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1、发动机废气涡轮增压第1页，本讲稿共29页1主要内容与要求主要内容与要求v理解和掌握提高发动机功率的方法。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。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。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。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。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。理解和掌握车用增压发动机的性能。第三章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压第2页，本讲稿共29页2第三
2、章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压第一节第一节 概述概述增压：增压：就是利用增压器将空气或可燃混合气进行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。缩，再送入发动机气缸的过程。目的：目的：提高发动机功率和改善经济性能。提高发动机功率和改善经济性能。第3页，本讲稿共29页3提高发动机的单机功率有以下三条提高发动机的单机功率有以下三条途径途径：1）改变发动机的结构参数（如增加气缸数，增大气缸直径）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、活塞行程行程S和减少冲程数和减少冲程数等）。等）。2）提高发动机转速）提高发动机转速n或活塞平均速度或活塞平均
3、速度Cm。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pme。最经济有效的方法：最经济有效的方法：提高发动机的提高发动机的平均有效压力平均有效压力。a pme Pe 增压增压c pme Pe增压增压s pme Pe 第4页，本讲稿共29页4增压度增压度k ：是指发动机在增压：是指发动机在增压后后增长的增长的功率功率与增压与增压前前的功率之的功率之比。比。增压比增压比k ：是指增压：是指增压后后气体气体压力压力pk与增压与增压前前气体压力气体压力p0之比，之比，即即 kpkp0 分类：分类：A、按增压比分类：、按增压比分类：1)低增压：低增压：k1.31.6，对应的，对应的pme700
4、1000kPa2）中增压：）中增压：k1.62.5，对应的，对应的pme10001500kPa 3）高增压：）高增压：k2.5，对应的，对应的pme1500kPa4）超高增压：）超高增压：k4.5 5.5，对应的，对应的pme2500kPa10%60%第5页，本讲稿共29页5B、按增压系统的结构形式分类、按增压系统的结构形式分类（1）机械增压系统）机械增压系统 增压器增压器可用离心式压气机、罗茨式可用离心式压气机、罗茨式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压气机等。式压气机等。应用应用：机械增压系统可有效地提高内：机械增压系统可有效地提高内燃机功率并能用于二冲
5、程发动机扫气，以及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。用于复合增压系统中。Pk值不宜超过值不宜超过160170kPa，否则，将导致整机性能下降，特，否则，将导致整机性能下降，特别是比油耗上升。别是比油耗上升。第6页，本讲稿共29页6（2）废气涡轮增压系统）废气涡轮增压系统 废气涡轮增压器：废气涡轮增压器：废气涡轮与压气机废气涡轮与压气机通常装成一体。通常装成一体。特点：特点：其结构简单，其结构简单，工作可靠，一般自吸式发工作可靠，一般自吸式发动机，合理加装废气涡轮动机，合理加装废气涡轮增压系统后，可提高功率增压系统后，可提高功率3050，降低比油耗，降低比油耗5左右，有利
6、于改善整左右，有利于改善整机动力性能、经济性能及机动力性能、经济性能及排放品质，因而得到广泛排放品质，因而得到广泛应用。应用。废气废气废气废气空气空气第7页，本讲稿共29页7（3）复合式增压系统）复合式增压系统 结构：结构：将废气动力涡轮将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来与废气涡轮增压器串联起来工作。工作。特点：特点：可充分利用废气可充分利用废气能量，使动力性能、经济性能量，使动力性能、经济性能大为改善，但结构复杂，能大为改善，但结构复杂，成本高且技术难度大。成本高且技术难度大。第8页，本讲稿共29页8（4）组合式涡轮增压系统）组合式涡轮增压系统 结构：结构：由由废气涡轮废气涡轮增压增压与
