高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)結(jié)業(yè)論文

1、高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)結(jié)課論文姓名_ _ _ _ _ _學(xué)號_ _ _ _專業(yè)_ 動力機(jī)械及工程 電郵_ _成績_ _ _日期_2013.12.01_ _渦輪增壓器類型結(jié)構(gòu)及其發(fā)展歷程綜述摘要 本文簡要敘述了渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)原理，回顧了柴油機(jī)渦輪增壓器的發(fā)展歷程，介紹了渦輪增壓技術(shù)的現(xiàn)狀，并展望了渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字 渦輪增壓技術(shù) 渦輪增壓器 渦輪機(jī) 壓氣機(jī) 發(fā)展趨勢引言自渦輪增壓技術(shù)概念提出至今己有百年時間了，在這百年的時間里，渦輪增壓技術(shù)經(jīng)歷了軸流式、徑流式、混流式及配置放氣閥、電機(jī)等自身的不斷改進(jìn)，其在航天、航海及陸地機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。特別是車輛的廣泛應(yīng)用及當(dāng)前人們對車輛節(jié)能、功率

2、和環(huán)保要求的不斷提高，為車用渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展和進(jìn)步提供了廣闊的空間和需求1-2。正文1回顧早在1905年，瑞士的Alfred J. Buchi博士就對渦輪機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)這一裝置申請了專利，并于1909-1912年設(shè)計開發(fā)了世界上第一臺廢氣驅(qū)動的軸流式渦輪增壓器，進(jìn)而于1915年首先策劃了將渦輪增壓器應(yīng)用于柴油動力機(jī)。但是，由于不能獲得足夠的壓縮空氣壓力，這一創(chuàng)新并沒有得到認(rèn)可和重視。渦輪增壓技術(shù)的實際應(yīng)用最先在第一次世界大戰(zhàn)期間的航空發(fā)動機(jī)上取得了一定的成功。隨后在20世紀(jì)30 -40年代的歐洲和美國，渦輪增壓技術(shù)進(jìn)入了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的階段。軸流式渦輪增壓器被大量應(yīng)用在航海、鐵路、電

3、廠和航空領(lǐng)域3。特別是在美國，通用公司為軍用飛機(jī)研制的渦輪增壓器，被數(shù)以萬計地應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)上。當(dāng)時，渦輪增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了許多新技術(shù)、新工藝的產(chǎn)生和發(fā)展，其中主要包括：1）對材料耐熱性的研究和開發(fā)；2）對材料高溫精確鑄造技術(shù)的研究和開發(fā)；3）促使人們對徑流式渦輪增壓器的研發(fā)，并使之在小功率發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用。20世紀(jì)40年代末50年代初蓋瑞特（Garret）公司開始從事20-90PS （15-67kW）的小功率引擎的渦輪增壓器的研究，并取得了成功。蓋瑞特公司開發(fā)出良好的渦輪增壓器殼體的鑄造技術(shù)、高速密封技術(shù)、徑流式渦輪和離心式壓縮機(jī)技術(shù)。1954年蓋瑞特公司成立了空氣學(xué)工業(yè)研發(fā)

4、部（Air-Research Industrial Division）也就是后來的蓋瑞特引擎公司（Garrett Auto-motive ），專門設(shè)計和生產(chǎn)渦輪增壓器，這對于現(xiàn)代渦輪引擎的產(chǎn)生和發(fā)展具有劃時代意義。在這期間，小型渦輪增壓器首先在賽車上取得了驚人的成功，渦輪增壓器所提供的大功率、大扭矩滿足了人們當(dāng)時的需求。隨后小型渦輪增壓器大量應(yīng)用于大型拖拉機(jī)、載重卡車和小型汽車上。時至今日，幾乎所有的卡車都搭載了渦輪增壓器的引擎4。在小型車領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代是渦輪增壓器一個重要的轉(zhuǎn)折點。保時捷911 （帶蓋瑞特廢氣門的KKK渦輪增壓器）轎車于1975年面世。1977年紳寶- 99通過一個帶

