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1、发动机废气涡轮增压 第一页，讲稿共五十二页哦第第11章章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压 11.1 11.1 发动机增压的基本方法与原理发动机增压的基本方法与原理 一、增压的概念一、增压的概念提高发动机的有效功率和平均有效压力的途径提高发动机的有效功率和平均有效压力的途径 第二页，讲稿共五十二页哦（1 1）改改变变发发动动机机的的结结构构参参数数，如如增增加加气气缸缸数数、增增大气缸直径、活塞行程和减少行程数等；大气缸直径、活塞行程和减少行程数等；（2 2）提高发动机转速或活塞平均速度；）提高发动机转速或活塞平均速度；（3 3）提高发动机的平均有效压力）提高发动机的平均有效压力。具体可通
2、过减少过量空气系数具体可通过减少过量空气系数a a、提高充量系数、提高充量系数c c和进气密度和进气密度s s来实现。来实现。第三页，讲稿共五十二页哦二、发动机增压的概念、特点和指标二、发动机增压的概念、特点和指标所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气所谓增压，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。进行压缩，再送入发动机气缸的过程。特点：（1 1）尺寸减小，质量减轻）尺寸减小，质量减轻（2 2）摩擦损耗相对较小）摩擦损耗相对较小（3 3）可可将将扭扭矩矩特特性性改改进进为为低低速速高高扭扭矩矩这这对对车车用用机机非常有利非常有利（4 4）可进行高原功率补偿）可进
3、行高原功率补偿第四页，讲稿共五十二页哦（5 5）排放降低）排放降低（6 6）降低噪声。）降低噪声。（7 7）机械损失减少，经济性得到改善）机械损失减少，经济性得到改善（8 8）零部件的机械负荷和热负荷增加）零部件的机械负荷和热负荷增加几个概念：几个概念：增压度增压度发动机在增压后增长的功率与增压前发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比的功率之比 第五页，讲稿共五十二页哦增压比是指增压后气体压力与增压前气体压力之增压比是指增压后气体压力与增压前气体压力之比，简称压比比，简称压比 第六页，讲稿共五十二页哦四、四、增压对发动机性能的影响增压对发动机性能的影响 废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的
4、影响废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的影响 增压前后发动机参数对比增压前后发动机参数对比第七页，讲稿共五十二页哦说明1）过量空气系数在增压前后保持不变，则增压后的供过量空气系数在增压前后保持不变，则增压后的供油量将相应增大，以适应空气质量增加的需要，同时配气定时也油量将相应增大，以适应空气质量增加的需要，同时配气定时也要进行适当的调整，这样可以保证热效率基本不变或略有提高要进行适当的调整，这样可以保证热效率基本不变或略有提高 2）进气进气密度的变化密度的变化 第八页，讲稿共五十二页哦机械效率变化（提高）机械效率变化（提高）由于增压后平均指示压力提高，而平均机械损失压力基本保持不变由于增压后平
5、均指示压力提高，而平均机械损失压力基本保持不变（在转速相同的前提下），那么机械效率在增压后将是增加的（在转速相同的前提下），那么机械效率在增压后将是增加的 增压后充量系数增压后充量系数变化变化第九页，讲稿共五十二页哦增压的结构形式及分类增压的结构形式及分类1 1机机械械式式增增压压 1 1排气管排气管 2 2气缸气缸 3 3曲轴曲轴 4 4齿轮副齿轮副 5 5压气机压气机 6 6进气管进气管 豪华车代表车型有奔驰豪华车代表车型有奔驰C200K，发动机为直列，发动机为直列四缸四缸1.8升的小型升的小型D级级车，在车，在2500rpm 时达时达最大扭矩最大扭矩230Nm，综，综合油耗只有合油耗只有
