發(fā)動機原理第三章發(fā)動機廢氣渦輪增壓

第三章

發(fā)動機廢氣渦輪增壓EngineExhaust-gasTurboSupercharging當(dāng)前1頁，總共89頁。主要內(nèi)容概述廢氣能量的利用廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理廢氣渦輪增壓的類型汽油機增壓概述車用增壓發(fā)動機的性能當(dāng)前2頁，總共89頁。根據(jù)發(fā)動機的有效功率：由：則:第一章概述當(dāng)前3頁，總共89頁。則提高發(fā)動機的單機功率的方法:1、改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)—

缸數(shù)i，缸徑D，沖程S,沖程數(shù)

2、提高轉(zhuǎn)速n及活塞平均運行速度

3、提高平均有效壓力增壓

其中—

充量密度。增壓是內(nèi)燃機發(fā)展的重要方向。當(dāng)前4頁，總共89頁。

增壓的目的是通過將空氣預(yù)先壓縮后供入氣缸，增加進氣質(zhì)量，相應(yīng)地增加循環(huán)供油量，從而可以增加發(fā)動機功率。

增壓就是設(shè)法提高進入氣缸的充量密度，使進入發(fā)動機的新氣量增加，這就可以燃燒更多的燃料，使平均有效壓力提高，從而提高功率和改善經(jīng)濟性能和排放性能。當(dāng)前5頁，總共89頁。增壓度：指發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。發(fā)動機增壓的衡量指標(biāo)：增壓比：增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比。當(dāng)前6頁，總共89頁。（1）機械增壓系統(tǒng)（2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)（3）復(fù)合式發(fā)動機（4）組合式渦輪增壓系統(tǒng)（5）氣波增壓系統(tǒng)增壓的種類1.按增壓比：1）低增壓：=1.3~1.6，對應(yīng)的=700-1000kpa。2）中增壓：=1.6~2.5，對應(yīng)的=1000-1500kpa。3）高增壓：>2.5，對應(yīng)的>1500kpa。4）超高壓：>4.5~5.5，對應(yīng)的=2500-3500kpa以上2.按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式：當(dāng)前7頁，總共89頁。機械增壓當(dāng)前8頁，總共89頁。當(dāng)前9頁，總共89頁。渦輪增壓-渦輪增壓當(dāng)前10頁，總共89頁。復(fù)合增壓-雙增壓當(dāng)前11頁，總共89頁。當(dāng)前12頁，總共89頁。(1)機械增壓：

發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓器，實現(xiàn)對進氣的壓縮。這種方式提出最早，但其優(yōu)點與缺點同樣突出。用于小功率發(fā)動機。圖3-1Supercharger機械增壓器壓縮機的驅(qū)動力來自發(fā)動機曲軸。一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，以曲軸運轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。根據(jù)構(gòu)造不同，機械增壓曾經(jīng)出現(xiàn)過許多種類型，包括：葉片式(Vane)、魯茲(Roots)、溫克爾(Wankle)等型式。現(xiàn)在較為常見的為前兩種。當(dāng)前13頁，總共89頁。

魯茲增壓器有雙葉、三葉轉(zhuǎn)子兩種型式，目前以雙葉轉(zhuǎn)子較普遍，其構(gòu)造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間保有極小的間隙而不直接接觸。兩轉(zhuǎn)子借由螺旋齒輪連動，其中一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動的皮帶輪連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓。

而葉片式(亦有稱為渦流式)的本體就是屬于葉片式本體的一種。其運作方式主要是利用三個可根據(jù)不同離心力而改變轉(zhuǎn)速的行星齒輪組帶動進氣葉片。發(fā)動機轉(zhuǎn)速愈高，進氣葉片的轉(zhuǎn)速也能跟著提高。當(dāng)前14頁，總共89頁?！癟win-Screw式”機械增壓器工作原理雙轉(zhuǎn)子“Roots式”機械增壓器工作原理當(dāng)前15頁，總共89頁。奇瑞瑞虎1.6L裝有機械增壓當(dāng)前16頁，總共89頁。奔馳C180K用的1.6升機械增壓發(fā)動機當(dāng)前17頁，總共89頁。當(dāng)前18頁，總共89頁。機械增壓系統(tǒng)優(yōu)點是渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動機相同，因此沒有滯后現(xiàn)象，動力輸出非常流暢。但是由于裝在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸里面，因此還是消耗了部分動力，增壓出來的效果并不高。當(dāng)前19頁，總共89頁。(2)廢氣渦輪增壓：

壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。廣泛應(yīng)用于柴油機。圖3-2由渦輪機和壓氣機構(gòu)成。Turbocharger當(dāng)前20頁，總共89頁。當(dāng)前21頁，總共89頁。當(dāng)前22頁，總共89頁。渦輪增壓的原理紅色為高溫廢氣，藍色為新鮮空氣當(dāng)前23頁，總共89頁。廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的廢氣能量來驅(qū)動渦輪，并帶動同軸上的壓氣機葉輪旋轉(zhuǎn)，將空氣壓縮并送入發(fā)動機汽缸。由于廢氣渦輪增壓器與發(fā)動機之間沒有任何機械傳動連接，機械損耗更小。理論上只要汽缸壁足夠堅固，只需通過增加渦輪的尺寸和激量，就能將動力提升到十分驚人的程度。當(dāng)前24頁，總共89頁。

渦輪增壓發(fā)動機的最大優(yōu)點是它可在不增加發(fā)動機排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機的功率和扭矩。一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約40%甚至更多。但它仍有個難以完全克服的缺點——渦輪遲滯。當(dāng)前25頁，總共89頁。簡單的渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理。圖中藍色的為進氣管，紅色的為排氣管。當(dāng)前26頁，總共89頁。經(jīng)典的BORA1.8T渦輪增壓發(fā)動機當(dāng)前27頁，總共89頁。渦輪增壓套件當(dāng)前28頁，總共89頁。10ZJ型渦輪增壓器當(dāng)前29頁，總共89頁。半開式工作輪當(dāng)前30頁，總共89頁。羅茨式壓氣機當(dāng)前31頁，總共89頁。(3)復(fù)合式增壓：

將機械增壓與廢氣動力渦輪串聯(lián)起來工作，稱為復(fù)合式增壓系統(tǒng)。Compositersupercharger當(dāng)前32頁，總共89頁。復(fù)合增壓系統(tǒng)：即廢氣渦輪增壓和機械增壓并用，機械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時擁有強大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時則力不從心。這種裝置在大功率柴油機上采用比較多，汽油機上采用雙增壓系統(tǒng)（復(fù)合增壓系統(tǒng)）的車型還比較少。這種發(fā)動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小，只是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，技術(shù)含量高，維修保養(yǎng)不容易，因此很難普及。當(dāng)前33頁，總共89頁。(4)組合式增壓組合式增壓系統(tǒng)由廢氣蝸輪增壓與進氣慣性增壓組合而成。該系統(tǒng)使發(fā)動機加速性能變好，并對改善發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩有利。當(dāng)前34頁，總共89頁。(5)氣波增壓：利用進氣及排氣系統(tǒng)中的波動效應(yīng)來壓縮進氣，著名的氣波增壓器(Comprex)就是其中之一。圖3-5Pressurewavesupercharger當(dāng)前35頁，總共89頁。氣波式增壓器通過特殊的轉(zhuǎn)子使廢氣與空氣接觸，利用高壓廢氣對低壓空氣產(chǎn)生的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進氣壓力。氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭矩大，加速性好等優(yōu)點。但由于它的特殊結(jié)構(gòu)，氣波式增壓器同樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點。另外，空氣壓力波對進、排氣阻力過于敏感，要求進氣濾清器及悱氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸并減小阻力。由于存在許多問題，氣波式增壓器目前仍處于研究試驗階段。當(dāng)前36頁，總共89頁。機械增壓VS渦輪增壓小結(jié)：當(dāng)前37頁，總共89頁。

