第六章 廢氣渦輪增壓

第六章車用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓概述

第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓概述一、增壓的基本概念定義：利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的過(guò)程。作用：增加每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮充量密度，使實(shí)際充量增加，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性的目的。提高發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)功率的方法，根據(jù)[kw]1.改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)—缸數(shù)i，缸徑D，沖程S,沖程數(shù);（受安裝位置和自重的嚴(yán)格限制）2提高轉(zhuǎn)速n及活塞平均運(yùn)行速度Cm;

（充氣效率和機(jī)械效率下降、燃料經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、機(jī)件壽命、噪聲限制）3提高平均有效壓力Pe。（最經(jīng)濟(jì)有效的方法）

增壓γkPe

Ne其中γk

—充量密度。特性參數(shù)（一）增壓比由公式因?yàn)樵鰤罕龋涸鰤汉髿怏w壓力與增壓前氣體壓力之比，即πk=Pk/P0。代入上式

而平均有效壓力

代入上式,得未增壓時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的分析式增壓后,空氣密度由未增壓時(shí)的大氣密度變?yōu)樵鰤汉蟮拿芏?/p>

代入上式,得到增壓后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率分析式

增壓空氣在增壓器中壓縮是按多變過(guò)程進(jìn)行的。

增壓后—

增壓前—

假定多變指數(shù)n=2,則時(shí),才

壓力增長(zhǎng)很多而密度增大不多。這主要是因?yàn)樵鰤汉鬁囟葧?huì)升高的緣故,若增壓后溫度不變,則與p成線性關(guān)系。

則

若在整個(gè)增壓過(guò)程中,下降或保持為某一常數(shù),則

const，此時(shí)

與成正比。

通常,為了不使過(guò)高,在增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間設(shè)置一個(gè)中冷器,對(duì)增壓后的空氣進(jìn)行冷卻,稱為中間冷卻。（二）增壓度增壓度：指發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓后增長(zhǎng)的功率與增壓前的功率之比。Ne-0、Ne-k——分別為增壓前、后的功率。目前車用：10%-60%范圍內(nèi)，大部分20%-30%二、增壓的分類1．按增壓比分類πkPe（kP)低增壓1.3~1.6700~1000中增壓1.6~2.51000~1500高增壓〉2.51500超高增壓〉3.52．按增壓系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分類1）機(jī)械增壓系統(tǒng)

2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)3）復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)4）組合式渦輪增壓系統(tǒng)5）氣波增壓系統(tǒng)第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的工作原理車用渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)及中間體三部分組成雙渦輪增壓系統(tǒng)示意1-空氣濾清器2一進(jìn)氣旁通閥3一中冷器4一諧振室5一增壓壓力傳感器6一進(jìn)氣管7一噴油器‘8一火花塞9一渦輪增壓器10一排氣旁通閥11一排氣旁通閥控制裝置12一排氣管單渦輪增壓系統(tǒng)示意圖l一進(jìn)氣旁通閥2一節(jié)氣門(mén)3一進(jìn)氣管4一空氣濾清器5一空氣流量計(jì)6一壓氣機(jī)7一渦輪機(jī)8一催化轉(zhuǎn)換器9～排氣旁通閥10一排氣旁通閥控制裝置11一排氣管汽車用渦輪增壓器結(jié)構(gòu)1一壓氣機(jī)蝸殼2一無(wú)葉式擴(kuò)壓管3一壓氣機(jī)葉輪4一密封套5一增壓器軸6一進(jìn)氣道7一推力軸承8一擋油板9一浮動(dòng)軸承1O一渦輪機(jī)葉輪11一出氣道12一隔熱板13一渦輪機(jī)蝸殼14一中間體一、離心式壓氣機(jī)的工作原理與特性1．基本工作原理和主要參數(shù)離心式壓氣機(jī)一般由進(jìn)氣道1、工作輪2、擴(kuò)壓器3及出氣蝸殼所組成。壓氣機(jī)的主要參數(shù)為：（1）空氣的增壓比πk=Pk/P0；（2）流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣每秒質(zhì)量mk（kg/s）或容積流量V0（m3/s）（相應(yīng)于壓氣機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)）；（3）壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nk；（4）壓氣機(jī)的絕熱效率ηad-k；