5、渦輪增壓器的2.1L汽油發(fā)動機(jī)獲得了與無渦輪增壓的3.0L發(fā)動機(jī)同樣的性能，使更多的人認(rèn)識和接受了渦輪增壓技術(shù)。隨后的奔馳推出了300 Turbo diesel渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)轎車，其能為駕車者提供最大的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性。別克公司接著宣布1978年的別克君威和利蒙斯運(yùn)動型雙門跑車配置渦輪引擎。在近20年里，汽車生產(chǎn)廠家不斷開發(fā)出具有渦輪增壓技術(shù)的小型轎車。在卡車領(lǐng)域，蓋瑞特T04渦輪增壓器最早應(yīng)用在迪爾農(nóng)業(yè)機(jī)械上。隨著發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家逐漸認(rèn)識到渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)工況、最大扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性提高的巨大貢獻(xiàn)，T04型渦輪增壓器具有了更加廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代卡車渦輪增壓時代正慢慢形成。今天，

6、中、重型車輛己經(jīng)普遍選用柴油機(jī)作為動力。在西歐，轎車選用柴油機(jī)的比例逐年上升，其中柴油機(jī)轎車市場占有率己達(dá)30%-50%?，F(xiàn)代柴油機(jī)己是高新技術(shù)產(chǎn)品的代表之一，現(xiàn)代柴油機(jī)具有節(jié)能、低污染的先天優(yōu)勢，能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，這得益于普遍采用了渦輪增壓技術(shù)。通過采用渦輪增壓及渦輪增壓中冷技術(shù)可提高氣缸充量容積效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不變，可降低廢氣煙度、廢氣溫度和發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷5。在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程中，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用在提高內(nèi)燃機(jī)的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等方面發(fā)揮了重要的作用，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的第二個里程碑。2渦輪增壓器概述隨著汽車運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，采用大功率、低

7、污染的柴油機(jī)作為汽車動力源已成為一種趨勢。廢氣渦輪增壓是利用發(fā)動機(jī)排氣中的剩余能量來工作的增壓方式，不需要消耗發(fā)動機(jī)的功率，渦輪增壓是目前發(fā)動機(jī)上普遍采用的增壓技術(shù)。發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動增壓器的渦輪，該渦輪與壓氣機(jī)葉輪安裝在同一轉(zhuǎn)軸上，因此壓氣機(jī)葉輪也以相同速度轉(zhuǎn)動，從而將大量的空氣壓縮后輸送到發(fā)動機(jī)的燃燒室里。由于渦輪增壓器利用了廢氣的一部分能量，因而不僅可提高內(nèi)燃機(jī)的功率，還可改善內(nèi)燃機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動機(jī)的排氣經(jīng)過渦輪后，壓力和溫度會降低，因此使排氣噪聲降低，對改善發(fā)動機(jī)噪聲也很有幫助。發(fā)動機(jī)采用渦輪增壓有以下幾點好處：a提高發(fā)動機(jī)功率、降低油耗。實踐表明，在一般柴油機(jī)上通過改動進(jìn)、排氣

8、管，增大供油量，加裝廢氣渦輪增壓器，可明顯增加柴油機(jī)功率。例如， 6135柴油機(jī)采用渦輪增壓器后，功率由原來的118kw可提高到153 kw，功率增加近30，而油耗則降低57。b減小單位功率質(zhì)量，縮小外形尺寸。c采用增壓技術(shù)可以有效降低排放污染。由于渦輪增壓發(fā)動機(jī)增大了進(jìn)氣量，使得燃燒比較完全，從而使廢氣中CO和HC含量明顯減少，NOx含量也較少。d采用增壓技術(shù)后，發(fā)動機(jī)燃燒壓力升高率降低，工作較柔和，噪聲比較小。e采用增壓技術(shù)后，對于高原地區(qū)使用的發(fā)動機(jī)更顯必要。由于高原地區(qū)氣壓低，單位質(zhì)量的空氣中含氧量較平原地區(qū)少，易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降。一般認(rèn)為，海拔每升高1 000 m，發(fā)動機(jī)功率下降8