渦輪增壓器（Turbocharger）的主要優(yōu)點：1）在內(nèi)燃機不作重大改變，重量體積增加很少的情況下，一般可使功率提高20%~50%，而且容易實現(xiàn)高增壓。2）減少了機械損失和散熱損失，提高機械效率和熱效率，油耗率降低，經(jīng)濟性能明顯提高。3）可降低排氣噪聲和煙度。當(dāng)前38頁，總共89頁。當(dāng)前39頁，總共89頁。第二節(jié)廢氣能量的利用一、廢氣的最大可用能式中：—廢氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣支管中自由膨脹所損失的能量。

—廢氣在蝸輪中進一步膨脹所回收的能量

—活塞推出廢氣，廢氣得到的能量

—掃氣空氣所具有的能量當(dāng)前40頁，總共89頁。一、廢氣的最大可用能

四沖程增壓柴油機理論示功圖當(dāng)前41頁，總共89頁。二、影響脈沖能量利用的因素1）排氣門開啟定時2）排氣門流通面積3）排氣門開啟規(guī)律4）排氣管流通面積5）排氣管長度6）渦輪當(dāng)量流通面積當(dāng)前42頁，總共89頁。第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

廢氣渦輪增壓器利用內(nèi)燃機排出的部分廢氣能量，推動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動安裝在同一根軸上的離心式壓氣機，增大內(nèi)燃機進氣壓力的工作機械。當(dāng)前43頁，總共89頁。第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)前44頁，總共89頁。當(dāng)前45頁，總共89頁。種類：按廢氣在渦輪機中的流動方向分：離心式壓氣機徑流式渦輪中間體當(dāng)前46頁，總共89頁。廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)當(dāng)前47頁，總共89頁。當(dāng)前48頁，總共89頁。渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)當(dāng)前49頁，總共89頁。一、徑流式渦輪的工作原理

功用：將廢氣所擁有的能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為渦輪旋轉(zhuǎn)的機械功。當(dāng)前50頁，總共89頁。進氣殼：廢氣順暢流入噴阻環(huán)：廢氣徑噴阻環(huán)，使氣流速度增大、動能增大工作輪：高速氣流離心力作用驅(qū)動工作輪高速運動，使壓氣機工作輪轉(zhuǎn)動排氣殼：廢氣作功后順暢排入大氣或廢氣鍋爐

1.燃氣在蝸輪機中的流動在廢氣蝸輪的工作過程中，具有一定動能及壓力能的廢氣在噴嘴葉片環(huán)通道中僅部分得到加速而轉(zhuǎn)變?yōu)閺U氣的動能，而從噴嘴葉片環(huán)中流出的具有一定動能及壓力能的廢氣，則在工作葉輪中大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，最終用來驅(qū)動壓氣機。當(dāng)前51頁，總共89頁。2.渦輪機的特性曲線渦輪效率膨脹比氣體質(zhì)量流量渦輪轉(zhuǎn)速n當(dāng)前52頁，總共89頁。渦輪特性轉(zhuǎn)速一定，相似流量隨膨脹比的增大而增大，直到達到流量最大值，噴嘴環(huán)或蝸輪葉片輪中某處氣流速度已經(jīng)達到了當(dāng)?shù)芈曀?，即使再繼續(xù)增大膨脹比，該處的氣流速度仍維持當(dāng)?shù)芈曀?，蝸輪流量也不會再增加，這種現(xiàn)象稱為渦輪機的阻塞現(xiàn)象。當(dāng)前53頁，總共89頁。二、離心式壓氣機的工作原理與特性1.基本工作原理和主要參數(shù)當(dāng)前54頁，總共89頁。離心式壓氣機一般由進氣道、工作輪、擴壓器和出氣蝸殼組成。進氣道：收集氣流順暢進入工作輪工作輪：對氣體壓縮擴壓器：工作輪出口氣體進一步壓縮渦殼：使增壓氣體順暢進入氣缸