ηad-k：1kg空氣的絕熱壓縮功had-k與實(shí)際壓縮功hk之比。（5）壓氣機(jī)功率。2．壓氣機(jī)特性曲線（1）流量特性：表示在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，壓氣機(jī)的增壓比πk和絕熱效率ηad-k隨空氣流量mk（或V0）的變化關(guān)系。（2）壓氣機(jī)的喘振與堵塞在壓氣機(jī)的特性曲線上有一條喘振線，又稱為穩(wěn)定工作邊界。含義：當(dāng)壓氣機(jī)工作在喘振線右側(cè)時(shí)，其工作是穩(wěn)定的；而當(dāng)處于喘振線左側(cè)時(shí)，壓氣機(jī)的功作就變得不穩(wěn)定甚至有危險(xiǎn)了。因此，把出現(xiàn)喘振的工作點(diǎn)稱為喘振點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的流量就是喘振流量。喘振是離心式葉輪機(jī)械所特有的一種異常工作現(xiàn)象。堵塞：在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，通過(guò)壓氣機(jī)的氣體流量隨增壓比的降低而增加。當(dāng)流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機(jī)通道中的某個(gè)截面達(dá)到臨界條件。當(dāng)增壓比繼續(xù)降低時(shí)，氣體流量卻不再增加，此時(shí)的氣體流量稱為堵塞流量，它也是該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)所對(duì)應(yīng)的最大流量。3．通用特性流量折合成標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的參數(shù)值。二、徑流式渦輪機(jī)的工作原理與特性1．基本工作原理2．渦輪機(jī)特性曲線（1）渦輪效率ηT：渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的有效程度，即ηT＝ＷＴ／ｈＴ式中：ＷＴ——渦輪機(jī)軸上的有用功（Ｊ／ｋｇ廢氣）；ｈＴ——１ｋｇ廢氣所具有的能量，可以用焓降表示（Ｊ／ｋｇ廢氣）（２）膨脹比πＴ代表氣體在渦輪中具有做功能力的重要參數(shù)，定義為渦輪進(jìn)口氣滯止壓力ＰＴ＊與渦輪出口氣體靜壓力Ｐ０′之比，即

πＴ＝ＰＴ＊／Ｐ０′（３）氣體質(zhì)量流量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)渦輪的氣體在渦輪的氣體質(zhì)量稱為渦輪的氣體流量。（４）渦輪轉(zhuǎn)速ｎ渦輪機(jī)所發(fā)出的功率為

現(xiàn)代廢氣渦輪增壓器的渦輪機(jī)效率ηＴ＝０．６５～０．８５3.增壓壓力的調(diào)節(jié)

在渦輪增壓系統(tǒng)中都設(shè)有進(jìn)氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力。排氣旁通閥及其控制裝置在增壓器上的安裝位置如圖所示。排氣旁通閥及其控制裝置的安裝位置1一控制膜盒2一連動(dòng)桿3一排氣旁通閥4一排氣管5一渦輪機(jī)葉輪6一渦輪機(jī)蝸殼7一增壓器軸8一中間體9一壓氣機(jī)蝸殼10一壓氣機(jī)葉輪11一連通管4.渦輪增壓器的潤(rùn)滑及冷卻來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主油道的機(jī)油，經(jīng)增壓器中間體上的機(jī)油進(jìn)口1進(jìn)人增壓器，潤(rùn)滑和冷卻增壓器軸和軸承。然后，機(jī)油經(jīng)中間體上的機(jī)油出口2返回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼渦輪增壓器的潤(rùn)滑油路及冷卻水套1一機(jī)油進(jìn)口2一機(jī)油出口3一冷卻液進(jìn)H4一冷卻水套5一冷卻液出口第三節(jié)廢氣渦輪增壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性的影響一、增壓提高了空氣的密度增壓器的壓氣機(jī)把空氣從狀態(tài)“0”壓縮到狀態(tài)“k”所發(fā)生的密度變化，根據(jù)狀態(tài)方程可寫(xiě)為二、對(duì)指示效率的影響

表示Pk增加以后，供油系統(tǒng)保持不變，供油提前角也不變，保持θ=30°的情況，由于增壓后要求增加每循環(huán)的供油量，為此加大供油持續(xù)角，使膨脹沖程后燃增加，傳導(dǎo)給冷卻水和廢氣中的熱量增大，從而使指示效率下降。

保持供油系統(tǒng)不變，加大供油提前角，使壓力升高比為常數(shù)是的試驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)指示效率隨Pk的增加而下降，但由于后燃減少，指示效率下降幅度較小。