6、8.8L/100km。第十页，讲稿共五十二页哦2 2废气涡轮增压废气涡轮增压 1 1排气管排气管 2 2涡轮壳体涡轮壳体 3 3涡轮涡轮 4 4转子轴转子轴 5 5压气机压气机 6 6集气器集气器 7 7进气管进气管 大众旗下的宝来大众旗下的宝来1.8T、帕萨特、帕萨特1.8T、奥迪、奥迪A6/A41.8T。第十一页，讲稿共五十二页哦3 3气波增压气波增压 1 1发动机发动机2 2转子转子 3 3带轮驱动带轮驱动 4 4高压排气高压排气 5 5高压空气高压空气 6 6低压空气低压空气 7 7低压排气低压排气 第十二页，讲稿共五十二页哦4 4复合式增压复合式增压和和组合式涡轮增压组合式涡轮增压
7、1 1涡轮增压器涡轮增压器 2 2连接管连接管 3 3稳压管稳压管 4 4共振管共振管 5 5共振室共振室 6 6进气管进气管 7 7气缸气缸 复合式涡轮增压：复合式涡轮增压：第十三页，讲稿共五十二页哦组合式增压：组合式增压：2005年，大年，大众开始将这套众开始将这套技术装配到大技术装配到大量生产的民用量生产的民用车型高尔夫车型高尔夫1.4TSI上。上。第十四页，讲稿共五十二页哦5 5、废气涡轮增压与其他增压方式相比、废气涡轮增压与其他增压方式相比优点有：优点有：（1 1）发动机结构无须做重大改变，且增压器体积小、重量轻，且易实）发动机结构无须做重大改变，且增压器体积小、重量轻，且易实现高增
8、压；现高增压；（2 2）由于驱动能量来自废气，相对减少了机械损失（泵气损失）和热损失，）由于驱动能量来自废气，相对减少了机械损失（泵气损失）和热损失，提高了机械效率和热效率（油耗降低提高了机械效率和热效率（油耗降低5%-10%5%-10%）；）；（3 3）能降低排气噪音和烟度；）能降低排气噪音和烟度；（1 1）增加了进、排管路，使加速反应滞后；）增加了进、排管路，使加速反应滞后；（2 2）热复合严重，对大气温度和排气背压敏感；）热复合严重，对大气温度和排气背压敏感；缺点有：缺点有：第十五页，讲稿共五十二页哦11.2 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1 1压气
9、机蜗壳压气机蜗壳 2 2压气机叶轮压气机叶轮 3 3密封套密封套4 4推力轴承推力轴承 5 5挡油板挡油板6 6隔热板隔热板 7 7卡环卡环 8 8涡轮机叶轮涡轮机叶轮 9 9涡轮机蜗壳涡轮机蜗壳 第十六页，讲稿共五十二页哦一、径流式废气涡轮：一、径流式废气涡轮：喷嘴叶片环喷嘴叶片环工作叶轮工作叶轮涡轮壳涡轮壳废气入口废气入口废气出口废气出口1 1、涡轮的结构：、涡轮的结构：喷嘴叶片环喷嘴叶片环工作叶轮工作叶轮涡轮壳涡轮壳2 2、涡轮的作用：、涡轮的作用：将废气中的能量尽可能多的将废气中的能量尽可能多的转变成推动涡轮转动的机械功转变成推动涡轮转动的机械功。径流式废气涡轮结构径流式废气涡轮结构第
10、十七页，讲稿共五十二页哦径流式涡轮工作简图径流式涡轮工作简图1 1进气蜗壳进气蜗壳 2 2喷嘴环喷嘴环 3 3工作轮工作轮第十八页，讲稿共五十二页哦3 3、涡轮的工作过程（原理）：、涡轮的工作过程（原理）：c c0 0c c1 1c c2 2c cr rp p0 0p p1 1p p2 2p pr rT T0 0T T1 1T T2 2T Tr r（1 1）废气进入涡轮壳道）废气进入涡轮壳道（2 2）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环）（3 3）动能转变为机械能（工作叶轮）动能转变为机械能（工作叶轮）可见，经过涡轮后，废气中的部分能量转变为推动涡轮旋转的机械可见，经