當(dāng)前55頁，總共89頁。1）增壓比2）流經(jīng)壓氣機的每秒質(zhì)量流量mk或容積流量V0（相應(yīng)于壓氣機的進口狀態(tài)）3）壓氣機轉(zhuǎn)速：就是蝸輪的轉(zhuǎn)速4）壓氣機的絕熱效率壓氣機的主要參數(shù)：當(dāng)前56頁，總共89頁。當(dāng)前57頁，總共89頁。當(dāng)前58頁，總共89頁。（1）壓氣機的流量特性（2）壓氣機的喘振與堵塞1）喘振現(xiàn)象2）喘振原因3）避免喘振（3）壓氣機通用特性2.壓氣機特性曲線當(dāng)前59頁，總共89頁。當(dāng)前60頁，總共89頁。第四節(jié)廢氣渦輪增壓的類型一、廢氣渦輪增壓的基本類型渦輪增壓內(nèi)燃機中，根據(jù)廢氣能量的利用方式，可以分為定壓渦輪增壓系統(tǒng)和脈沖（變壓）渦輪增壓系統(tǒng)兩種基本類型，其他增壓系統(tǒng)大都是由這兩種系統(tǒng)演變而來。當(dāng)前61頁，總共89頁。

定壓渦輪增壓系統(tǒng)的特點是渦輪前的廢氣壓力基本上保持恒定。把各缸的排氣管通向一根排氣總管上。且排氣總管的容積要足夠大，應(yīng)能起穩(wěn)定壓力的作用。這時雖然各氣缸的排氣時間互有差距，壓力波動較大，但匯集到排氣總管后，互相混合減速和滯止，基本保持恒定壓力，然后，廢氣按定壓由排氣總管導(dǎo)入渦輪機的噴嘴環(huán)。1、定壓渦輪增壓系統(tǒng)當(dāng)前62頁，總共89頁。

采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，其特點是：把各缸的排氣支管做得短而細，渦輪增壓器盡量靠近氣缸，并且?guī)讉€氣缸（通常有2到3個缸）連接一根排氣管，這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互不干擾的廢氣脈沖波（或稱廢氣壓力波）進入廢氣渦輪中；同時把渦輪的噴嘴環(huán)根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開，使它們互不干擾。由于渦輪處在進氣壓力波動較大的條件下工作，所以該系統(tǒng)又稱為變壓式渦輪增壓系統(tǒng)。2、脈沖渦輪增壓系統(tǒng)當(dāng)前63頁，總共89頁。定壓和脈沖增壓渦輪系統(tǒng)的不同點：（1）廢氣能量利用效果

脈沖渦輪增壓廢氣能量的損失比定壓渦輪增壓小，對廢氣能量的利用比定壓增壓要好。但當(dāng)增壓比提高時，兩種系統(tǒng)對廢氣能量的利用效果將逐漸接近。一般增壓比小于2.5時，采用脈沖增壓系統(tǒng)對于廢氣的利用是比較有利的。當(dāng)前64頁，總共89頁。（2）內(nèi)燃機氣缸內(nèi)掃氣作用

即使在部分負荷工況下，脈沖渦輪增壓系統(tǒng)仍能保持足夠的掃氣壓力差，以保證氣缸有良好的掃氣，達到提高充量系數(shù)、減小燃燒室中受熱零件熱負荷的目的。定壓系統(tǒng)則不容易保證氣缸內(nèi)的掃氣。（3）內(nèi)燃機的加速性能

采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機加速性能較好，另外，在內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速降低時，脈沖渦輪增壓系統(tǒng)的可用能與定壓增壓系統(tǒng)的可用能之比增大，有利于改善內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)前65頁，總共89頁。（4）增壓器效率與增壓器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從廢氣渦輪的效率來看，脈沖系統(tǒng)的平均絕熱效率比定壓系統(tǒng)略低。定壓系統(tǒng)的渦輪前壓力恒定，且渦輪噴嘴環(huán)全周進氣，渦輪的效率較高。

此外，脈沖渦輪增壓系統(tǒng)的尺寸較大，排氣管的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。