改變供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如改變凸輪型線，加大柱塞直徑，增大供油速率等，使供油持續(xù)角保持不變，并且調(diào)整供油提前角，使壓升比為常數(shù)，指示效率反而提高。三、對(duì)充氣效率的影響充氣效率隨增壓壓力的增加略有提高，但不明顯。充氣效率隨Tk的增加而提高，可用下式近視計(jì)算：四、對(duì)機(jī)械效率的影響發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓后，平均機(jī)械損失壓力Pm從絕對(duì)值來(lái)看有所增大，但相對(duì)于因增壓后而大幅度提高平均指示壓力Pi而言，Pm/Pi比值卻減小了，機(jī)械效率得到了提高。現(xiàn)代增壓柴油機(jī)的機(jī)械效率在以下范圍：增壓四沖程柴油機(jī)0.80~0.90非增壓四沖程柴油機(jī)0.75~0.85增壓二沖程柴油機(jī)0.75~0.85非增壓二沖程柴油機(jī)0.70~0.80第四節(jié)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式兩種基本形式恒壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)恒壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較和選擇1）脈沖系統(tǒng)由于部分利用了廢氣的脈沖能量，所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。2）脈沖增壓系統(tǒng)對(duì)氣缸中掃氣有明顯好處。脈沖系統(tǒng)的PT正處于波谷，因此即使在低增壓和高增壓的部分負(fù)荷工況，仍能保持有足夠的掃氣壓力差PK-PT，保證氣缸內(nèi)良好的掃氣。而在恒壓系統(tǒng)中由于PT波動(dòng)小，掃氣壓力差就大為減小，不容易保證氣缸的掃氣。3）在脈沖系統(tǒng)中，由于排氣管容積小，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷改變時(shí)，排氣的壓力波立刻發(fā)生變化，并迅速傳遞到渦輪機(jī)，引起增壓器轉(zhuǎn)速較快的變動(dòng)，所以脈沖系統(tǒng)的加速性能好。４）從廢氣渦輪的效率來(lái)看，脈沖系統(tǒng)的渦輪平均絕熱效率比恒壓系統(tǒng)的略低。５）脈沖系統(tǒng)的廢氣瞬時(shí)流量也是周期性變化的，其瞬時(shí)最大流量比恒壓系統(tǒng)的流量（相當(dāng)于脈沖系統(tǒng)的平均流量）大，因此，脈沖渦輪的尺寸較大。其排氣管的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，受每根排氣管聯(lián)接氣缸數(shù)目的限制，在一臺(tái)柴油機(jī)上有時(shí)不得不采用幾個(gè)廢氣渦輪增壓器，這就使得整個(gè)增壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，柴油機(jī)的輪廓尺寸加大。