11、过涡轮后，废气中的部分能量转变为推动涡轮旋转的机械能。能。径流式废气涡轮工作简图径流式废气涡轮工作简图第十九页，讲稿共五十二页哦4.4.涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线 1 1）涡轮效率）涡轮效率 2 2）膨胀比）膨胀比 3 3）气体流量）气体流量 无量纲的相无量纲的相似流量似流量 第二十页，讲稿共五十二页哦4）涡轮转速 涡轮机所发出的功率 涡轮机特性曲线是涡轮机特性曲线是以相似流量为横坐以相似流量为横坐标，以膨胀比为纵标，以膨胀比为纵坐标，以相似转速坐标，以相似转速为参变量的一组曲为参变量的一组曲线，线，第二十一页，讲稿共五十二页哦涡轮机的阻塞涡轮机的阻塞当转速一定时，相似流量随膨胀比的增大而增
12、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为涡轮机的阻塞现象，这时的流量称为阻塞流量。量。第二十二页，讲稿共五十二页哦二、离心式压气机：二、离心式压气机：1 1、压气机结构：、压气机结构：2 2、压气机作用：、压气机作用：扩压器扩压器工作轮工
13、作轮外壳外壳 利用涡轮产生的机械能压利用涡轮产生的机械能压缩空气，使进气压力增大缩空气，使进气压力增大。空气入口空气入口空气出口空气出口外壳外壳工作轮工作轮扩压器扩压器离心式压气机结构离心式压气机结构第二十三页，讲稿共五十二页哦3 3、压气机的工作原理：、压气机的工作原理：C C空气流速空气流速c c1 1c c2 2c c3 3c ck kp p0 0p p1 1p p2 2p p3 3p pk kT T0 0T T1 1T T2 2T T3 3T Tk k离心式压气机工作过程离心式压气机工作过程（1 1）空气被吸入进气管）空气被吸入进气管（2 2）机械能转变为气体压能与动能（工作轮）机械能
14、转变为气体压能与动能（工作轮）（3 3）动能转变为压能（扩压器）动能转变为压能（扩压器）（4 4）动能进一步转变为压能（壳道）动能进一步转变为压能（壳道）第二十四页，讲稿共五十二页哦压气机的主要参数压气机的主要参数（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（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（5）压气机功率）压气机功率 第二十五页，讲稿共五十二页哦 的推导过程：1kg 空气的绝热压缩功与实际压缩功之比 第二十六页，讲稿共五十二页哦按理想情况，将1kg空气从压缩到，耗功最小的是绝热过程，所需的绝热压缩功为由于实际压缩是多变过程，伴
15、随着摩擦和流动损失，所以将1kg空气从压缩到消耗的实际压缩功为 第二十七页，讲稿共五十二页哦故压气机的绝热效率故压气机的绝热效率 第二十八页，讲稿共五十二页哦1 1）压气机的流量）压气机的流量特性特性压压气气机机转转速速不不变变时时，压压气气机机的的增增压压比比和和绝绝热热效效率率随随空空气气流流量量的的变化关系变化关系 4 4压气机特性曲线压气机特性曲线 2）离心式压气机的特点是：）离心式压气机的特点是：转速高堵塞，转速低喘振转速高堵塞，转速低喘振第二十九页，讲稿共五十二页哦2 2）压气机的喘振与堵塞）压气机的喘振与堵塞 1 1）喘振现象）喘振现象-气流强烈震荡引起叶片强烈震动，产生很大气流
16、强烈震荡引起叶片强烈震动，产生很大噪声，出口压力显著下降并极大振动的现象噪声，出口压力显著下降并极大振动的现象2 2）喘振原因）喘振原因-流量过小，气流在叶片扩压器内和工作轮流量过小，气流在叶片扩压器内和工作轮进口处与壁面分离，产生气流旋涡并撞击壁面。当流进口处与壁面分离，产生气流旋涡并撞击壁面。当流量小于某一值时，这种现象扩展到整个叶片扩压器和量小于某一值时，这种现象扩展到整个叶片扩压器和工作轮通道从而引起喘振。工作轮通道从而引起喘振。3 3）避免喘振）避免喘振-无叶扩压器和提高流量到喘振线右侧无叶扩压器和提高流量到喘振线右侧3 3）堵塞）堵塞-流量增大到一定数值后不再增加。临界条件是流量增
