發(fā)動機原理課件—第八章 內(nèi)燃機增壓及中冷技術(shù)

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1. 內(nèi)燃機增壓的基本知識內(nèi)燃機增壓的基本知識2. 柴油機增壓、中冷柴油機增壓、中冷第八章第八章 內(nèi)燃機增壓及中冷技術(shù)內(nèi)燃機增壓及中冷技術(shù)v增壓：增壓：為提高平均有效壓力以為提高平均有效壓力以增加氣缸內(nèi)封存氣體密度增加氣缸內(nèi)封存氣體密度的方法。的方法。（廣義上，凡是能夠?qū)?nèi)燃機進氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度（廣義上，凡是能夠?qū)?nèi)燃機進氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法，都稱為增壓。）的一切方法，都稱為增壓。）v目的：目的：通過增加充氣量，以通過增加充氣量，以提高功率提高功率，改善經(jīng)濟性和排放性，改善經(jīng)濟性和排放性v提高發(fā)動機功率的途徑：提高發(fā)動機功率的途徑：3sm103

2、0PinVPee第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機增壓的基本知識發(fā)動機增壓的基本知識 改變結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加改變結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加i、Vs(D、S)，減少，減少，但體積和重量增加，但體積和重量增加 提高轉(zhuǎn)速。但充氣效率和機械效率減少，機件壽命減少，噪音提高轉(zhuǎn)速。但充氣效率和機械效率減少，機件壽命減少，噪音大大 提高平均有效壓力提高平均有效壓力Pme。提高平均有效壓力提高平均有效壓力Pme 方法：方法：減少過量系數(shù)減少過量系數(shù)提高充氣效率提高充氣效率增加充氣密度增加充氣密度（增壓）（增壓）v增壓度增壓度：發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前功率：發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前功率之比之比范圍：范圍：10%60%。大部分

3、為。大部分為20%30%。v增壓壓比增壓壓比 k：進入氣缸的氣體壓力：進入氣缸的氣體壓力Pk與大氣壓力與大氣壓力P0之比之比v增壓的范圍增壓的范圍:低增壓：低增壓： k 1.31.6（內(nèi)燃機平均有效壓力（內(nèi)燃機平均有效壓力pe0.71.0MPa）中增壓：中增壓： k 1.62.5（內(nèi)燃機平均有效壓力（內(nèi)燃機平均有效壓力pe1.01.5MPa）高增壓：高增壓： k 2.5 （pe 1.5MPa）；）；超高增壓：超高增壓： k 3.5（pe2.0MPa）。）。內(nèi)燃機增壓的優(yōu)缺點內(nèi)燃機增壓的優(yōu)缺點v改善了發(fā)動機性能：改善了發(fā)動機性能：提高了內(nèi)燃機機械效率；提高了內(nèi)燃機機械效率；提高了內(nèi)燃機的指示熱效

4、率；提高了內(nèi)燃機的指示熱效率；改善了燃燒過程。改善了燃燒過程。v增加了發(fā)動機的比功率；增加了發(fā)動機的比功率；v擴大了內(nèi)燃機高原適應(yīng)性：擴大了內(nèi)燃機高原適應(yīng)性：v有利于降低有害氣體排放和噪聲。有利于降低有害氣體排放和噪聲。(汽油機汽油機HC降低，空氣充足使柴油機碳煙有所降低；降低，空氣充足使柴油機碳煙有所降低；溫度高使著火延遲期縮短使柴油機柔和）溫度高使著火延遲期縮短使柴油機柔和）v增加了柴油機的增加了柴油機的機械負荷；機械負荷；v增加了柴油機的增加了柴油機的熱負荷。熱負荷。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：v按照實現(xiàn)增壓所提供的能量可分：按照實現(xiàn)增壓所提供的能量可分：機械增壓；機械增壓；廢氣渦輪增壓；廢