7、与进气惯性进气惯性增压组合而成。增压组合而成。进气惯性的进气惯性的原理：原理：利利用用压力峰值压力峰值可进一步提高可进一步提高增压后的进气压力。增压后的进气压力。特点：特点：该系统使发动该系统使发动机加速性能变好，并对改机加速性能变好，并对改善发动机的低速转矩有利。善发动机的低速转矩有利。第9页，本讲稿共29页9（5）气波增压系统）气波增压系统气波增压气波增压：是由曲轴驱动一：是由曲轴驱动一个个特殊转子特殊转子，在转子中废气直接与空，在转子中废气直接与空气接触，利用气接触，利用高压废气的脉冲气波高压废气的脉冲气波迫迫使空气在互相不混合的情况下受到使空气在互相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气
8、压力。压缩，从而提高进气压力。特点：特点：结构简单，加工方便；结构简单，加工方便；但还存在不少问题。但还存在不少问题。总结：总结：从实际应用的情况来从实际应用的情况来看，较为常见的是看，较为常见的是涡轮增压涡轮增压和和机械机械增压增压，其中涡轮增压占了绝大部分。，其中涡轮增压占了绝大部分。第10页，本讲稿共29页10涡轮增压的主要优点涡轮增压的主要优点：（与其他增压方式相比）：（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）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可提高功率般可提高功率2050，而且容易实现高增压。，而且容易实现高增压。2）由于压气机消
9、耗的功是涡轮从废气中回收的一部分能量，再加）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燃机涡轮增压后油耗率可降低510，经济性能有明显提高。，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，）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。正是由于涡轮增压的这些突出优点，使其在各种
10、用途的内燃机中染。正是由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。得到了广泛的应用。涡轮增压的缺点：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。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。第11页，本讲稿共29页11第二节第二节 废气能量的利用废气能量的利用一、废气的最大可用能一、废气的最大可用能 1、废气的最大可用能、废气的最大可用能E由三部分组成：由三部分组成：排气门打开时，气缸内气体排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力等熵
11、膨胀到大气压力Pa所作的功，所作的功，即即EbE1十十ET；活塞推出废气，废气得到活塞推出废气，废气得到的能量的能量Ec；扫气空气所具有的能量为扫气空气所具有的能量为Es，即，即EsEsEsb49KTb498743518763第12页，本讲稿共29页12总结：总结：废气的最大可用能废气的最大可用能EE Eb Ec Es E1十十ET Ec EsEs式中式中Eb：排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力：排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力P0所作的所作的功；功；Ec：活塞推出废气使废气增加的能量；：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；：扫气空气所具有的能量；E1：
12、废气经排气门节流和排气支管中自由彭胀所损失的能量；：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；：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；：扫气空气进入涡轮后具有的能量；Es：扫气空气流经进、排气门的节流损失；：扫气空气流经进、排气门的节流损失；第13页，本讲稿共29页132 2、废气的废气的能量损失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，管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，能量损失能