17、大到一定数值后不再增加。临界条件是马赫数为马赫数为1 1。一般出现在叶片扩压器的进口喉部或工作。一般出现在叶片扩压器的进口喉部或工作轮叶片的进口喉部（最小截面）轮叶片的进口喉部（最小截面）第三十页，讲稿共五十二页哦3）压气机通用特性）压气机通用特性折合流量折合流量 折合转速折合转速 通用特性曲通用特性曲线线（P295图图11-14）第三十一页，讲稿共五十二页哦11.3 废气涡轮增压器与发动机匹配废气涡轮增压器与发动机匹配选配的原则：低速大扭矩高速高功率一、增压比的选择 增压比选择要兼顾动力性、经济性、环保型、可靠性和舒适性等。一般增压比越高动力性越好，CO HC和烟度都降低，但NO化合物增加。
18、参看课本P296页图11-15.第三十二页，讲稿共五十二页哦二、涡轮增压器的选用特性匹配）根据柴油机的特定工况（如额定工况或最大转矩工况）确定其在压气机特性曲线上的位置（即根据内燃机选用合适型号的增压器）；）解决柴油机在整个运行区实现良好的配合。第三十三页，讲稿共五十二页哦选用的依据：废气涡轮增压器制造厂均提供压气机的特性和涡轮机的特性等技术资料。根据柴油机特定工况时所需的空气流量（包括扫气空气量）及压比，就可以判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，若该点落在压气机特性曲线的高效率区，即可初步选定增压器型号。第三十四页，讲稿共五十二页哦涡轮增压器有一个大致确定的工作范围涡轮增压器有一个大致确
19、定的工作范围第三十五页，讲稿共五十二页哦第三十六页，讲稿共五十二页哦根据与柴油机联合运行的位置，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。第三十七页，讲稿共五十二页哦如果联合运行线与压气机特性曲线配合不够理想，则需要进行局部调整。方法是改变涡轮喷嘴环出口截面积，或改变压气机通道截面积。减少喷嘴环出口截面积可以使联合运行线从压气机低效率区移向高效率区。但调整有限，如果相差很远，只能以更换增压器型号为宜。第三十八页，讲稿共五十二页哦三、改善涡轮增压器与发动机匹配的措施：三、改善涡轮增压器与发动机匹配的措施：1 1、进气旁通：、进气旁通：原理：将部分压缩空气回原理：将部分压缩空气回流，重新排到大气中去，
20、适当流，重新排到大气中去，适当降低进气压力，使发动机负荷降低进气压力，使发动机负荷不致过高。不致过高。改善目标：低速要有较高增压压力，确保良好的低速扭矩特性；改善目标：低速要有较高增压压力，确保良好的低速扭矩特性；高速防止超速，避免热负荷过高。高速防止超速，避免热负荷过高。第三十九页，讲稿共五十二页哦 带旁通阀的涡轮增压系统带旁通阀的涡轮增压系统 原理：原理：将部分废气直接排入大气，适当降低涡轮及压气机转速，使将部分废气直接排入大气，适当降低涡轮及压气机转速，使增压压力控制在允许范围内。增压压力控制在允许范围内。排气旁通阀排气旁通阀2 2、排气旁通：、排气旁通：第四十页，讲稿共五十二页哦3 3
21、、双涡壳通道涡轮：、双涡壳通道涡轮：原理：原理：低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两个通道，适当降低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两个通道，适当降低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。第四十一页，讲稿共五十二页哦 4 4、可变截面涡轮：、可变截面涡轮：截面调节板截面调节板低速低速高速高速 原理：原理：低速、低负荷时使涡轮流通截面变小，增大气流速度；高速、大负荷时增大低速、低负荷时使涡轮流通截面变小，增大气流速度；高速、大负荷时增大涡轮流通截面，适当降低废气流流速。涡轮流通截面，适当降低废气流流速。第四十二页，讲
