汽車發(fā)動機原理與汽車理論第4章課件

1、第一節(jié)概述第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結構及原理第三節(jié)廢氣能量的利用第四節(jié)發(fā)動機增壓新技術概述第五節(jié)渦輪增壓器與柴油機的匹配第六節(jié)工程應用實例(文摘)第四章發(fā)動機廢氣渦輪增壓第一節(jié) 概述 增壓: 利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。 增壓后，每循環(huán)進入氣缸內的新鮮充量密度增大，使實際充氣量增加, 提高發(fā)動機功率和改善經濟性。 增壓分類: 按增壓比（增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比 ）低增壓： 1.31.6， 700 1000kPa；中增壓： 1.62.5， 10001500kPa；高增壓： 2.5， 1500kPa；超高增壓 4.55.5， 25003500kPa。一

2、、增壓是提高功率的有效途徑由式可知,通過下列方法可以提高功率:1)加大氣缸總排量iVs,即增加氣缸數(shù)i,增大氣缸直徑D和行程S。2)提高轉速n。3)提高平均有效壓力pme。二、增壓度增壓度是指發(fā)動機增壓后增長的功率與增壓前的功率之比?，F(xiàn)代四沖程增壓柴油機增壓度可達3以上,而多數(shù)車用發(fā)動機增壓度為10%60%。三、增壓比增壓比是指增壓后的空氣壓力pk與增壓前的空氣壓力p0之比增壓發(fā)動機按照增壓比的大小可以分為:低增壓,k2.5,相應的pme1500kPa。四、增壓的優(yōu)、缺點增壓技術可以在保證輸出功率Pe不變的情況下,使氣缸數(shù)減少或者氣缸直徑減小,從而可以減小發(fā)動機的比質量和外形尺寸;提高熱效率,

3、降低燃油消耗率;減少排氣污染和噪聲;降低發(fā)動機的單位功率造價;對補償高原功率損失十分有利。增壓技術用于發(fā)動機上的困難有:增壓發(fā)動機的機械負荷和熱負荷都較高;增壓發(fā)動機很難滿足車輛對轉矩適應性及瞬變工況的要求;車用汽油機應用增壓技術較困難;適用的小型渦輪增壓器發(fā)展晚且效率偏低五、增壓系統(tǒng)的分類根據(jù)驅動增壓器所用能量的來源不同,增壓方式基本上可以分為四類1.機械增壓系統(tǒng)增壓器由發(fā)動機的曲軸通過機械傳動系統(tǒng)直接驅動的稱為機械增壓器。2.廢氣渦輪增壓系統(tǒng)增壓器與發(fā)動機無任何機械聯(lián)系,壓氣機由內燃機廢氣驅動的渦輪來帶動。3.復合增壓系統(tǒng)在某些發(fā)動機上廢氣渦輪增壓與機械增壓并用,這種增壓系統(tǒng)稱為復合式增壓

4、系統(tǒng)。4.氣波增壓系統(tǒng)五、增壓系統(tǒng)的分類增壓方式機械增壓廢氣渦輪增壓復合增壓氣波增壓結構特征壓氣機的動力來源于發(fā)動機的曲軸,增壓器為回轉式、羅茨式、螺桿式及蝸旋式發(fā)動機的排氣驅動增壓器的渦輪、帶動壓氣機壓縮空氣形式較多,主要是機械增壓與渦輪增壓相結合的方式通過一個由曲軸驅動的輪轉子,排氣壓力波在其中壓縮進氣特點1.發(fā)動機轉速變化直接使壓氣機流量變化,加速響應性好2. 采用高速調節(jié)或脫開等控制技術,低速時可獲得較好的轉矩3.對排氣系統(tǒng)無干擾,可用于空排氣背壓的特殊場合(如水下)4.發(fā)動機機械效率低,油耗高5.增壓器泄漏多,噪聲大,效率低1.不直接消耗發(fā)動機的功率,充分利用排氣能量2.高速性能優(yōu)越

