汽车发动机原理第八章

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1、 内燃机增压内燃机增压方式内燃机增压是指将新鲜空 气进行预先压缩，然后进 入气缸，以提高进气密度 ，从而增加进气量，燃烧 更多的燃料，增加内燃机 的输出功率。 内燃机增压方式分四类： 机械增压、排气涡轮增压 、气波增压和复合增压。第一节节 概述第三节节 排气涡轮涡轮 增压压系 统统第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器第四节节 增压压内燃机的性能第五节节 汽油机增压压技术术第八章 内燃机增压 总目录内燃机增压压：指将新鲜空气进行预先压缩，然后进入气缸，以提高进气密度，从而增加进气量，燃烧更多的燃料，增加内燃机的输出功率。同时，可以改善内燃机的经济性和减少有害物排放。一 、内燃机增压压 第一节节 概述

2、 增压压比k： ，表示进气压力提高的程度。pk为增压后的进气压力，p0为未增压的进气压力，一般称为大气压力。 增压压度： ，表示增压后内燃机功率提高的程度。Pek为增压后内燃机的功率，Pe0为增压前内燃机的功率。即增压度为增压后内燃机的功率Pek与增压前功率Pe0之差与增压前功率Pe0之比。章目录、内燃机增压压的方式 二按增压器能量的提供方式及结构形式，增压可以分为四种类型，如图8.1所示。1. 机械增压压内燃机输出轴直接驱动增压装置，实现对进 气的压缩。2. 排气涡轮涡轮 增压压应用涡轮增压器，利用排气能量，驱动压 气机工作，实现进 气增压。3. 气波增压压利用排气系统中的压力波动效应压缩

3、空气。4. 复合增压压上述三种增压方式的组合，如机械增压与排气涡轮增压组合，一般用于大型船 用柴油机。另外，随着增压度的提高，出现了二级、三级涡轮 增压系统。 机械增压低速性和加速响应性好，可靠性 好，但消耗内燃机的有效功率。 排气涡轮增压系统由于回收部分废气能 量而得到广泛应用。复合增压系统和多级增压系统随着柴油机性能的进一步强化和排放法规的加严而 得到更多的使用。 第一节节 概述 图8.1 内燃机增压的方式 a）机械增压 b）涡轮 增压 c）气波增压 E内燃机 C压气机 T涡轮 机 、内燃机增压压的优优点和限制方面4 三1. 内燃机增压压的优优点（1）通过增压可以大幅度提高内燃机的输出功率

4、。， ， ， 则可见平均有效压力与进气密度成正比，或者与进气压力成正比。因此，提高进气压力，增加进气密度，可以提高内燃机的功率。（2）经济性得到改善。内燃机采用增压后，进气被压缩，换气过程的泵气功为正，使指示热效率it有所提高；随pme的提高，机械效率m也将提高；根据 内燃机燃油消耗率有所降低，经济性得到改善。第一节节 概述 （3）升功率可以得到较大增加。通过增压提高了进气密度，在总质量和体积基本不变的情况下，内燃机的从而降低了单位功率的造价，提高了材料利用率，改善了经济性。（4）排气能量得到回收利用。与自然吸气式内燃机比较，不仅提高了内燃机热效率，排气噪声也有所降低。（5）有利于降低缸内的压

5、力升高率和燃烧噪声。柴油机增压后，缸内压力和温度水平提高，可以缩短滞燃期，（6）改善CO、HC和碳烟排放。增压内燃机一般采用较大的过量空气系数，可以（7）有利于高原稀薄空气条件下内燃机功率的恢复。 第一节节 概述 2. 内燃机增压压的限制方面（1）机械负荷随着增压压力的提高，内燃机平均有效压力增加，爆发压力也随之提高，内燃机主要零部件受力增加，特别是缸盖、活塞、连杆、曲轴和轴承的受力增 加。（2）热负荷增压后可以燃烧更多的燃油，内燃机工作循环温度升高，活塞、缸盖、气门、喷油器和缸套等零部件热负荷增大，润滑和金属材料的机械性能都变差。（3）增压器的性能对排气涡轮增压器来说，要提高增压比，必须向排

6、气涡轮增压器提供较多的排气能量。提高涡轮的进气温度，受到材料的限制；增压器的工作转速很高 ，从每分钟几万转到二十几万转，外圆周线速度在300400m/s。一般用于制造涡轮的耐热钢长 期工作能承受的温度为650左右，陶瓷的耐热温度 也只在1000左右。制造压力机叶轮的材料一般为铝合金，其机械强度也限制了压力机转速的提高。（4）中冷器效率增压压力提高后，进气温度也随之升高，如pk=0.3MPa时，温度tk约为230。为提高进气密度，必须对进 气进行冷却，即“增压中冷”。如果把进气温度降 到50左右，降温幅度为180左右。因此，需要设计出体积小、效率高的中冷器才能在车辆上运用，这是比较困难的。图8.