9、10，燃油消耗率增加3855，加裝渦輪增壓器后，可以恢復(fù)功率，同時減少油耗。下面介紹幾種主要增壓器類型及結(jié)構(gòu)：1、廢氣渦輪增壓器廢氣渦輪增壓器是目前汽車柴油機(jī)普遍采用的一種脈沖式增壓器6-7，見圖1。增壓系統(tǒng)主要由增壓器、增壓器機(jī)油濾清器和相應(yīng)的進(jìn)出油管組成。其中，增壓器主要由廢氣渦輪機(jī)和壓氣機(jī)兩部分組成。其工作原理為：渦輪機(jī)與發(fā)動機(jī)排氣管相連，發(fā)動機(jī)排出的高能量廢氣高速進(jìn)入渦輪并推動渦輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)與渦輪安裝在同一軸上，使同一軸上的壓氣機(jī)葉輪工作，壓氣機(jī)與進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣濾清器相連。這樣經(jīng)空氣濾清器濾清后的空氣進(jìn)人壓氣機(jī)，使空氣的壓力得以提高，進(jìn)氣密度得以增加，從而大大提高進(jìn)氣量，為提高柴

10、油機(jī)的功率創(chuàng)造必要的條件。圖12、旁通渦輪增壓器與廢氣渦輪增壓器相比較，二者的工作原理基本相同，不同之處是渦輪增壓器帶有旁通閥。柴油機(jī)在大負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于排氣流量大、能量大，將使渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速隨之升高，導(dǎo)致增壓壓力升高。但是，在發(fā)動機(jī)低速工作時，即使增加了負(fù)荷，廢氣流量也較小，這樣會出現(xiàn)低速時發(fā)動機(jī)增壓空氣壓力低，扭矩增量過小的缺點，旁通閥即為解決這一問題而設(shè)置。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于高速大負(fù)荷工況時旁通閥打開，一部分廢氣不經(jīng)渦輪而直接排放到排氣管中，這樣可以降低增壓器的轉(zhuǎn)速，控制壓比在一個合理的范圍內(nèi)，使增壓器不至于因增壓過高而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過快。如圖2所示，旁通渦輪增壓器在渦輪進(jìn)口處設(shè)置了一個受增壓

11、壓力控制其開啟、關(guān)閉的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。發(fā)動機(jī)工作時，旁通閥與曲柄整體轉(zhuǎn)動，并通過推桿與固定在增壓器殼體上的執(zhí)行器中的彈簧一端相連，而執(zhí)行器的另一端則通過軟管與壓氣機(jī)出口的增壓壓力相通。當(dāng)增壓壓力達(dá)到一定程度時，克服了彈簧預(yù)緊力，并推動推桿，讓曲柄打開旁通閥，將進(jìn)入渦輪的部分廢氣經(jīng)旁通閥通道直接排人排氣管中，從而將廢氣渦輪增壓器的增壓壓力控制在一個合理的范圍之內(nèi)8-11。如何解決低速時扭矩不足的問題呢？其實，由于車用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍很廣，渦輪增壓器受發(fā)動機(jī)及增壓器特性的限制，很難在高、低速端均獲得最佳匹配，而旁通渦輪增壓器正是以低速端進(jìn)行最佳匹配，使發(fā)動機(jī)低速時轉(zhuǎn)矩大，排放污染低，同時，又通過旁通閥來解

12、決由此而產(chǎn)生的高速端時增壓壓力過高的問題，從而解決了高速端和低速端同時兼顧的問題。圖23、相繼增壓（STC）相繼增壓STC的基本原理是采用多個小流量的增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提升，依次投人運(yùn)行。它改變了增壓系統(tǒng)在低工況時廢氣能量不足而引起的渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而引起的增壓器喘振、柴油機(jī)功率下降等問題。在柴油機(jī)額定工況下，每臺增壓器都在高效區(qū)運(yùn)行；而在柴油機(jī)部分負(fù)荷時，減少投人使用的增壓器數(shù)量，使得投人運(yùn)行的增壓器運(yùn)行線仍處在高效區(qū)附近，從而改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能。4、可變截面渦輪增壓可變截面渦輪增壓是柴油機(jī)廢氣通過噴嘴環(huán)時，根據(jù)渦輪增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度