5、氣渦輪增壓；氣波增壓；氣波增壓；復合增壓復合增壓諧波增壓（汽油機）諧波增壓（汽油機）第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)動機增壓的類型發(fā)動機增壓的類型、機械增壓、機械增壓v由曲軸經(jīng)過齒輪增速箱驅(qū)由曲軸經(jīng)過齒輪增速箱驅(qū)動壓氣機。動壓氣機。v機械增壓增壓壓力高，壓機械增壓增壓壓力高，壓氣機消耗的功率大。為使氣機消耗的功率大。為使內(nèi)燃機機械效率不要過分內(nèi)燃機機械效率不要過分下降，增壓壓力下降，增壓壓力Pk不能過不能過高。高。 Pk 160170KPav主要用途：提高發(fā)動機低主要用途：提高發(fā)動機低速扭矩速扭矩機械增壓器的種類機械增壓器的種類v機械增壓所用的壓氣機除機械增壓所用的壓氣機除離心式離心式壓氣機外，在車用內(nèi)壓氣機

6、外，在車用內(nèi)燃機上常用容積式壓氣機：燃機上常用容積式壓氣機：羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式。、廢氣渦輪增壓、廢氣渦輪增壓v廢氣渦輪增壓利用廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機排氣中能量內(nèi)燃機排氣中能量來實現(xiàn)增壓，比機來實現(xiàn)增壓，比機械增壓經(jīng)濟性好，械增壓經(jīng)濟性好，比非增壓自然吸氣比非增壓自然吸氣式內(nèi)燃機燃油耗率式內(nèi)燃機燃油耗率可低可低5%10%。v質(zhì)量功率和體積功質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸氣內(nèi)率比非自然吸氣內(nèi)燃機明顯改善，因燃機明顯改善，因而在內(nèi)燃機上得到而在內(nèi)燃機上得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。廢氣渦輪增壓的分類廢氣渦輪增壓的分類v廢氣渦輪增壓器主要由壓廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣渦

7、輪組成。氣機和廢氣渦輪組成。v壓氣機主要是離心式的。壓氣機主要是離心式的。v廢氣渦輪分：廢氣渦輪分：軸流式；軸流式；徑流式；徑流式；(小流量，車用小流量，車用)斜流式（混流式）。斜流式（混流式）。v由于內(nèi)燃機排氣能量利用由于內(nèi)燃機排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓脈沖渦輪增壓變壓系統(tǒng)變壓系統(tǒng)(直接、響應(yīng)快，排氣管細直接、響應(yīng)快，排氣管細)等壓渦輪增壓等壓渦輪增壓恒壓系統(tǒng)恒壓系統(tǒng)(發(fā)動機背壓大發(fā)動機背壓大)、氣波增壓、氣波增壓v氣波增壓是通過氣波增壓器利氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣體質(zhì)點和壓力波的反射特用氣體質(zhì)點和壓力波的反射特

8、性，使排氣和進氣之間進行直性，使排氣和進氣之間進行直接的能量交換，以增大進氣密接的能量交換，以增大進氣密度。度。v氣波增壓對內(nèi)燃機工況反映迅氣波增壓對內(nèi)燃機工況反映迅速，使氣波增壓的加速性好，速，使氣波增壓的加速性好，且低速時空氣的壓縮程度高，且低速時空氣的壓縮程度高，低速扭矩好。工作溫度低，不低速扭矩好。工作溫度低，不需要耐高溫材料。但體積大，需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。值。匹配要求高，防止竄煙。氣波增壓器轉(zhuǎn)氣波增壓器轉(zhuǎn)子展開圖子展開圖、復合增壓、復合增壓v機械增壓與廢氣渦輪增壓組合。機械增壓與廢氣渦輪增壓組合。v諧

9、波增壓與廢氣渦輪增壓組合。諧波增壓與廢氣渦輪增壓組合。、諧波增壓、諧波增壓ACIS雙增壓器順序增壓雙增壓器順序增壓v多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。v在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反映性能。反映性能。v在中高速時，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。在中高速時，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。第三節(jié)第三節(jié) 增壓器增壓器v可變進氣道增壓器；可變進氣道增壓器；v可變噴嘴環(huán)增壓器；可變噴嘴環(huán)增壓器；v可變渦輪喉口截面增壓器；可變渦輪喉口截面增壓器；v可變?nèi)~片增壓器；可變?nèi)~片增壓器；v廢氣放氣