7、2为径流式涡轮增压器的结构图。组成： ， ， 。第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 图8.2 径流式涡轮增压器 1压气机蜗壳 2压气机叶轮 3推力轴承 4压气机端密封座 5挡油板 6中间壳 7浮动轴 承 8涡轮 机叶轮 9涡轮 机蜗壳 v 涡轮增压器分为径流式涡轮增压器与轴流式涡轮增压器两类。根据内燃机排出废气在涡轮机中的流动方向，可轴流式涡轮增压器多用于大中型柴油机，以满足大流量、高效率的要求；中小型高速内燃机一般使用径流式涡轮增压器，以适应 高转速和较高响应性能的要求。 章目录（一）离心式压压气机（二）径流式涡轮涡轮 机（三）中间间壳 一、离心式压压气机如图8.3，由进进气道1、工作叶轮轮2

8、、扩压扩压 器3和蜗蜗壳4组成。第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 图8.3 离心式压力机 1进气道 2工作叶轮 3扩压 器 4蜗壳 图8.4 离心式压气机气流参数的变化 进气道 工作叶轮 扩压 器 蜗壳 1工作原理工作叶轮旋转将空气从进气道1吸入，经过收敛形进口段气流略有加速，速度由v0提高到v1，压力由p0略降到p1 （见图8.4）；当空气进入叶轮后，受 到极高转速的作用，提高了空气的动能和压力能，速度由v1提高到v2，压力也由p1提高到p2；由于扩压器的截面是逐渐增大的，所以空气流经扩压 器时， 压力进一步提高，由p2提高到p3，速度却由v2降低到v3；蜗壳将经扩压 器流出的空气收集并引向

9、出口，进一步将动能转变为压 力能。因此，压气机出口处 压力为p4，速度为v4。空气在离心式压气机中的整个流动过程中，温度逐步提高。 参数变化见图8.4。2压压气机的绝热绝热 效率压压气机绝热绝热 效率：指在相同增压比时，压气机 的绝热压缩 功与实际压缩 功之比。在实际压缩过 程中， 由于气流受到摩擦、流动阻力和热交换等因素的影响，实际压缩 功大于绝热压缩 功。压气机的绝热效率说明了驱动压 气机的消耗功 被转化利用的程度。目前压气机的绝热效率约为0.70.85或更高。第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 图8.6 压气机流量特性 3压压气机特性压压气机特性：压气机的主要工作参数增压比k、效率adk、

10、流量qmk和转速nk之间的变化关系。压压气机的流量特性：在一定环境条件下（p0、T0一定），压气机在某一转速nk时，增压比k和效率adk随流量qmk的变化关系（图8.6）。在某一转速nk下，对于某一流量qmk有最高的增压比k和绝热效率adk，高于或低于该流量，k和adk都将下降。效率一定时（图中等效率线），中间是高效率区，一般比较靠近喘振边界线。 为了使压气机流量特性不受试验时环 境状况的影响，一般根据相似理论折合成标准大气状况（即p0=101.33kPa，T0=293K）时压气机的工作状况，绘制压压气机通用特性。图8.7为某涡轮增压器压气机的通用特性。第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 图8.