13、，使流人渦輪葉片的氣流參數(shù)改變，通過渦輪焓降的變化實現(xiàn)渦輪做功的變化，進(jìn)而讓壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化，從而使得柴油機(jī)與增壓器在各工況下均有良好的匹配。3現(xiàn)狀近20年，隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入，有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，正是由于各種排放、噪聲法規(guī)的大量出臺和人們對渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是渦輪增壓技術(shù)對高原發(fā)動機(jī)的功率補(bǔ)償，車用渦輪增壓技術(shù)迎來了發(fā)展的黃金時期12-14。總體來說，當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下5點特征：1）小型化在發(fā)動機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率20%-50%。由于不像機(jī)械增壓

14、時壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢越來越明顯。高增壓時，功率提高甚至可大于100 %。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動機(jī)的整體尺寸，這對發(fā)動機(jī)及車輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。2）節(jié)能渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動機(jī)排放的廢氣來驅(qū)動渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對將進(jìn)入發(fā)動機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動機(jī)渦輪增壓后耗油率可降低5%-10%。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。一臺1.65L排量的增壓發(fā)動機(jī)的功率等于一臺3.

15、78L排量的非增壓發(fā)動機(jī)的功率15-16。3）環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動機(jī)有害氣體和CO2的排放量。但增壓在汽油機(jī)和柴油機(jī)對排放的影響是有所區(qū)別的。對汽油機(jī)來說，由于過量空氣系數(shù)接近于1，增壓對汽油機(jī)排放的影響局限于節(jié)能部分。柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)本來就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1，增壓使柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對排放產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機(jī)改成同樣排量的增壓柴油機(jī)，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和CO的排放大幅度減少；由于燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強(qiáng)烈，HC化合物的排放也會降低。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效N0x的排放量增加。因增壓柴油機(jī)能提

16、高燃油經(jīng)濟(jì)性，有時可放棄部分在燃油經(jīng)濟(jì)性的好處來換取全面降低排放。同時，提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。這可使重型柴油機(jī)NOx降低80%，微粒減少90 %，比油耗改善16%。4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。5）渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)多種匹配方式為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴

17、截面增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機(jī)的渦輪增壓器。此外，還有超高增壓系統(tǒng)（HYPERBAR）、掃氣旁通系統(tǒng)（SCA-BY）及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車用柴油機(jī)上應(yīng)用不多17-19。新型的廢氣渦輪增壓器以提高可靠性、可維修性和經(jīng)濟(jì)性為重點，采用整體集成設(shè)計結(jié)合先進(jìn)的材料使增壓器提高了效率，減少了系統(tǒng)的零部件，簡化了在機(jī)器上的安裝，延長了大修間隔期，減少了維修工作量及維修工時，保證在整個壽命周期更低的運(yùn)行成本。渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來發(fā)展的要求密切相關(guān)，其主要服從于未來的排放法規(guī)要求和進(jìn)一步降低燃油消耗，渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率；在增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹

18、配上有可能采用電子控制系統(tǒng)，使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)全工況內(nèi)實現(xiàn)最佳匹配；對車用渦輪增壓器將要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，效率更高，同時要求增壓器有良好的可靠性，并可按發(fā)動機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。4展望20世紀(jì)90年代以來，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，根據(jù)我國等效采用歐洲排放法規(guī)計劃，2003年執(zhí)行歐標(biāo)準(zhǔn)，2010年與國際同步。要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，就要綜合應(yīng)用電子控制技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、廢氣增壓技術(shù)和排氣后處理技術(shù)等，才能極大地提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能。一般來說，在渦輪增壓技術(shù)上有如下要求：歐標(biāo)準(zhǔn)要匹配良好的渦輪增壓器并帶放氣閥；歐標(biāo)準(zhǔn)要采用可變噴嘴渦輪增壓器；歐標(biāo)準(zhǔn)以上則要使用電控可變噴嘴渦輪增壓器。參考文獻(xiàn)1 伊

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