發(fā)動機原理第三章發(fā)動機廢氣渦輪增壓

發(fā)動機原理第三章發(fā)動機廢氣渦輪增壓第1頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四主要內容概述廢氣能量的利用廢氣渦輪增壓器的基本結構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)動機的性能第2頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)發(fā)動機的有效功率：由：則:第一章概述第3頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四則提高發(fā)動機的單機功率的方法:1、改變發(fā)動機結構參數(shù)—

缸數(shù)i，缸徑D，沖程S,沖程數(shù)

2、提高轉速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。增壓是內燃機發(fā)展的重要方向。第4頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

增壓的目的是通過將空氣預先壓縮后供入氣缸，增加進氣質量，相應地增加循環(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。第5頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四增壓度：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：增壓比：增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比。第6頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四（1）機械增壓系統(tǒng)（2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)（3）復合式發(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，對應的=700-1000kpa。2）中增壓：=1.6~2.5，對應的=1000-1500kpa。3）高增壓：>2.5，對應的>1500kpa。4）超高壓：>4.5~5.5，對應的=2500-3500kpa以上2.按增壓系統(tǒng)的結構形式：第7頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四機械增壓第8頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四渦輪增壓-渦輪增壓第10頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四復合增壓-雙增壓第11頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四(1)機械增壓：

發(fā)動機輸出軸直接驅動機械增壓器，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，以曲軸運轉的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。根據(jù)構造不同，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。第13頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

魯茲增壓器有雙葉、三葉轉子兩種型式，目前以雙葉轉子較普遍，其構造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接接觸。兩轉子借由螺旋齒輪連動，其中一個轉子的轉軸與驅動的皮帶輪連接，轉子轉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速的行星齒輪組帶動進氣葉片。發(fā)動機轉速愈高，進氣葉片的轉速也能跟著提高。第14頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四“Twin-Screw式”機械增壓器工作原理雙轉子“Roots式”機械增壓器工作原理第15頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四奇瑞瑞虎1.6L裝有機械增壓第16頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四奔馳C180K用的1.6升機械增壓發(fā)動機第17頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四機械增壓系統(tǒng)優(yōu)點是渦輪轉速和發(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。第19頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四(2)廢氣渦輪增壓：

壓氣機與渦輪同軸相連，構成渦輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下旋轉，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。廣泛應用于柴油機。圖3-2由渦輪機和壓氣機構成。Turbocharger第20頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四渦輪增壓的原理紅色為高溫廢氣，藍色為新鮮空氣第23頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的廢氣能量來驅動渦輪，并帶動同軸上的壓氣機葉輪旋轉，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。第24頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

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。第25頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四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。第26頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四經(jīng)典的BORA1.8T渦輪增壓發(fā)動機第27頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四渦輪增壓套件第28頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四10ZJ型渦輪增壓器第29頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四半開式工作輪第30頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四羅茨式壓氣機第31頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四(3)復合式增壓：

將機械增壓與廢氣動力渦輪串聯(lián)起來工作，稱為復合式增壓系統(tǒng)。Compositersupercharger第32頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四復合增壓系統(tǒng)：即廢氣渦輪增壓和機械增壓并用，機械增壓有助于低轉速時的扭力輸出，但是高轉速時功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉速時擁有強大的功率輸出，但低轉速時則力不從心。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，只是結構太復雜，技術含量高，維修保養(yǎng)不容易，因此很難普及。第33頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四(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)動機的低速轉矩有利。第34頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四(5)氣波增壓：利用進氣及排氣系統(tǒng)中的波動效應來壓縮進氣，著名的氣波增壓器(Comprex)就是其中之一。圖3-5Pressurewavesupercharger第35頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四氣波式增壓器通過特殊的轉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。但由于它的特殊結構，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。第36頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四機械增壓VS渦輪增壓小結：第37頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

渦輪增壓器（Turbocharger）的主要優(yōu)點：1）在內燃機不作重大改變，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。第38頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第二節(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第40頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四一、廢氣的最大可用能

四沖程增壓柴油機理論示功圖第41頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、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）渦輪當量流通面積第42頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結構和工作原理

廢氣渦輪增壓器利用內燃機排出的部分廢氣能量，推動渦輪機高速旋轉，從而帶動安裝在同一根軸上的離心式壓氣機，增大內燃機進氣壓力的工作機械。第43頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結構和工作原理第44頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四種類：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第46頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四廢氣渦輪增壓器結構第47頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第48頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四渦輪增壓器的結構第49頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四一、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化為渦輪旋轉的機械功。第50頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四進氣殼：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動工作輪高速運動，使壓氣機工作輪轉動排氣殼：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變?yōu)闄C械能，最終用來驅動壓氣機。第51頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四2.渦輪機的特性曲線渦輪效率膨脹比氣體質量流量渦輪轉速n第52頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四渦輪特性轉速一定，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?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?shù)芈曀伲佪喠髁恳膊粫僭黾?，這種現(xiàn)象稱為渦輪機的阻塞現(xiàn)象。第53頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、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)第54頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四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

第55頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四1）增壓比2）流經(jīng)壓氣機的每秒質量流量mk或容積流量V0（相應于壓氣機的進口狀態(tài)）3）壓氣機轉速：就是蝸輪的轉速4）壓氣機的絕熱效率壓氣機的主要參數(shù)：第56頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第58頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四（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.壓氣機特性曲線第59頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第60頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第四節(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。第61頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

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入渦輪機的噴嘴環(huán)。1、定壓渦輪增壓系統(tǒng)第62頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四

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)第63頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四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。第64頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四（2）內燃機氣缸內掃氣作用

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的掃氣。（3）內燃機的加速性能

采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)的內燃機加速性能較好，另外，在內燃機轉速降低時，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，有利于改善內燃機的轉矩特性。第65頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四（4）增壓器效率與增壓器系統(tǒng)的結構

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，排氣管的結構也比較復雜。

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，應根據(jù)實際情況綜合考慮。第66頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑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

第67頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（1）雙渦殼通道蝸輪第68頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（1）雙渦殼通道蝸輪第69頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（2）可變渦殼通道流通截面蝸輪

第70頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

第71頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

第72頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

第73頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四二、改善車用增壓發(fā)動機轉矩特性的途徑（3）變噴嘴環(huán)流通截面蝸輪

第74頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第75頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第五節(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．混合氣的調節(jié)電控汽油噴射技術的應用，為增壓技術在汽油機中的應用掃除了一大障礙

3．熱負荷4．對增壓器的特殊要求第76頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四1．降低壓縮比

2．增壓壓力控制系統(tǒng)3．減小增壓后的“反應滯后”現(xiàn)象4．燃料供給系統(tǒng)的調整（1）汽油泵（2）點火提前角的調整二、汽油機渦輪增壓的主要技術措施第77頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四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)，但這種布置方式結構更為復雜。三、汽油機廢氣渦輪增壓器的布置第78頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)車用增壓發(fā)動機的性能第79頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四一、增壓前后發(fā)動機動力性能及經(jīng)濟性能的變化內燃機的動力性能指標與經(jīng)濟性能指標可以表示為假定增壓前后內燃機轉速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)方程可以求得第80頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四第81頁，共86頁，2023年，2月20日，星期四由此可見，增壓前后工質密度的變化，與增壓比和壓氣機絕熱效率直接相關，增壓比高則工質密度增幅大；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