5、,低速性能差3.增壓器結構緊湊,若用中冷器可進一步提高增壓效果4.加速響應慢5.因排氣充分膨脹故排氣噪聲低6.與排氣后處理裝置有沖突1.綜合了機械增壓和廢氣渦輪增壓的優(yōu)點,高速時用渦輪增壓,起動時用機械增壓,部分負荷機械增壓貢獻大2.有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩類3.起動性能好4.低速、低負荷時仍能保證一定的增壓作用1. 輪消耗發(fā)動機的功率小,一般僅占1%左右2.結構簡單,制造方便且對動平衡要求不高3.適應性好,不會出現(xiàn)容積式壓氣機的異常現(xiàn)象4.低速轉矩大5.起到EGR作用,利于降低排放6.綜合效率低,質量及尺寸大,噪聲大7.對進氣和排氣壓力敏感應用范圍增壓度不高的發(fā)動機(汽油機為主)增壓壓力可達0.4

6、MPa,適用于單機功率大于35kW的場合大型二沖程柴油機概念型,增壓壓力較小表4-1四種增壓方式的比較廢氣渦輪增壓器按廢氣在渦輪機中的不同流動方向分為徑流式和軸流式兩大類。第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結構及原理圖4-1徑流式渦輪增壓器結構圖1擋油盤2壓氣機端密封座3推力軸承4壓氣機葉輪5壓氣機蝸殼 6渦輪蝸殼7渦輪葉輪8浮動軸承9中間殼體二、離心式壓氣機1.離心式壓氣機的基本結構及氣體流動圖4-2離心式壓氣機簡圖1進氣道2工作輪3擴壓器4出氣蝸殼離心式壓氣機,一般由進氣裝置、工作輪、擴壓器和出氣蝸殼組成.進氣裝置主要有兩種形式,一種是軸向進氣裝置,另一種是徑向進氣裝置。軸向進氣裝置氣流損失較小,

7、多用于小型增壓器。徑向進氣裝置由于氣流流向轉變,流動損失較大,多用于大型增壓器。作輪由葉片和輪盤組成,它有封閉式、半開式和星形式三種結構形式。擴壓器分為無葉和有葉兩種。無葉擴壓器結構簡單,但擴壓度小,氣流損失大,常用于小型增壓器。葉片擴壓器擴壓效果好,流動損失小。2.離心式壓氣機的主要參數(shù)和工作特性(1)離心式壓氣機的主要參數(shù)1)空氣增壓比k,k=。2)空氣流量(kg/s),即空氣每秒鐘進入壓氣機的質量?？諝饬髁咳Q于發(fā)動機所需要的空氣消耗量。3)壓氣機轉速nk(r/min),壓氣機與渦輪機同軸旋轉,壓氣機的轉速也就是渦輪機的轉速,其轉速很高,可達每分鐘十幾萬轉以上。4)壓氣機的絕熱效率ad-

8、k,壓氣機把外界1kg空氣進行絕熱壓縮所做的功had-k(J/kg)與壓縮1kg空氣實際消耗的功hk(J/kg)之比稱為壓縮機的絕熱效率ad-k,圖4-3空氣壓縮過程a)pV圖b)TS圖2.離心式壓氣機的主要參數(shù)和工作特性(1)離心式壓氣機的主要參數(shù)5)壓氣機功率。如果已知1kg空氣的絕熱壓縮功為had-k(J/kg),空氣的質量流量為(kg/s),壓縮機的絕熱效率為ad-k,則壓縮機功率Pk(W)為(2)壓氣機的特性壓氣機的特性是指壓氣機在不同轉速下的壓比、效率與空氣流量之間的關系。圖4-4離心式壓氣機的特性曲線當減小到某一值后,氣流發(fā)生強烈脈動,壓氣機工作不穩(wěn),這種現(xiàn)象稱為喘振。喘振現(xiàn)象是

9、由于壓氣機工作輪葉片及擴壓葉片局部區(qū)域氣流發(fā)生周期性的嚴重分離現(xiàn)象所引起的。(2)壓氣機的特性增壓器在某一轉速下,當流量超過設計工況達到一定數(shù)值后,壓氣機的壓比k和絕熱效率ad-k急速降低,而流量卻不再增加,這一現(xiàn)象稱為壓氣機的堵塞。原因是通道中某一截面上的氣流流速達到了當?shù)匾羲?臨界狀態(tài)),從而限制了流量的增加。此時的流量稱為堵塞流量,是該轉速下的最大流量。人為規(guī)定當ad-k=55%時,就認為出現(xiàn)了堵塞。(3)通用特性常引進相對折合參數(shù)的概念,就是把試驗測得的上述參數(shù)值換算成標準大氣狀況下的參數(shù)值。換算后質量流量稱為折合流量,折合流量為圖4-5壓氣機的通用特性曲線二、徑流式渦輪機圖4-6徑流