綜上：在低增壓時(shí)，采用脈沖渦輪增壓較為有利。而在高增壓是則宜采用恒壓渦輪增壓。但考慮到車用柴油機(jī)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷（增壓壓力較低）下工作，對(duì)其轉(zhuǎn)矩特性、加速性能要求比較高，即使是在高增壓的車用柴油機(jī)上仍常采用脈沖增壓系統(tǒng)。第五節(jié)廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的特點(diǎn)和性能一、特點(diǎn)1．主要參數(shù)的選取適當(dāng)降低壓縮比適當(dāng)加大過(guò)量空氣系數(shù)2．供油系統(tǒng)增加每循環(huán)的供油量：方法：增大柱塞直徑，增加供油速率（噴油泵凸輪輪廓線較陡），提高噴油壓力以及加大噴油嘴噴孔直徑等。減小供油提前角：供油系統(tǒng)材料、流通面積：3．配氣機(jī)構(gòu)采用較大的氣門(mén)重疊角，即增加進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)啟提前角和排氣門(mén)的關(guān)閉遲后角，利用活塞在上止點(diǎn)附近Pk和PT的壓力差進(jìn)行掃氣。加大進(jìn)排氣門(mén)升程：4．進(jìn)排氣系統(tǒng)在脈沖系統(tǒng)中，為了使掃氣期間各缸的排氣不互相干擾，因此排氣管必須分支。分支的原則是一根排氣管所連各缸排氣必須不相重疊（或重疊很少）。增壓柴油機(jī)的排氣管承受的熱負(fù)荷很高，排氣管開(kāi)裂是常見(jiàn)的故障。增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣管容積希望盡可能大一些，以減少進(jìn)氣壓力的脈動(dòng)，從而提高壓氣機(jī)效率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。空濾也應(yīng)相應(yīng)增大，以免壓氣機(jī)進(jìn)口壓力損失過(guò)大，引起柴油機(jī)性能惡化。5．冷卻增壓空氣將增壓器出口的增壓空氣加以冷卻，一方面可以提高充氣密度，從而提高柴油機(jī)功率；另一方面也可以降低柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)的溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度，從而降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷和排氣溫度。冷卻增壓空氣的方法，一般是用水和空氣在中間冷卻氣中進(jìn)行間接冷卻。在低增壓時(shí)沒(méi)有必要設(shè)置中間冷卻器。二、性能1．低速轉(zhuǎn)矩性能變化2．加速性能變差3．經(jīng)濟(jì)性有所改善4．降低了排氣污染及噪聲5．起動(dòng)和制動(dòng)有一定困難柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，無(wú)高溫排氣，渦輪機(jī)無(wú)法工作，壓氣機(jī)也不能供氣。增壓柴油機(jī)在起動(dòng)瞬時(shí)的進(jìn)氣壓力及溫度均不高，加之壓縮比較低，起動(dòng)時(shí)壓縮終點(diǎn)的溫度降低，造成著火與起動(dòng)的困難。非增壓柴油機(jī)，其制動(dòng)力與氣缸排量成正比。但增壓柴油機(jī)的升功率高，因此按增壓后功率配置的制動(dòng)力就不足。為此，使用內(nèi)燃機(jī)制動(dòng)時(shí)借助自動(dòng)裝置，在活塞壓縮行程終了時(shí)將排氣門(mén)打開(kāi)，這樣就減去了氣體膨脹功，而增大了內(nèi)燃機(jī)的制動(dòng)力。第六節(jié)廢氣渦輪增壓器與四沖程柴油機(jī)的特性配合一、柴油機(jī)用渦輪增壓器型號(hào)的編制原則（GB727-65）6DJ——表示在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，供氣量為600m3的低增壓徑流式增壓器。二、渦輪增壓器的選用——特性匹配１）根據(jù)柴油機(jī)的特定工況（如額定工況或最大轉(zhuǎn)矩工況）確定其在壓氣機(jī)特性曲線上的位置（即根據(jù)內(nèi)燃機(jī)選用合適型號(hào)的增壓器）；２）解決柴油機(jī)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)實(shí)現(xiàn)良好的配合。選用的依據(jù)：廢氣渦輪增壓器制造廠均提供壓氣機(jī)的特性和渦輪機(jī)的特性等技術(shù)資料。根據(jù)柴油機(jī)特定工況時(shí)所需的空氣流量（包括掃氣空氣量）及壓比，就可以判斷該工況在某一壓氣機(jī)特性曲線上的位置，若該點(diǎn)落在壓氣機(jī)特性曲線的高效率區(qū)，即可初步選定增壓器型號(hào)。渦輪增壓器有一個(gè)大致確定的工作范圍根據(jù)與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的位置，可以判斷增壓器與柴油機(jī)的配合是否良好。如果聯(lián)合運(yùn)行線與壓氣機(jī)特性曲線配合不夠理想，則需要進(jìn)行局部調(diào)整。方法是改變渦輪噴嘴環(huán)出口截面積，或改變壓氣機(jī)通道截面積。減少噴嘴環(huán)出口截面積可以使聯(lián)合運(yùn)行線從壓氣機(jī)低效率區(qū)移向高效率區(qū)。但調(diào)整有限，如果相差很遠(yuǎn)，只能以更換增壓器型號(hào)為宜。第七節(jié)汽油機(jī)增壓當(dāng)前汽油機(jī)渦輪增壓有兩種發(fā)展類型１）化油器式汽油機(jī)渦輪增壓器。２）電控汽油直接噴射渦輪增壓型。一、汽油機(jī)渦輪增壓的特點(diǎn)1．增壓度較低。2．汽油機(jī)壓縮比較低（6-9）、過(guò)量空氣系數(shù)范圍也較窄（0.85-1.05），燃油經(jīng)濟(jì)性較差；3．汽油機(jī)不能用混合氣掃氣，故不能用加大掃氣來(lái)冷卻受熱零件，所以增壓熱負(fù)荷偏高；4．汽油機(jī)由于壓縮比低，故燃燒后的膨脹做功也不充分，所以汽油機(jī)排溫較高，對(duì)廢氣渦輪的耐熱強(qiáng)度就有更高要求；5．汽油機(jī)速度范圍較寬，功率和廢氣能量差別也很大，渦輪增壓器與汽油機(jī)的匹配較柴油機(jī)困難，對(duì)增壓器的性能有更高的要求。布置方案：前置方案：優(yōu)點(diǎn)：1）化油器安裝位置不變，化油器喉管流通截面也不用改變，混合氣流程短，原發(fā)動(dòng)機(jī)改裝不至于困難；2）空氣在增壓其中壓縮后溫度升高，有利于化油器中燃料的汽化；3）汽油機(jī)回火不易損壞壓氣機(jī)葉輪；4）增壓器發(fā)生故障而不能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容易與汽油機(jī)脫開(kāi)，恢復(fù)原機(jī)運(yùn)行。缺點(diǎn)：1）化油器處在增壓壓力狀態(tài)下工作，必須嚴(yán)格密封，否則向外泄漏燃油；2）化油器的供油量對(duì)空氣密度變化不敏感，因此，在低增壓時(shí)混合氣過(guò)濃，而在高增壓時(shí)，混合氣又過(guò)稀?；旌蠚夂茈y隨工況變化而加以調(diào)整；3）供油系統(tǒng)比較復(fù)雜，汽油泵的供油壓力必須隨增壓壓力提高而增壓，供油量才能適應(yīng)增壓的要求。后置：優(yōu)點(diǎn)：1）化油器處于大氣狀