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1、第四节 内燃机的增压,内燃机增压技术概述,涡轮增压器的工作特性,排气涡轮增压系统简介,汽油机增压技术,SUPERCHARGING,主要学习内容,内燃机增压概述 INTRODUTION,一、内燃机的增压定义 Definition,Supercharging refers to increase the air or fuel-air mixture density by increasing its pressure prior to entering the engine cylinder,二、内燃机增压的历史 Development,1907 美国 路易斯雷诺（Louis Renault）
2、机械增压发动机 1915 瑞士 阿尔弗雷德波希(Alfred Buchi ) 排气涡轮增压发动机 现代内燃机增压技术： 增压压力、温度、流量 排气温度、涡轮转速 增压器电子控制技术,机械增压 (Mechanical supercharging) 发动机输出轴直接驱动机械增压装置，实现对进气压缩。 螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等,三、内燃机增压的方式 Supercharging Technologies,机械增压器 (COMPRESSOR),Roots supercharger,Twin-screw supercharger,机械增压器(COMPRESSOR),Sliding Va
3、ne Compressor,Spiral Supercharger,机械增压器(COMPRESSOR),排气涡轮增压 (Turbocharging) 排气推动涡轮旋转,涡轮带动压气机工作， 实现进气增压。 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。 定压和脉冲涡轮增压 径流涡轮和轴流涡轮,排气涡轮增压 (TURBOCHARGOR),3. 气波增压 (COMPREX),wave rotors,Wave Supercharging,4. 复合增压 (Combined Supercharging),Sequential Turbocharging,Supercharger-Assisted Turboc
4、harger,Electric Turbo-Compounding,5. 涡轮复合 ( Turbo-compounding),二、增压对内燃机动力性和经济性的影响,目的: 提高动力性，并降低排放。,BOOSTING THE ENGINE POWER,三、发动机增压技术的优势与代价,Advantages and disadvantages,排气涡轮增压（turbocharging）,一、排气涡轮增压器 （TURBOCHARGOR）,工作过程,进口段：新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮，压力温度略有下降，气流略有加速。 叶轮通道：气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流通道内，吸收叶轮的机械
5、能，使气体的压力、流动速度和温度均有较大的增长。 扩压器：通道流通截面积逐渐增大，气体动能大部分转变为压力能，压力和温度进一步升高，速度下降。 集气蜗壳：收集气体向内燃机进气管输送。,二、离心式压气机的工作特性,CENTRIFUGAL COMPRESSOR PEFORMANCE,气体温度、速度和压力变化过程,压气机中的能量转换 COMPRESSOR EFFICIENCY,Enthalpy-entropy diagram,压气机消耗的机械功为：,压气机的等熵效率为：,离心式压气机的特性,以流量为横坐标，压比为纵坐标，把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起，其中效率以等值线的形式表示，称为压气机的
6、万有特性。,流量特性,在同一转速下，压气机增压比和效率随压气机流量的变化关系简称为压气机的（流量）特性。,Performance of Compressor,压气机损失分析图,Analysis of Efficiency,摩擦损失,气流内部及气流与工作轮叶片表面、扩压器叶片表面等发生摩擦而产生。 转速一定，流量增加，气流速度增大，摩擦加剧，摩擦损失增大而增加。,撞击损失,气流与叶片撞击造成。 设计工况下最小，偏离设计工况撞击损失增加,压气机的喘振 （surge）,在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度后，气体就会在叶轮或扩压器入口处出现边界层的分离，导致气体回流，扩展到压气机的其他部
7、分，气流出现强烈的振荡，引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大的噪音的现象。,喘 振,喘 振 线,各种转速下出现喘振的工作点联在一起。,喘振流量,出现喘振的流量。,压气机的堵塞（CHOKING）,某一转速下，当流量增加到一定数值后，压气机的增压比和效率均急速下降，而流量却不会增加的现象。 一般当压气机效率低于65后就认为压气机发生堵塞。 增加转速才能继续增加流量。,堵 塞,压气机的通用特性 （UNIVERSAL PERFORMANCE MAP）,折合流量: 折合转速:,根据相似理论，不管压气机进口条件如何，只要马赫数相同，在压气机内的气体流动就相似，流动损失也相似。 马赫数表示流动相似不直观，采
