发动机原理第三章发动机废气涡轮增压

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1、第三章 发动机废气涡轮增压,Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging,主要内容,概述 废气能量的利用 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 汽油机增压概述 车用增压发动机的性能,根据发动机的有效功率：,由：,则:,第一章概述,则提高发动机的单机功率的方法:,1、改变发动机结构参数 缸数i，缸径D，冲程S, 冲程数 2、提高转速n及活塞平均运行速度 3、提高平均有效压力 增压 其中 充量密度。,增压是内燃机发展的重要方向。,增压的目的是通过将空气预先压缩后供入气缸，增加进气质量，相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。,增压就是设法提高

2、进入气缸的充量密度，使进入发动机的新气量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高功率和改善经济性能和排放性能。,增压度：指发动机在增压后增长的功率与增 压前的功率之比。,发动机增压的衡量指标：,增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比。,（1）机械增压系统 （2）废气涡轮增压系统 （3）复合式发动机 （4）组合式涡轮增压系统 （5）气波增压系统,增压的种类,1.按增压比：,1）低增压： =1.31.6，对应的 =700-1000kpa。 2）中增压： =1.62.5，对应的 =1000-1500kpa。 3）高增压： 2.5，对应的 1500kpa。 4）超高压： 4.55

3、.5，对应的 =2500-3500kpa以上,2.按增压系统的结构形式：,机械增压,涡轮增压-涡轮增压,复合增压-双增压,(1)机械增压： 发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。这种方式提出最早，但其优点与缺点同样突出。用于小功率发动机。,图3-1,Supercharger,机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴。一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，以曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。根据构造不同，机械增压曾经出现过许多种类型，包括：叶片式(Vane)、鲁兹(Roots)、温克尔(Wankle) 等型式。现在较为常见的为前两种。,鲁兹增压器有双叶、三叶转子两种型式，目前以双叶转子

4、较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接接触。两转子借由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压。,而叶片式( 亦有称为涡流式) 的本体就是属于叶片式本体的一种。其运作方式主要是利用三个可根据不同离心力而改变转速的行星齿轮组带动进气叶片。发动机转速愈高，进气叶片的转速也能跟着提高。,“Twin-Screw式”机械增压器工作原理,双转子,“Roots式”机械增压器工作原理,奇瑞瑞虎1.6L装有机械增压,奔驰C180K用的1.6升机械增压发动机,机械增压系统,优点是涡轮转速和发

5、动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。,(2)废气涡轮增压： 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。广泛应用于柴油机。,图3-2,由涡轮机和压气机构成。,Turbo charger,涡轮增压的原理,红色为高温废气，蓝色为新鲜空气,废气涡轮增压器是利用发动机排出的废气能量来驱动涡轮，并带动同轴上的压气机叶轮旋转，将空气压缩并送入发动机汽缸。由于废气涡轮增压器与发动机之间没有任何机械传动连接，机械损耗更小。理论上只要汽缸壁足够坚固，只需通过增加涡轮的尺寸和激

6、量，就能将动力提升到十分惊人的程度。,涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。,但它仍有个难以完全克服的缺点涡轮迟滞。,简单的涡轮增压系统的工作原理。 图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。,经典的BORA 1.8T 涡轮增压发动机,涡轮增压套件,10ZJ型涡轮增压器,半开式工作轮,罗茨式压气机,(3)复合式增压： 将机械增压与废气动力涡轮串联起来工作，称为复合式增压系统。,Compositer supercharger,复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并

7、用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。,这种装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车型还比较少。这种发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易，因此很难普及。,(4)组合式增压,组合式增压系统由废气蜗轮增压与进气惯性增压组合而成。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。,(5)气波增压： 利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，著名的气波增压器(Comprex)就是其中之一。,图3-5,Pressure wav

8、e supercharger,气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触，利用高压废气对低压空气产生的压力波，迫使空气压缩，从而提高进气压力。气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大，加速性好等优点。,但由于它的特殊结构，气波式增压器同样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。另外，空气压力波对进、排气阻力过于敏感，要求进气滤清器及悱气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。由于存在许多问题，气波式增压器目前仍处于研究试验阶段。,机械增压 VS 涡轮增压,小结：,涡轮增压器（Turbocharger）的主要优点：,1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可使功率提高20%50%，而且容

9、易实现高增压。,2）减少了机械损失和散热损失，提高机械效率和热效率，油耗率降低，经济性能明显提高。,3）可降低排气噪声和烟度。,第二节 废气能量的利用,一、废气的最大可用能,式中： 废气经排气门节流和排气支管中自由膨胀所损失的能量。 废气在蜗轮中进一步膨胀所回收的能量 活塞推出废气，废气得到的能量 扫气空气所具有的能量,一、废气的最大可用能,四冲程增压柴油机理论示功图,二、影响脉冲能量利用的因素,1）排气门开启定时 2）排气门流通面积 3）排气门开启规律 4）排气管流通面积 5）排气管长度 6）涡轮当量流通面积,第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理,废气涡轮增压器利 用内燃机排出的部分废