10、增壓器；廢氣放氣增壓器；v進氣回流增壓器；進氣回流增壓器；v射流渦輪增壓器；射流渦輪增壓器；v斜流渦輪增壓器；斜流渦輪增壓器；可變進氣道增壓器可變進氣道增壓器v低速時使用一個進氣低速時使用一個進氣通道；高速時，進氣通道；高速時，進氣量大，使用兩個通道，量大，使用兩個通道，可以改善增壓發(fā)動機可以改善增壓發(fā)動機的過渡性能。的過渡性能?？勺冞M氣道增壓器性能可變進氣道增壓器性能可變噴嘴環(huán)增壓器可變噴嘴環(huán)增壓器v低速時，噴嘴角低速時，噴嘴角度小，流通截面度小，流通截面??；高速時噴嘴??；高速時噴嘴角度大，流通截角度大，流通截面能保證渦輪從面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠廢氣中獲取足夠能量達到壓氣機能量達到壓氣

11、機的需求。的需求。各噴嘴環(huán)各噴嘴環(huán)1通過軸銷通過軸銷2固定在渦殼固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動桿上，再經(jīng)傳動桿3與噴嘴控制盤與噴嘴控制盤4相相連。轉(zhuǎn)動噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。連。轉(zhuǎn)動噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。通過調(diào)整渦殼通過調(diào)整渦殼5與渦與渦輪葉輪輪葉輪6之間的噴嘴之間的噴嘴環(huán)角度來調(diào)整渦輪流環(huán)角度來調(diào)整渦輪流通截面。通截面。可變噴嘴環(huán)增壓器特性可變噴嘴環(huán)增壓器特性v左圖中左圖中是噴嘴環(huán)角是噴嘴環(huán)角度以此減小的情況。隨著度以此減小的情況。隨著內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速下降，壓氣機內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速下降，壓氣機的增壓壓力不但沒有下降，的增壓壓力不但沒有下降，反而提升到高轉(zhuǎn)速水平，反而提升到高轉(zhuǎn)速水平，從而保證增

12、壓內(nèi)燃機的低從而保證增壓內(nèi)燃機的低速性能。速性能。v可調(diào)噴嘴環(huán)用于增壓器與可調(diào)噴嘴環(huán)用于增壓器與內(nèi)燃機的高速匹配。通過內(nèi)燃機的高速匹配。通過可調(diào)噴嘴環(huán)改善低速性能。可調(diào)噴嘴環(huán)改善低速性能?？勺儨u輪喉口截面增壓器可變渦輪喉口截面增壓器1.壓氣機；壓氣機；2.可變喉口截面調(diào)整板；可變喉口截面調(diào)整板；3.調(diào)整板及調(diào)整機構(gòu)；調(diào)整板及調(diào)整機構(gòu)；4.操縱操縱機構(gòu)；機構(gòu)；5.操縱機構(gòu)控制電磁閥；操縱機構(gòu)控制電磁閥；6.渦輪；渦輪；A.最小喉口截面；最小喉口截面；B.最大最大喉口截面喉口截面低速高速可變渦輪喉口截面增壓器工作原理可變渦輪喉口截面增壓器工作原理v可變渦輪喉口截面增壓器是再廢氣量不變的情況下可變渦

13、輪喉口截面增壓器是再廢氣量不變的情況下改變進入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取改變進入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進入渦輪的廢氣加速，能量的大小。小喉口截面將使進入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時渦輪效率將作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時渦輪效率將有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內(nèi)燃機有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內(nèi)燃機在低速小負荷時的需要。內(nèi)燃機在高速大負荷時，在低速小負荷時的需要。內(nèi)燃機在高速大負荷時，可以保證渦輪在高速范圍運行，這時喉口截面處于可以保證渦輪在高速范圍運行，這時喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效

14、率最大。最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大。v可變喉口截面控制板可以由電磁閥進行無級調(diào)整?？勺兒砜诮孛婵刂瓢蹇梢杂呻姶砰y進行無級調(diào)整?？勺?nèi)~片增壓器可變?nèi)~片增壓器v可變噴嘴環(huán)技術(shù)類似，通過壓氣機結(jié)構(gòu)（葉片角度）的變化，來可變噴嘴環(huán)技術(shù)類似，通過壓氣機結(jié)構(gòu)（葉片角度）的變化，來調(diào)整增壓壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷的匹配關(guān)系。調(diào)整增壓壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷的匹配關(guān)系。v多個可變?nèi)~片，效率高，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高、體積大。多個可變?nèi)~片，效率高，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高、體積大。三菱多閥VG增壓器本田可變?nèi)~片增壓器廢氣放氣增壓器廢氣放氣增壓器v車用增壓內(nèi)燃機為獲得低速大車用增壓內(nèi)燃機為獲得低速大扭矩和良好的加速性能，