11、7 压气机通用特性 喘振：压力机工作不稳定现象。在压气机转速nk一定时，当压气机的流量减小到某一数值时，压气机出现不稳定状 态，气流发生强烈的脉动，引发叶片的振动并伴随有喘息噪声，出口压力下降并伴随着波动，严重时会造成压气机损坏，因此压气机不允许在喘振下工作。喘振点：出现喘振的工作点。喘振线线：将各种转速下的喘振点连接起来的喘振边界线。压气机只能在喘振线右边范围内 工作。二、径流式涡轮涡轮 机主要由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作叶轮3和出气道4组成，如图8.8所示 。第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 图8.8 径流式涡轮机 1进气蜗壳 2喷嘴环 3工作叶轮 4出气道 图8.9 涡轮机中气流参数的变

12、化 1工作原理内燃机排出的废气从排气管进入蜗壳，在喷嘴环中膨胀，使废气的压力能部分转变为动 能，由喷嘴环高速喷出，并沿喷嘴环出口方向进入工 作叶轮，推动叶轮高速旋转，废气在叶轮中进一步膨胀后经出气道排出。在涡轮机中，废气不断膨胀，压力由pT降到p0，温度由TT降到 T0，气体流经喷嘴环时流速从vT提高到v1，流过工作叶轮后降到v2，如图8.9。 参数的变化见图8.9。 第二节节 排气涡轮涡轮 增压压器 3涡轮涡轮 机特性涡轮机的主要工作参数膨胀比T（排气 滞止压力与排气背压之比）、效率T、流 量qmT和转速nT之间的变化关系。如图8.10所示为涡轮 机特性的通用特 性。同样根据相似理论，利用折

13、合流量和折合转速绘制，。可见，涡轮机转速一定时，随膨胀比 增加，存在一个堵塞流量。出现堵塞说明 在涡轮内部某处，排气流速达到了当地音 速。堵塞一般发生在喷嘴出口截面上，或者叶轮通道某处。图8.10 涡轮机通用特性 2涡轮涡轮 机效率涡轮机效率指实际膨胀功与绝热膨胀 功之比，表示涡轮机中废气能量转换 为机械功的有效程度。一般排气涡轮增压器涡轮机效率 T = 0.7 0.9。三、中间壳中间壳用于连接压气机壳与涡轮机壳，将压气机叶轮与涡轮机叶轮同轴连接在一块。中间壳中充满有循环润滑油，润滑油以一定压力输入，使高速旋转的轴在浮动轴承中得到充分润滑并呈悬浮、自动定心的工作状态，同时润滑油膜也起着散热与减

14、振作用。中间壳两侧有密封装置，防止压气机端的压缩空气和涡轮机端燃气的泄漏，以及防止轴承处润滑油的泄漏。第二节 排气涡轮增压器 图8.2 径流式涡轮增压器 1压气机蜗壳 2压气机叶轮 3推力轴承 4压气机端密封座 5挡油板 6中间壳 7浮动轴 承 8涡轮 机叶轮 9涡轮 机蜗壳 排气涡轮增压系统按排气能量在涡轮中的利 用方式，分为恒压压（或定压压）增压压系统统与脉 冲（或变压变压 ）增压压系统统两种基本形式，如图 8.11。 一二三恒 压压 涡涡 轮轮 增 压压 系 统统 脉 冲 涡涡 轮轮 增 压压 系 统统 两 种 增 压压 系 统统 的 比 较较 及 选选 取 图8.11 涡轮增压系统的两

15、种基本形式 a）恒压系统 b）脉冲系统 第三节节 排气涡轮涡轮 增压压系统统 章目录一、恒压涡轮压涡轮 增压压系统统如图8.11a所示。 该系统的特点是涡轮前的燃气压力基本保持一定，柴油机各缸排气都接到一根排气总管上。排气总管容积要足够大，起到稳定压力的作用，涡轮是单进气 口。 恒压涡轮 增压是将内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内，由于该排气管的稳压作用，进入涡轮前的压力基本保持不变。 优优点：涡轮在定压下全周进气，效率较高；气流引起的激振较小，不易 引起叶片断裂；排气系统结构简单，成本较低，易于布置和维护。主要缺点：脉冲能的利用效率较低，低速转矩特性和加速响应性能较差。第三节节 排气涡轮涡轮 增压压系统统 二、脉冲涡轮涡轮 增压压系统统为了更好地利用恒压涡轮 增压系统没有完全利用的脉冲部分能量。脉冲涡轮增压系统将内燃机各缸排气管做得短而细，将排气脉冲维持到 涡轮机的进口（如图8.11b）。第三节节 排气涡轮涡轮 增压压系统统 为了防止各缸排气脉冲的干涉，将排气管分支连接。以六缸内燃机（发火顺序为1-