13、量损失 E包括如下几个包括如下几个方面：方面：E Ev Ec ED EM十十 EF Eh Ev：流经排气门处的节流损失；（：流经排气门处的节流损失；（约占总损失的约占总损失的6070）Ec：流经各种缩口处的节流损失；：流经各种缩口处的节流损失；ED：管道面积突扩时的流动损失；：管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；：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；：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。：气流向外界散热所形成的能量损失。（思考：如何减少（思考：如何减少 E？）？）3、废气能量传递效率、废气能量传
14、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。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 第14页，本讲稿共29页14二、影响脉冲能量利用的因素二、影响脉冲能量利用的因素 脉冲增压系统脉冲增压系统就是要尽可能地利用脉冲能量。脉冲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。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：几种影响脉冲能量利用的主要因素：（1）排气门开启定时）排气门开启定时 （最佳最佳）（2）排气门流通面积）排气门流通面积 （增大增大）（3）排气门开启规律）排气门开启规律 （加快加快
15、）（4）排气管流通面积）排气管流通面积 （最佳最佳）（5）排气管长度）排气管长度 （适当适当）（6）涡轮当量流通面积）涡轮当量流通面积 （优化优化）第15页，本讲稿共29页15第三节第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 废气涡轮增压器：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。进气压力的工作机械。分类分类：径流式径流式废气涡轮增压器和废气涡轮增压器和轴流式
16、轴流式废气涡轮增压器废气涡轮增压器应用应用：一般车用发动机多采用：一般车用发动机多采用径流式径流式。第16页，本讲稿共29页16径流式涡轮增压器径流式涡轮增压器由由离心式压气机离心式压气机（包括压气机叶轮、压气机蜗（包括压气机叶轮、压气机蜗壳等）、壳等）、径流式涡轮径流式涡轮（包括涡轮叶轮、涡轮蜗壳等）和（包括涡轮叶轮、涡轮蜗壳等）和中间体中间体三个主三个主要部分，以及要部分，以及支承装置支承装置、密封装置密封装置、冷却系统冷却系统和和润滑系统润滑系统等组成。等组成。压气机压气机涡轮机涡轮机中间体中间体构构造造支承装置支承装置第17页，本讲稿共29页17 、径流式涡轮的工作原理、径流式涡轮的工
17、作原理 涡轮的功用涡轮的功用是将废气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械是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。功。1废气在涡轮废气在涡轮机中的流动机中的流动 径流式涡轮机的径流式涡轮机的主要组成主要组成：进气蜗壳进气蜗壳喷嘴叶片环喷嘴叶片环工作叶轮工作叶轮进、出气道进、出气道涡轮壳喷嘴叶片工作叶轮第18页，本讲稿共29页182、涡轮机特性曲线、涡轮机特性曲线 涡轮机的主要工作参数：涡轮机的主要工作参数：涡轮效率涡轮效率、膨胀比膨胀比、气体流量气体流量和和涡轮涡轮转速转速等。等。用这些参数及其相互关系来表示涡轮机的工作性能。用这些参数及其相互关系来表示涡轮机的工作性能。（1
18、）涡轮效率涡轮效率T ：涡轮将废气能量转换为机械功的有效：涡轮将废气能量转换为机械功的有效程度。程度。T涡轮机轴上的有用功涡轮机轴上的有用功 废气所拥有的能量废气所拥有的能量 WTHT据统计，涡轮效率据统计，涡轮效率T 0.650.85 （2）膨胀比膨胀比T ：涡轮进口气体滞止压力：涡轮进口气体滞止压力P*T与涡轮出口气体与涡轮出口气体静压力静压力P0之比，即之比，即TP*TP0第19页，本讲稿共29页19（3）气体质量流量气体质量流量qmT 是指单位时间内通过涡轮的气体质量。（在涡轮增压发动机中，是指单位时间内通过涡轮的气体质量。（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
19、气机流量和发动机无泄漏和放气时，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。）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，采用状态下具有可比性，采用相似流量相似流量qmTT*TP*T来表征涡轮的流量。其来表征涡轮的流量。其中中T*T为滞止温度，为滞止温度，P*T为气体滞止压力。为气体滞止压力。（4）涡轮转速涡轮转速n 在分析各性能参数之间的关系时，应采用在分析各性能参数之间的关系时，应采用相似转速相似转速nT*T，但涡但涡轮的相似转速和压气机的相似转速并不相等。轮的相似转