8、用与上述相似参数成正比的折合参数来表示。折合参数分别是 :,压气机的通用特性曲线,径流式涡轮机的工作原理,喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形成渐缩通道。 内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速，压力、温度下降，速度大大增加，一部分排气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计为无叶喷嘴环结构。,三、径流式涡轮机的工作原理 RADIAL TURBINE,涡轮机中的能量转换（TURBINE EFFICIENCY）,涡轮等熵效率：,涡轮机功率为：,径流涡轮通用特性 (UNIVERSAL TURBINE MAP),在一定转速下，随着流量的增加，涡轮机也存在一个堵塞流量。 堵塞发生意
9、味着在涡轮的内部某处气流速已达到当地音速。 堵塞一般易发生在喷嘴出口截面。,排气涡轮增压系统简介 TURBOCHARGING SYSTEM,定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统,一、定压涡轮增压系统,定压增压 把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，然后再引入涡轮。由于排气管的稳压作用，涡轮入口处的压力基本不变，故称为定压增压。 特 点 涡轮在定压下全周进气，涡轮效率较高 气流引起的激振和冲击小，工作稳定 排气系统简单，成本较低，易于布置和维护 缺 点 脉冲能量的利用率较低，加速性能差。,CONSTANT PRESSURE TURBOCHARGING SYSTEM,定压涡轮增压系统
10、能量平衡 Energy Analysis,二、脉冲涡轮增压系统,排气管短而细，排气系统容积小，排气过程造成涡轮进口压力的周期性脉动。涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压。,Pulse Turbocharging System,脉冲增压,缺 点,特 点,排气系统容积小，涡轮是在进口压力脉动。 节流损失减小，排气能量利用率提高。 加速响应快,排气系统结构复杂，布置较困难。 涡轮受冲击较大，对寿命有一定影响。,三、定压增压与脉冲增压系统的比较,COMPARISON OF TURBO-SYSTEM,排气脉冲与发动机的扫气 Scavenging Performance,四、可变
11、增压系统VNT/VGT,一、内燃机与涡轮增压器的匹配计算,涡轮增压器自由平衡运转时应满足的条件 1.涡轮机和压气机同轴安装。 2.扣除机械效率，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等。 3.通过压气机和涡轮机的气体质量流量有如下关系： 推导建立定压涡轮增压器的基本方程 利用已知特性参数进行匹配计算,涡轮增压器与发动机的匹配 Engine & Turbo Matching,二、柴油机与涡轮增压器联合运行特性,1 2 3外特性 4螺旋桨特性线 5喘振边界 6最高转速线 7最高排温线 8最低效率线,三、涡轮增压器与内燃机的匹配,流量范围的选择：通常是指从喘振线至某一效率等值线或堵塞线所包括的区域。
12、联合运行线的调整：调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将发动机的联合运行线向右移动，使其离开喘振线而进入正常的工作区域。 喘振线位置的调整：采用改变叶片扩压器喉口面积的办法来控制喘振线的左右移动。还可以通过改变涡轮喷嘴环的出口流通面积、改变运行线的方法适应压气机的特性曲线。 压气机堵塞的控制：适当增大叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积，可以提高压气机的堵塞流量。 涡轮增压器超速和增压压力的调整：采用增大涡轮喷嘴面积的方法，减小涡轮前的排气能量，可克服增压器的超速问题。,四、压气机流量范围的调整,调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将发动机的联合运行线向右移动，使其离开喘振线而进入正常的工作区域。,五、内燃机的增压改造 Engine Retrofit for Boosting,压缩比 过量空气系数 供油系统 配气相位 进排气系统 增压空气冷却,汽油机的增压技术 Gasoline Engine Turbocharging,爆燃控制：降低压缩比、推迟点火时刻、进气中冷、缸内直喷等技术。 热负荷：采用涡轮前放气的调节方案，来抑制发动机高速高负荷时增压压力的过度增长。 增压器：增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率也要保证在一定的范围内，还要求有增压调节装置。,