10、式渦輪機簡圖1進氣蝸殼2噴嘴環(huán)3工作輪4出氣道1.徑流式渦輪機的基本構造1.徑流式渦輪機的基本構造(1)噴嘴環(huán)噴嘴環(huán)上裝有許多導向葉片,構成漸縮形通道。廢氣從這里被引入工作輪。其材質采用耐高溫、抗腐蝕的合金鋼,可用鑄、鍛件機械加工或板材沖壓成型。噴嘴環(huán)可以有整體式和裝配式兩種結構形式。(2)工作輪工作輪是把從噴嘴環(huán)出口噴出的高速廢氣的動能和壓力能轉變?yōu)闄C械功的場所。工作輪的葉片與輪盤做成一體,多采用精密鑄造成型。葉片的葉型大都采用拋物線。其形式有半開式和星形兩種。(3)渦輪進氣殼渦輪進氣殼的作用是把發(fā)動機與增壓器連接起來,將廢氣經過整理引導到噴嘴環(huán)的方向,并按噴嘴環(huán)進口形狀均勻地進入噴嘴環(huán),以

11、減少流動損失,充分利用廢氣能量。渦輪進氣殼的流通截面按一定規(guī)律變化,表面要光潔。其結構可分為軸向、切向、徑向三種進氣形式,進口可為一個或多個。1.徑流式渦輪機的基本構造(4)渦輪出氣道渦輪出氣道是將已做功的廢氣引出增壓器,它還起支架的作用,流道要求光潔、平滑,有的還帶有冷卻水套。(5)渦輪軸渦輪軸將渦輪工作輪和壓氣機工作輪連起來,起傳遞轉矩的作用,工作輪與軸的連接方式有整體式和裝配式兩種。圖4-7渦輪機中氣流參數(shù)的變化廢氣以速度cT進入噴嘴環(huán),在噴嘴環(huán)中因斷面是漸縮的,使部分壓力能轉變?yōu)闅怏w的動能,壓力降低到p1,溫度下降到T1,流動速度增加到c1。廢氣從噴嘴環(huán)噴出,以相對速度w1和一定角度進

12、入工作輪,工作輪葉片間的通道也是呈漸縮形狀的,氣體在通道中繼續(xù)膨脹,在工作輪出口處壓力下降到p2,溫度降低到T2,相對速度增加到w2,由于廢氣在噴嘴中膨脹得到的動能大部分傳給了工作輪,所以絕對速度迅速下降到c2,c2205.8Nm/(2300r/min)。文摘一493ZQ型增壓柴油機增壓系統(tǒng)的設計及試驗機型參數(shù)、指標 493ZQ493Q提高幅度(DS)/(mmmm)9310293102(Pe/n)/kW/(r/min)70/360051.5/360036%(Ttq/n)/Nm/(r/min)205.8/2300165/200024.7%be/g/(kWh)224.4231.2-3%me/(kg

13、/kW)3.573.65-2%表4-3493ZQ型與493Q型柴油機主要結構參數(shù)與性能指標二、增壓系統(tǒng)的確定及排氣管內脈沖能量的計算1.增壓系統(tǒng)的確定 眾所周知，車用發(fā)動機采用脈沖廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，具有廢氣能量利用得好，加速性能好的特點。車用發(fā)動機在低速大轉矩工況時，為克服瞬時超載的要求，匹配點應選在最大轉矩點并兼顧標定點。選擇增壓器首先要求壓氣機效率高，且高效率區(qū)寬廣，采用前傾后彎式短葉片，用不帶噴嘴環(huán)的渦殼結構，以適應變工況的需要；為滿足汽車的加速性，增壓器轉子盡量小，以取得較小的轉動慣量；為保證壓比和流量，增壓器轉子轉速要高。2.排氣管內廢氣能量的計算 計算包括排氣門開啟相對瞬時壓力系數(shù)