22、稿共五十二页哦 5 5、可变喷嘴环：、可变喷嘴环：原理：原理：低速、低负荷时使喷嘴叶片环流通截面变小，增大气流速度；高速、低速、低负荷时使喷嘴叶片环流通截面变小，增大气流速度；高速、高负荷时增大流通截面，适当降低废气流流速。高负荷时增大流通截面，适当降低废气流流速。第四十三页，讲稿共五十二页哦11.411.4废气涡轮增压的类型与废气能量的利用废气涡轮增压的类型与废气能量的利用一、废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压的类型 1 1定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统 2 2脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 第四十四页，讲稿共五十二页哦二、废气能量的利用二、废气能量的利用 图图11.14 11.14 四
23、冲程增四冲程增压柴油机压柴油机理论示功理论示功图图 ES第四十五页，讲稿共五十二页哦影响脉冲能量利用的因素影响脉冲能量利用的因素 1 1）排气门开启定时）排气门开启定时 2 2）排气门流通面积）排气门流通面积 3 3）排气门开启规律）排气门开启规律 4 4）排气管流通面积）排气管流通面积 5 5）排气管长度）排气管长度 6 6）涡轮当量流通面积）涡轮当量流通面积 1 1）排气门开启时，排）排气门开启时，排气歧管内的压力应尽气歧管内的压力应尽快建立，减少流动损快建立，减少流动损失失 2 2）废气自排气门排）废气自排气门排出应迅速，阻力要出应迅速，阻力要小小 3 3）扫气过程中，排）扫气过程中，排
24、气管的压力要尽可气管的压力要尽可能低，以利于扫气能低，以利于扫气进行进行 第四十六页，讲稿共五十二页哦车用增压柴油机经济性运行特点车用增压柴油机经济性运行特点 指示功率和有效功率都得到提高指示功率和有效功率都得到提高 改善高负荷区的运行经济性改善高负荷区的运行经济性 在低负荷区，涡轮增压器的能量转换较差，在低负荷区，涡轮增压器的能量转换较差，柴油机进、排气阻力及换气损失增加，增柴油机进、排气阻力及换气损失增加，增压对经济性没有明显的好处压对经济性没有明显的好处 第四十七页，讲稿共五十二页哦废气涡轮增压对发动机其他性能的影响 1降低排气污染和噪声 2低速转矩性能变差 3加速性能变差 4起动与制动
25、有一定困难 第四十八页，讲稿共五十二页哦11.5 汽油机增压汽油机增压 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增压比一般比柴油机低得多，功率最高增加幅度为40%40%5050 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的应用扫除了一大障碍 3热负荷 4对增压器的特殊要求 第四十九页，讲稿共五十二页哦汽油机涡轮增压的主要技术措施 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 第五十页，讲稿共五十二页哦本章小结本章小结发动机废气涡轮增压技术的成熟，使车用发动机废气涡轮增压技术的成熟，使车用发动机的动力性、经济性与排放性能有了发动机的动力性、经济性与排放性能有了很大的改善很大的改善 废气涡轮增压是车用发动机普遍应用的技废气涡轮增压是车用发动机普遍应用的技术术废气涡轮增压改善了发动机性能，但在低废气涡轮增压改善了发动机性能，但在低速使须做改进速使须做改进第五十一页，讲稿共五十二页哦第五十二页，讲稿共五十二页哦