三发动机废气涡轮增压

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1、汽车发动机原理 1 主要内容与要求 v理解和掌握提高发动机功率的方法。 v理解和掌握废气能量的利用。 v理解和掌握废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 。 v理解和掌握改善车用增压发动机转矩特性的途径。 v理解和掌握汽油机涡轮增压的主要技术措施。 v理解和掌握车用增压发动机的性能。 第三章 发动机废气涡轮增压 2 第三章 发动机废气涡轮增压 第一节 概述 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。 目的：提高发动机功率和改善经济性能。 3 提高发动机的单机功率有以下三条途径： 1）改变发动机的结构参数（如增加气缸数，增大气缸直 径D、活塞行程S和减少冲程数等）。

2、2）提高发动机转速n或活塞平均速度Cm。 3）提高发动机的平均有效压力pme。 最经济有效的方法：提高发动机的平均有效压力。 a pme Pe 增压c pme Pe 增压s pme Pe 4 增压度k ：是指发动机在增压后增长的功率与增压前的 功率之比。 增压比k ：是指增压后气体压力pk与增压前气体压力p0 之比，即 kpkp0 分类： A、按增压比分类： 1) 低增压：k1.31.6，对应的pme7001000kPa 2）中增压：k1.62.5，对应的pme10001500kPa 3）高增压：k2.5，对应的pme1500kPa 4）超高增压：k4.5 5.5 ，对应的pme2500kPa

3、 10%60% 5 B、按增压系统的结构形式分类 （1）机械增压系统 增压器可用离心式压气机、罗茨 式压气机、螺旋转子式压气机或滑片 转子式压气机等。 应用：机械增压系统可有效地提 高内燃机功率并能用于二冲程发动机 扫气，以及用于复合增压系统中。Pk 值不宜超过160170kPa，否则，将 导致整机性能下降，特别是比油耗上 升。 6 （2）废气涡轮增压系统 废气涡轮增压器： 废气涡轮与压气机 通常装成一体。 特点：其结构简单， 工作可靠，一般自吸式 发动机，合理加装废气 涡轮增压系统后，可提 高功率3050，降 低比油耗5左右，有利 于改善整机动力性能、 经济性能及排放品质， 因而得到广泛应用

4、。 废气 废气 空气 7 （3）复合式增压系统 结构：将废气动力涡 轮与废气涡轮增压器串联 起来工作。 特点：可充分利用废 气能量，使动力性能、经 济性能大为改善，但结构 复杂，成本高且技术难度 大。 8 （4）组合式涡轮增压系统 结构：由废气涡轮增 压与进气惯性增压组合 而成。 进气惯性的原理：利 用压力峰值可进一步提 高增压后的进气压力。 特点：该系统使发动 机加速性能变好，并对 改善发动机的低速转矩 有利。 9 （5）气波增压系统 气波增压：是由曲轴驱动一 个特殊转子，在转子中废气直 接与空气接触，利用高压废气 的脉冲气波迫使空气在互相不 混合的情况下受到压缩，从而 提高进气压力。 特点

5、：结构简单，加工方便 ；但还存在不少问题。 总结：从实际应用的情况来 看，较为常见的是涡轮增压和 机械增压，其中涡轮增压占了 绝大部分。 10 涡轮增压的主要优点：（与其他增压方式相比） 1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下， 一般可提高功率2050，而且容易实现高增压。 2）由于压气机消耗的功是涡轮从废气中回收的一部分能量 ，再加上相对地减少了机械损失和散热损失，提高了机械效率 和热效率，使内燃机涡轮增压后油耗率可降低510，经济 性能有明显提高。 3）可降低排气噪声和烟度。废气在涡轮中可以实现充分 膨胀，排气噪声降低；废气中的有害成分也可减少，因而减少 了对环境的污染。正是由

6、于涡轮增压的这些突出优点，使其在 各种用途的内燃机中得到了广泛的应用。 涡轮增压的缺点：涡轮增压内燃机气体流路长，加速性能 较差，热负荷问题较严重（特别是高增压时），对大气温度和 排气背压较敏感。 11 第二节 废气能量的利 用 一、废气的最大可用能 1、废气的最大可用能E 由三部分组成： 排气门打开时，气缸内气 体等熵膨胀到大气压力Pa所作 的功，即EbE1十ET； 活塞推出废气，废气得到 的能量Ec； 扫气空气所具有的能量为 Es，即EsEsE“s b49KTb 49874 3518763 12 总结： 废气的最大可用能E E Eb Ec Es E1十ET Ec EsE“s 式中 Eb：排

7、气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力P0所 作的功； Ec：活塞推出废气使废气增加的能量； Es：扫气空气所具有的能量； E1：废气经排气门节流和排气支管中自由彭胀所损失的能 量； ET：废气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量； Es：扫气空气进入涡轮后具有的能量； E“s：扫气空气流经进、排气门的节流损失； 13 2、废气的能量损失 排气门前废气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气支管 、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，能量损 失E包括如下几个方面： EEvEcEDEM十EFEh Ev：流经排气门处的节流损失；（约占总损失的6070） Ec：流经各种缩口处的节流损失； ED：管

8、道面积突扩时的流动损失； EM：不同参数气流掺混和撞击形成的损失； EF：由于气体的粘性而形成的摩擦损失； Eh：气流向外界散热所形成的能量损失。 （思考：如何减少E？） 3、废气能量传递效率E 涡轮进口处气体的可用能量与排气门前气体的可用能量之 比。 EETEC 14 二、影响脉冲能量利用的因素 脉冲增压系统就是要尽可能地利用脉冲能量。脉 冲能量利用主要取决于排气管中压力波的合理组织。 几种影响脉冲能量利用的主要因素： （1）排气门开启定时 （最佳） （2）排气门流通面积 （增大） （3）排气门开启规律 （加快） （4）排气管流通面积 （最佳） （5）排气管长度 （适当） （6）涡轮当量流通