20、速和压气机的相似转速并不相等。涡轮机所发出的功率涡轮机所发出的功率PT（k w）为）为 PTqmT HTT1000涡轮机的特性涡轮机的特性：在涡轮机变工况运行时，上述参数之间的关系。：在涡轮机变工况运行时，上述参数之间的关系。第20页，本讲稿共29页20涡轮机特性曲线：涡轮机特性曲线：以以相似流量相似流量qmTT*TP*T为横坐标，以为横坐标，以膨胀比膨胀比P*TPo为纵坐标，以相似转速为纵坐标，以相似转速nT*T为参变量的一组曲线，如为参变量的一组曲线，如图图3-9所示。所示。可见，当转速一定时，相似流可见，当转速一定时，相似流量随膨胀比的增大而增大，直到达量随膨胀比的增大而增大，直到达到流
21、量最大值，喷嘴环或涡轮叶片到流量最大值，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，这种现象称轮流量也不会再增加，这种现象称为为涡轮机的阻塞现象涡轮机的阻塞现象，这时的流，这时的流量称为量称为阻塞流量阻塞流量。相似转速相似流量膨胀比涡轮效率第21页，本讲稿共29页21 径径流流式式涡涡轮轮的的优优点点：效效率率高高、膨膨胀胀比比大大、结结构构简单、尺寸小，制造成本低等。简单、尺寸小，制造成本低等。径径流流式式涡涡轮轮的的缺缺
22、点点：变变工工况况的的性性能能不不佳佳，工工作作叶轮和高温气流接触面积大，热应力大等。叶轮和高温气流接触面积大，热应力大等。应用：应用：在小功率的内燃机中应用较多。在小功率的内燃机中应用较多。第22页，本讲稿共29页22二、离心式压气机的工作原理与特性二、离心式压气机的工作原理与特性 1 1、基本工作原理和主要参数、基本工作原理和主要参数 构造：构造：一般由一般由进气道进气道、工作轮工作轮、扩压器扩压器及及出气蜗壳出气蜗壳所组成。所组成。空气流经压气机的各个通道之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涡轮机传给压气机
23、工作轮的大部分机械功转变为空气流的压力能。机械功转变为空气流的压力能。第23页，本讲稿共29页23压气机的主要参数：压气机的主要参数：1）增压比增压比kpk/p0 2）流经压气机的每秒）流经压气机的每秒质量质量流量流量mk（kgs）或容积流量）或容积流量V0（ms）（相应于压气机的进口状态）（相应于压气机的进口状态）3）压气机）压气机转速转速nk ：等于涡轮的转速：等于涡轮的转速n 4）压气机的）压气机的绝热效率绝热效率ad-k：1kg空气的绝热压缩功空气的绝热压缩功had-k与实际与实际压缩功压缩功hk之比。之比。压气机的压缩过程压气机的压缩过程如图如图3-12所示所示绝热压缩：绝热压缩：0
24、4实际压缩实际压缩04第24页，本讲稿共29页24第25页，本讲稿共29页25目前在涡轮增压器上应用的单级离心式压气机的绝热效率为目前在涡轮增压器上应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：驱动压气机所需的功率：2压气机特性曲线压气机特性曲线（1）压气机的流量特性）压气机的流量特性 ：是指压气机转速：是指压气机转速nk不变时，压气机的不变时，压气机的增压比增压比k和绝热效率和绝热效率ad-k随空气流量随空气流量mk的变化关系。的变化关系。式中式中had-k：1kg空气的绝热压缩功；空气的绝热压缩功；mk：空气的质量流量为：空气的质量流量为第26页，本讲
25、稿共29页26（2）压气机的喘振与堵塞）压气机的喘振与堵塞出现喘振的原因：出现喘振的原因：是由于是由于流量过小流量过小时，在叶片扩压器内和工作轮进口处时，在叶片扩压器内和工作轮进口处气流与壁面气流与壁面分离分离而引起的。而引起的。堵塞现象堵塞现象:在某一增压器转速下，压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气机的气体流量随增压比的降低而增加加;当流量增加到一定数值后，压气机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，而气体增压比继续降低时，而气体流量流量却却不不再增加再增加的现象。的现象。离心式压气机的工作特点：离心式压气机的工作特点：是在是在高转速高转速时可能发生时可能发生堵塞堵塞，在，在低低转速转速时可能引起时可能引起喘振喘振。离心式压气机的流量特性离心式压气机的流量特性 喘振喘振第27页，本讲稿共29页27（3）压气机通用特性）压气机通用特性根据气体流动相似原理，采用根据气体流动相似原理，采用相似参数相似参数来绘制压气机特性曲线来绘制压气机特性曲线（称之为（称之为压气机的通用特性曲线压气机的通用特性曲线）。）。本章作业：本章作业：P57：第：第2、3、5、7题题第28页，本讲稿共29页28第29页，本讲稿共29页29