15、渦輪扭矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內(nèi)燃機低速、小增壓器一般按內(nèi)燃機低速、小流量設(shè)計。流量設(shè)計。v轎車用增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃轎車用增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定轉(zhuǎn)速的機標定轉(zhuǎn)速的40%左右。左右。v公共汽車、重型車用的增壓器公共汽車、重型車用的增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定轉(zhuǎn)速的設(shè)計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定轉(zhuǎn)速的60%左右。左右。v高速時，將會使增壓壓力過高速時，將會使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機爆高，增壓器超速，柴油機爆發(fā)壓力過大，汽油機容易引發(fā)壓力過大，汽油機容易引起爆震。起爆震。v為此，設(shè)計增壓器常增加廢為此，設(shè)計增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時將一部氣放氣閥，在高速時將一部分廢氣旁通掉，加以

16、控制增分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。壓壓力。廢氣廢氣放氣放氣增壓增壓器工器工作原作原理理v廢氣門廢氣門3與增壓器與增壓器2的渦輪并聯(lián)地連接在內(nèi)燃機的渦輪并聯(lián)地連接在內(nèi)燃機1的排氣管上。廢氣門的閥門的排氣管上。廢氣門的閥門固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機出口的固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機出口的增壓空氣相通。平時，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內(nèi)燃機排氣管來增壓空氣相通。平時，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內(nèi)燃機排氣管來的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內(nèi)。的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內(nèi)。v一旦增壓壓力對膜片的作用超過彈簧的預(yù)

17、緊力，廢氣門打開，一部分廢氣一旦增壓壓力對膜片的作用超過彈簧的預(yù)緊力，廢氣門打開，一部分廢氣不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回落，以實現(xiàn)空氣增壓壓力的自動調(diào)節(jié)。落，以實現(xiàn)空氣增壓壓力的自動調(diào)節(jié)。進氣回流增壓器進氣回流增壓器v為避免由于負荷突變及環(huán)境變?yōu)楸苊庥捎谪摵赏蛔兗碍h(huán)境變化而使壓氣機出現(xiàn)喘振而損壞化而使壓氣機出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機進增壓器，在增壓器的壓氣機進口裝上整體式的回流閥?？谘b上整體式的回流閥。v當進氣管壓力低于某一值時，當進氣管壓力低于某一值時，作用在回流閥上的進氣管壓力、

18、作用在回流閥上的進氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機出口的空氣彈簧壓力和壓氣機出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開，增壓壓力不平衡，回流閥頂開，壓氣機出口的空氣通過回流閥壓氣機出口的空氣通過回流閥和回流通道進入壓氣機進口，和回流通道進入壓氣機進口，以增加通過壓氣機的空氣量。以增加通過壓氣機的空氣量。第四節(jié)第四節(jié) 增壓中冷技術(shù)（選）增壓中冷技術(shù)（選）v增壓空氣增壓空氣溫度增加溫度增加，在柴油機中引起，在柴油機中引起增壓條件下進氣密增壓條件下進氣密度減小度減小，即在保持不變過量空氣系數(shù)，即在保持不變過量空氣系數(shù)下，意味著功率下下，意味著功率下降，不然需要進一步提高增壓壓力，但柴油機機械負荷降，不然需要進一

19、步提高增壓壓力，但柴油機機械負荷又要增加。雖然氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度提高有利于柴油機的燃又要增加。雖然氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度提高有利于柴油機的燃燒，但卻使燃燒室內(nèi)受熱零件的燒，但卻使燃燒室內(nèi)受熱零件的熱負荷增加，排溫過高，熱負荷增加，排溫過高，NOx增加增加。汽油機中增壓溫度升高，除與柴油機一樣功。汽油機中增壓溫度升高，除與柴油機一樣功率下降外，最主要的是爆震傾向增加。率下降外，最主要的是爆震傾向增加。v一般，當增壓空氣的壓力超過一般，當增壓空氣的壓力超過0.15MPa時，就值得采用時，就值得采用中冷。中冷。v解決空氣溫度過高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的解決空氣溫度過高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的空氣?？諝狻增壓空氣溫度每降低增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