14、P、排氣門開啟規(guī)律影響系數(shù)、氣缸排空率、排氣管截面積影響系數(shù)、排氣管長度影響系數(shù)、渦輪流通特性系數(shù)。三、渦輪增壓器的選擇圖4-13J50-3渦輪增壓器特性線與493ZQ型柴油機聯(lián)合運行線四、進、排氣管的設計.排氣管的設計 若把排氣管的作用看成是一個具有一定容積的流入與排空過程，排氣管中壓力波的形狀和反射時間就取決于排氣管的容積、長度、截面積和渦輪流通截面。因此排氣管的設計主要是對上述結構參數(shù)的確定。.進氣管的設計 設計原則是為改善掃氣效果，進氣管壓力應力求穩(wěn)定，減小波動，在結構允許的情況下，容積應盡量大，管道內壁應光滑，轉彎圓滑。五、試驗及結論圖4-14493ZQ型柴油機外特性曲線一、試驗裝置

15、與研究方法本研究是在一臺排量為2.7L的電控共軌輕型柴油機上進行的,發(fā)動機形式為直列4缸,壓縮比為17.51,燃燒室為直噴式,增壓中冷進氣,標定功率為85kW(3200r/min),最大轉矩為300Nm(2200r/min)。文摘二兩級渦輪增壓對輕型柴油機性能影響的試驗研究圖4-15兩級渦輪增壓系統(tǒng)示意圖1低壓級壓氣機2進氣旁通閥 3中冷器4進氣管5發(fā)動機6排氣管7高壓級壓氣機8高壓級渦輪9廢氣旁通閥10放氣閥11低壓級渦輪二、試驗結果及分析1.兩級增壓系統(tǒng)高壓級增壓器的選配本研究中的兩級增壓系統(tǒng)低壓級增壓器型號為SJ60F,高壓級增壓器有SJ44Q、SJ44Y和SJ36Y三種型號,因此有三種

16、組合方案?？紤]到高壓級增壓器主要側重低速工況,首先對三種組合在1000180r/min轉速下進行試驗,對其性能進行對比,以確定最終的兩級增壓的增壓器組合。試驗過程中在各工況下對進氣旁通閥和廢氣旁通閥進行了開度調節(jié),選出經濟性最好的開度進行比較。這里只給出各組合方案在1800r/min和1000r/min轉速時,不同負荷下比油耗、增壓壓力和渦前壓力的比較情況。圖4-16兩級增壓各組合方案對性能的影響a)轉速為1800r/minb)轉速為1000r/min2.進氣旁通閥和廢氣旁通閥對發(fā)動機性能的影響在確定了兩級增壓的增壓器組合方案后,在不同轉速和負荷下進行進氣旁通閥和廢氣旁通閥開度的調節(jié)試驗,分析

17、其開度對發(fā)動機性能的影響,確定基于經濟性優(yōu)化原則的閥門控制策略。以1800r/min來說明較低轉速的影響情況,以2200r/min來說明較高轉速的影響情況。圖4-17給出了1800r/min時各負荷下廢氣旁通閥和進氣旁通閥開度對性能的影響,全負荷工況給出的是比油耗和轉矩的對比(見圖4-17a),而部分負荷工況給出的是比油耗、增壓壓力和渦前壓力的比較(見圖4-17b、c、d)。圖4-17廢氣旁通閥和進氣旁通閥對性能的影響(1800r/min時)a)全負荷工況b)部分負荷(210Nm)c)部分負荷(150Nm)d)部分負荷(75Nm)圖4-18廢氣旁通閥和進氣旁通閥對性能的影響(2200r/min

18、時)a)全負荷工況b)部分負荷(210Nm)c)部分負荷(150Nm)d)部分負荷(75Nm)3.采用兩級增壓的發(fā)動機性能采用圖4-19所給出的兩級增壓控制策略,進行外特性和萬有特性試驗研究,并與原機的性能和排放進行了對比。圖4-20所示為采用兩級增壓系統(tǒng)后的外特性性能,圖4-21所示為采用兩級增壓系統(tǒng)和原機的萬有特性比油耗對比。圖4-19兩級增壓經濟性優(yōu)化的進、排氣旁通閥控制MAP 圖4-20外特性性能a)空燃比、渦前壓力和增壓壓力b)轉矩和比油耗圖4-21兩級增壓和原機的萬有特性比油耗對比 a)兩級增壓圖4-21兩級增壓和原機的萬有特性比油耗對比(續(xù))b)原機三、結論1)不同轉速和負荷下進氣旁通閥和廢氣旁通閥對性能影響的研究表明,在較低轉速、高負荷工況下,廢氣全部