷器的废气涡轮增压系统图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。.混合气的调节混合气的调节 汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增压时气体汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供应一定浓流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的密度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新问题。目前电控汽油喷射技术可以较封、加速响应性能等新问题。目前电控汽油喷射技术可以较好地解决这一问题。好地解决这一问题。.热负荷热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，废汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，废气温度也比柴油机高气温度也比柴油机高200300。增压后，汽油机的整体。增压后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。当采用涡轮增压技术时，温度水平提高，热负荷问题加重。当采用涡轮增压技术时，应用涡轮前放气来调整增压比。应用涡轮前放气来调整增压比。.对增压器的特殊要求对增压器的特殊要求 汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，还要求有量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，还要求有增压增压调节装置调节装置，这就造成它的成本比柴油机用增压器要高。，这就造成它的成本比柴油机用增压器要高。二、汽油机涡轮增压的主要技术措施二、汽油机涡轮增压的主要技术措施.降低压缩比降低压缩比 汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩比汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩比(在使用辛烷值为90的汽油时，汽油机的压缩比从8.6降到7.0，废气涡轮增压后的最大功率可增加40%50%)。.增压压力控制系统增压压力控制系统 汽油机运行转速范围比柴油机宽，从低速到高速汽油机运行转速范围比柴油机宽，从低速到高速进气流量变化范围大，涡轮增压器的特性很难完全满进气流量变化范围大，涡轮增压器的特性很难完全满足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足，足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足，高速对增压压力过高的情况，出现爆燃，为此，必须高速对增压压力过高的情况，出现爆燃，为此，必须对汽油机增压压力进行控制。对汽油机增压压力进行控制。.减小增压后的减小增压后的“反应滞后反应滞后”现象现象 采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案、带旁通阀采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案、带旁通阀的控制系统、减小进排气管长度及容积、提高压缩比的控制系统、减小进排气管长度及容积、提高压缩比及可变点火正时等措施，来减小及可变点火正时等措施，来减小“反应滞后反应滞后”现象。现象。.燃料供给系统的调整燃料供给系统的调整 汽油泵汽油泵 采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。点火提前角的调整点火提前角的调整 采用了电子控制装置来自动推迟点火提前角。采用了电子控制装置来自动推迟点火提前角。三、汽油机废气涡轮增压器的布置三、汽油机废气涡轮增压器的布置 在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增压在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增压器之后喷入，也有的在压气机前吸入一小部分燃油。器之后喷入，也有的在压气机前吸入一小部分燃油。第六节第六节 车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能一、增压前后发动机动力性及经济性的变化一、增压前后发动机动力性及经济性的变化 增压后平均指示压力提高。增压后平均指示压力提高。增压后机械效率提高。增压后机械效率提高。增压后内燃机的充量系数是增大的。增压后内燃机的充量系数是增大的。二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响.降低排气污染和噪声降低排气污染和噪声 通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体HC和和CO的排放量一般为非增压机的的排放量一般为非增压机的13l2，如果措，如果措施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NOx 排放量也显著降低。排放量也显著降低。涡轮利用废气中的能量，降低废气的压力，降低噪涡轮利用废气中的能量，降低废气的压力，降低噪声。声。2.低速转矩性能变差低速转矩性能变差 主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高速压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低速压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。气门定时等，是可以改善其低速转矩的。3.加速性能变差加速性能变差 由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外利用车辆上空动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外利用车辆上空气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射4.起动与制动有一定困难起动与制动有一定困难 柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工作，柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工作，压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的进气压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高再加上增压柴油机的压缩比较低，使压力及温度均不高再加上增压柴油机的压缩比较低，使起动时压缩终点的温度降低造成着火与起动困难。起动时压缩终点的温度降低造成着火与起动困难。增压可以在保持原机功率和较高转矩的情况下，适当降增压可以在保持原机功率和较高转矩的情况下，适当降低内燃机转速，从而减少机械损失和磨损，提高经济性能、低内燃机转速，从而减少机械损失和磨损，提高经济性能、可靠性和使用寿命。所以一般非增压机改为增压机后，转可靠性和使用寿命。所以一般非增压机改为增压机后，转速均有所降低，这时，车辆后桥传动比也应作相应改动。速均有所降低，这时，车辆后桥传动比也应作相应改动。