9、面积 （ 优化） 15 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：是指利用内燃机排出的部分废气能量， 推动涡轮机高速旋转，从而带动安装在同一根轴上的离心式压 气机，增大内燃机进气压力的工作机械。 分类：径流式废气涡轮增压器和轴流式废气涡轮增压器 应用：一般车用发动机多采用径流式。 16 径流式涡轮增压器由离心式压气机（包括压气机叶轮、压气 机蜗壳等）、径流式涡轮（包括涡轮叶轮、涡轮蜗壳等）和中 间体三个主要部分，以及支承装置、密封装置、冷却系统和润 滑系统等组成。 压气机 涡轮机 中间体 构 造 支承装置 17 、径流式涡轮的工作原理 涡轮的功用是将废气所拥有的能量尽可能多地

10、转化为涡轮旋 转的机械功。 1废气在涡 轮机中的流动 径流式涡轮机 的主要组成： 进气蜗壳 喷嘴叶片环 工作叶轮 进、出气道 涡轮壳 喷嘴叶片 工作叶轮 18 2、涡轮机特性曲线 涡轮机的主要工作参数：涡轮效率、膨胀比、气体流 量和涡轮转速等。 用这些参数及其相互关系来表示涡轮机的工作性能。 （1）涡轮效率T ：涡轮将废气能量转换为机械功的 有效程度。 T涡轮机轴上的有用功 废气所拥有的能量 WTHT 据统计，涡轮效率T 0.650.85 （2）膨胀比T ：涡轮进口气体滞止压力P*T与涡轮出 口气体静压力P0之比，即TP*TP0 19 （3）气体质量流量qmT 是指单位时间内通过涡轮的气体质量

11、。（在涡轮增压发动 机中，无泄漏和放气时，通过涡轮的气体流量等于压气机流量 和发动机燃烧的燃料流量之和。） 在分析各性能参数之间的关系时，为使涡轮性能在不同入 口气体状态下具有可比性，采用相似流量qmTT*TP*T来表征 涡轮的流量。其中T*T为滞止温度，P*T为气体滞止压力。 （4）涡轮转速n 在分析各性能参数之间的关系时，应采用相似转速nT*T ，但涡轮的相似转速和压气机的相似转速并不相等。 涡轮机所发出的功率PT（k w）为 PTqmT HTT1000 涡轮机的特性：在涡轮机变工况运行时，上述参数之间的 关系。 20 涡轮机特性曲线：以相似流 量qmTT*TP*T为横坐标，以 膨胀比P*

12、TPo为纵坐标，以 相似转速nT*T为参变量的一 组曲线，如图3-9所示。 可见，当转速一定时，相似 流量随膨胀比的增大而增大， 直到达到流量最大值，喷嘴环 或涡轮叶片轮中某处气流速度 已经达到了当地声速，即使再 继续增大膨胀比，该处的气流 速度仍维持当地声速，涡轮流 量也不会再增加，这种现象称 为涡轮机的阻塞现象，这时的 流量称为阻塞流量。 相似转速 相似流量 膨胀比 涡轮效率 21 径流式涡轮的优点：效率高、膨胀比大、结构 简单、尺寸小，制造成本低等。 径流式涡轮的缺点：变工况的性能不佳，工作 叶轮和高温气流接触面积大，热应力大等。 应用：在小功率的内燃机中应用较多。 22 二、离心式压气

13、机的工作原理与特性 1、基本工作原理和主要参数 构造：一般由进气道、工 作轮、扩压器及出气蜗壳所组 成。 空气流经压气机的各个通 道之后，完成了一系列的能量 转换，将涡轮机传给压气机工 作轮的大部分机械功转变为空 气流的压力能。 23 压气机的主要参数： 1）增压比kpk/p0 2）流经压气机的每秒质量流量mk（kgs）或容积流量 V0（ms）（相应于压气机的进口状态） 3）压气机转速nk ：等于涡轮的转速n 4）压气机的绝热效率ad-k：1kg空气的绝热压缩功had-k与 实际压缩功hk之比。 压气机的压缩过程 如图3-12所示 绝热压缩：04 实际压缩04 24 25 目前在涡轮增压器上应

14、用的单级离心式压气机的绝热效率 为ad-k 0.600.81。 驱动压气机所需的功率： 2压气机特性曲线 （1）压气机的流量特性 ：是指压气机转速nk不变时，压 气机的增压比k和绝热效率ad-k随空气流量mk的变化关系。 式中 had-k ：1kg空气的绝热压缩功； mk：空气的质量流量为 26 （2）压气机的喘振与堵塞 出现喘振的原因：是由于流量过 小时，在叶片扩压器内和工作轮进 口处气流与壁面分离而引起的。 堵塞现象:在某一增压器转速下 ，压气机的气体流量随增压比的降 低而增加;当流量增加到一定数值后 ，压气机通道中的某个截面达到临 界条件，当增压比继续降低时，而 气体流量却不再增加的现象。 离心式压气机的工作特点： 是在高转速时可能发生堵塞，在 低转速时可能引起喘振。 离心式压气机的流量特性 喘振 27 （3）压气机通用特性 根据气体流动相似原理，采用相似参数来绘制压气机特性 曲线（称之为压气机的通用特性曲线）。 本章作业： P57：第2、3、5、7题 28 29