綜上所述，在低增壓時采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)較為有利；高增壓時則兩種系統(tǒng)同時存在，各有所長，應(yīng)根據(jù)實際情況綜合考慮。當(dāng)前66頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑1.排氣旁通2.進氣旁通3.可變截面渦輪（1）雙渦殼通道蝸輪（2）可變渦殼通道流通截面蝸輪（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

當(dāng)前67頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（1）雙渦殼通道蝸輪當(dāng)前68頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（1）雙渦殼通道蝸輪當(dāng)前69頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（2）可變渦殼通道流通截面蝸輪

當(dāng)前70頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

當(dāng)前71頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

當(dāng)前72頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

當(dāng)前73頁，總共89頁。二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

當(dāng)前74頁，總共89頁。當(dāng)前75頁，總共89頁。第五節(jié)

汽油機增壓概述

一、汽油機增壓的特點1．爆燃

增壓比一般比柴油機低得多，功率最高增加幅度為40%～50％

2．混合氣的調(diào)節(jié)電控汽油噴射技術(shù)的應(yīng)用，為增壓技術(shù)在汽油機中的應(yīng)用掃除了一大障礙

3．熱負荷4．對增壓器的特殊要求當(dāng)前76頁，總共89頁。1．降低壓縮比

2．增壓壓力控制系統(tǒng)3．減小增壓后的“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象4．燃料供給系統(tǒng)的調(diào)整（1）汽油泵（2）點火提前角的調(diào)整二、汽油機渦輪增壓的主要技術(shù)措施當(dāng)前77頁，總共89頁。在直接噴射式汽油機上增壓時，一般燃油在增壓器之后噴入，也有的在壓氣機前吸入一小部分燃油，經(jīng)過壓氣機改善了霧化，并降低了壓氣機出口溫度，增加了汽油機的充氣系數(shù)，但這種布置方式結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。三、汽油機廢氣渦輪增壓器的布置當(dāng)前78頁，總共89頁。第六節(jié)車用增壓發(fā)動機的性能當(dāng)前79頁，總共89頁。一、增壓前后發(fā)動機動力性能及經(jīng)濟性能的變化內(nèi)燃機的動力性能指標(biāo)與經(jīng)濟性能指標(biāo)可以表示為假定增壓前后內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速n及過量空氣系數(shù)不變，則有根據(jù)假定，認為根據(jù)壓氣機的絕熱效率表達式以及理想氣體狀態(tài)方程可以求得當(dāng)前80頁，總共89頁。當(dāng)前81頁，總共89頁。由此可見，增壓前后工質(zhì)密度的變化，與增壓比和壓氣機絕熱效率直接相關(guān)，增壓比高則工質(zhì)密度增幅大；即使在增壓比確定之后，降低壓縮過程中空氣的溫升也同樣可以提高絕熱效率，從而使進氣密度增加。對增壓后的進氣進行中間冷卻可以達到這一目的，這就是增壓發(fā)動機中特別是高增壓時較多采用進氣中冷技術(shù)的原因。由于增壓后平均指示壓力提高，而平均機械損失壓力基本不變（轉(zhuǎn)速相同），機械效率在增壓后將增加。實際上將以及定義式代入后，有當(dāng)前82頁，總共89頁。由于上式最終的結(jié)果是大于1的，這就意味著增壓后內(nèi)燃機的機械效率得到了提高。增壓后充量系數(shù)可用下面的近似關(guān)系式估算由于故增壓后內(nèi)燃機的充量系數(shù)是增大的。二、增壓內(nèi)燃機性能估算利用上述公式，可以對增壓后發(fā)動機性能參數(shù)進行估算。教材55頁【例一】就是一個增壓發(fā)動機計算實例。當(dāng)前83頁，總共89頁。NOxPeHC煙度COb>1.4b<1.4區(qū)：隨b，排放明顯改善1.4<b<2.5時：CO/HC/煙度不變，NOx>Pe三、廢氣渦輪增壓發(fā)動機對其他性能的影響當(dāng)前84頁，總共89頁。三、廢氣渦輪增壓發(fā)動機對其他性能的影響1