10、 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。,第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理,种类：按废气在涡轮机中的流动方向分：,离心式压气机,径流式涡轮,中间体,废气涡轮增压器结构,涡轮增压器的结构,一、径流式涡轮的工作原理,功用：将废气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械功。,进气壳：废气顺畅流入 喷阻环：废气径喷阻环，使气流速度增大、动能增大 工作轮：高速气流离心力作用驱动工作轮高速运动，使压气机工作轮转动 排气壳：废气作功后顺畅排入大气或废气锅炉,1.燃气在蜗轮机中的流动,在废气蜗轮的工作过程中，具有一定动能及压力能的

11、废气在喷嘴叶片环通道中仅部分得到加速而转变为废气的动能，而从喷嘴叶片环中流出的具有一定动能及压力能的废气，则在工作叶轮中大部分转变为机械能，最终用来驱动压气机。,2.涡轮机的特性曲线,涡轮特性,转速一定，相似流量随膨胀比的增大而增大，直到达到流量最大值，喷嘴环或蜗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，蜗轮流量也不会再增加，这种现象称为涡轮机的阻塞现象。,二、离心式压气机的工作原理与特性,1.基本工作原理和主要参数,离心式压气机一般由进气道、工作轮、扩压器和出气蜗壳组成。 进气道：收集气流顺畅进入工作轮 工作轮：对气体压缩 扩压器：工作轮出

12、口气体进一步压缩 涡 壳：使增压气体顺畅进入气缸,1）增压比 2）流经压气机的每秒质量流量mk或容积流量V0（相应于压气机的进口状态） 3）压气机转速：就是蜗轮的转速 4）压气机的绝热效率,压气机的主要参数：,（1）压气机的流量特性 （2）压气机的喘振与堵塞 1）喘振现象 2）喘振原因 3）避免喘振 （3）压气机通用特性,2.压气机特性曲线,第四节 废气涡轮增压的类型,一、废气涡轮增压的基本类型,涡轮增压内燃机中，根据废气能量的利用方式，可以分为定压涡轮增压系统和脉冲（变压）涡轮增压系统两种基本类型，其他增压系统大都是由这两种系统演变而来。,定压涡轮增压系统的特点是涡轮前的废气压力基本上保持恒

13、定。把各缸的排气管通向一根排气总管上。且排气总管的容积要足够大，应能起稳定压力的作用。这时虽然各气缸的排气时间互有差距，压力波动较大，但汇集到排气总管后，互相混合减速和滞止，基本保持恒定压力，然后，废气按定压由排气总管导入涡轮机的喷嘴环。,1、定压涡轮增压系统,采用脉冲涡轮增压系统，其特点是：把各缸的排气支管做得短而细，涡轮增压器尽量靠近气缸，并且几个气缸（通常有2到3个缸）连接一根排气管，这样在每一根排气管中就形成几个连续的互不干扰的废气脉冲波（或称废气压力波）进入废气涡轮中；同时把涡轮的喷嘴环根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。由于涡轮处在进气压力波动较大的条件下工作，所以该系统又称

14、为变压式涡轮增压系统。,2、脉冲涡轮增压系统,定压和脉冲增压涡轮系统的不同点： （1）废气能量利用效果 脉冲涡轮增压废气能量的损失比定压涡轮增压小，对废气能量的利用比定压增压要好。但当增压比提高时，两种系统对废气能量的利用效果将逐渐接近。一般增压比小于2.5时，采用脉冲增压系统对于废气的利用是比较有利的。,（2）内燃机气缸内扫气作用 即使在部分负荷工况下，脉冲涡轮增压系统仍能保持足够的扫气压力差，以保证气缸有良好的扫气，达到提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。定压系统则不容易保证气缸内的扫气。 （3）内燃机的加速性能 采用脉冲涡轮增压系统的内燃机加速性能较好，另外，在内燃机转速降低

15、时，脉冲涡轮增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。,（4）增压器效率与增压器系统的结构 从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的平均绝热效率比定压系统略低。定压系统的涡轮前压力恒定，且涡轮喷嘴环全周进气，涡轮的效率较高。 此外，脉冲涡轮增压系统的尺寸较大，排气管的结构也比较复杂。 综上所述，在低增压时采用脉冲涡轮增压系统较为有利；高增压时则两种系统同时存在，各有所长，应根据实际情况综合考虑。,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 1.排气旁通 2.进气旁通 3.可变截面涡轮 （1）双涡壳通道蜗轮 （2）可变涡壳通道流通截面蜗轮 （3）变喷嘴环流通截面蜗轮,二、改善

16、车用增压发动机转矩特性的途径 （1）双涡壳通道蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （1）双涡壳通道蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （2）可变涡壳通道流通截面蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （3）变喷嘴环流通截面蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （3）变喷嘴环流通截面蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （3）变喷嘴环流通截面蜗轮,二、改善车用增压发动机转矩特性的途径 （3）变喷嘴环流通截面蜗轮,第五节 汽油机增压概述,一、汽油机增压的特点 1爆燃 增压比一般比柴油机低得多，功率最高增加幅度为40%50 2混合气的调节 电控汽油喷射技术的应用，为增压技术在汽油机中的应用扫除了一大障碍 3热负荷 4对增压器的特殊要求,1降低压缩比 2增压压力控制系统 3减小增压后的“反应滞后”现象 4燃料供给系统的调整 （1）汽油泵 （2）点火提前角的调整,二、汽油机涡轮增压的主要技术措施,在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增