第7章 發(fā)動機廢氣渦輪增壓

“T”——發(fā)動機采用渦輪增壓即在不改變發(fā)動機參數(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高發(fā)動機動力性，采取的有效措施。引例1.8T“T”含義？通俗地說：渦輪增壓讓“汽車”更強勁本章內(nèi)容要求：發(fā)動機增壓方式渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理渦輪增壓對發(fā)動機性能的影響汽油機增壓特點第七章發(fā)動機廢氣渦輪增壓7.1發(fā)動機增壓的基本方法與原理提高發(fā)動機功率的途徑：改變結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加i、Vh(D、S)，減少τ，但體積和重量增加提高轉(zhuǎn)速。但充量系數(shù)和機械效率減少，機件壽命減少，噪音大提高平均有效壓力Pme。提高平均有效壓力Pme

方法：減少過量空氣系數(shù)、提高充量系數(shù)、增加充氣密度（增壓!!!）7.1.1增壓概念增壓：利用增壓器將空氣或混合氣進行壓縮，再送入氣缸的過程。為提高平均有效壓力以增加氣缸內(nèi)封存氣體密度的方法?；蚍彩悄軌?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。

目的：通過增加充氣量，以提高功率，改善經(jīng)濟性和排放性。7.1.2增壓指標增壓度φk：發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前功率之比。

φk范圍為10%~60%。大部分為20%~30%。增壓比

k：進入氣缸的氣體壓力Pk與大氣壓力P0之比。增壓的范圍:低增壓：

k

＝1.3~1.6（內(nèi)燃機平均有效壓力pme＝0.7～10MPa）中增壓：

k

＝1.6~2.5（pme＝1.0～1.5MPa）高增壓：

k

＞2.5（pme＞1.5MPa）；超高增壓：

k

＞4.5~5.5（pme>2.5~3.5MPa）。增壓中冷技術(shù)增壓空氣溫度增加，在柴油機中引起增壓條件下進氣密度減小，即在保持不變過量空氣系數(shù)下，意味著功率下降，不然需要進一步提高增壓壓力。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。一般，當增壓空氣的壓力超過1.5MPa時，就值得采用中冷。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。增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢氣溫度約可降低20K，燃油消耗率可減少3g/kW.h。7.1.3內(nèi)燃機增壓的優(yōu)缺點改善了發(fā)動機性能：提高了內(nèi)燃機機械效率；提高了內(nèi)燃機的指示熱效率；改善了燃燒過程。增加了發(fā)動機的升功率；擴大了內(nèi)燃機高原適應(yīng)性：有利于降低有害氣體排放和噪聲。(HC降低，高負荷的NOx降低，空氣充足使碳煙有所降低；溫度高使著火延遲期縮短）增加了柴油機的機械負荷、熱負荷；增加了汽油機的爆燃傾向。柴油機的低速時，排氣量不足，增壓效果差。加速響應(yīng)差。優(yōu)點：缺點：7.1.4增壓結(jié)構(gòu)及類型機械增壓廢氣渦輪增壓復合增壓氣波增壓諧波增壓—ACIS１、機械增壓由曲軸經(jīng)過齒輪增速箱驅(qū)動壓氣機。機械增壓增壓壓力高，壓氣機消耗的功率大。為使內(nèi)燃機機械效率不要過分下降，增壓壓力Pk不能過高。Pk<160~170kPa主要用途：提高發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩機械增壓器的種類：機械增壓所用的壓氣機除離心式壓氣機外，在車用內(nèi)燃機上常用容積式壓氣機：羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式。２、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機排氣中能量來實現(xiàn)增壓，油耗率可低5%～10%。質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸氣內(nèi)燃機明顯改善，一般可提高功率20%-50%，易實現(xiàn)高增壓?？山档团艢庠肼暫蜔煻取U氣渦輪增壓的分類：廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣渦輪機組成。壓氣機主要是離心式的。廢氣渦輪分：軸流式；徑流式；斜流式（混流式）。由于發(fā)動機排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。3、復合增壓4、氣波增壓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性，使排氣和進氣之間進行直的能量交換，以增大進氣密度。氣波增壓對內(nèi)燃機工況反應(yīng)迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速時空氣的壓縮程度高，低速轉(zhuǎn)矩好。工作溫度低，不需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。５、諧波增壓—ACIS雙增壓器順序增壓多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反應(yīng)性能。在中高速時，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的組成系統(tǒng)包括：渦輪增壓器1、7、中冷器3、排氣旁通閥及配套的進氣管道2，排氣管道5等。7.2廢氣渦輪增壓器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理1.渦輪機2.壓氣機3.排氣旁通閥4.潤滑油路等一、廢氣渦輪增壓器的組成1、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理二、廢氣渦輪增壓器工作原理廢氣渦輪增壓系統(tǒng)工作原理概括二、廢氣渦輪增壓器工作原理

渦輪機：將發(fā)動機所排出的高溫廢氣擁有的能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為渦輪機旋轉(zhuǎn)的機械功，進而傳給同軸的壓氣機。

壓氣機：壓縮進氣系統(tǒng)的空氣，提高進入發(fā)動機的進氣量。（1）組成進氣蝸殼2、渦輪機的組成及工作原理二、廢氣渦輪增壓器工作原理工作葉輪出氣道噴嘴環(huán)（2）工作原理二、廢氣渦輪增壓器工作原理2、渦輪機的組成及工作原理高壓廢氣動能增加噴嘴環(huán)葉片動能增加葉輪低壓廢氣出氣道排出高速旋轉(zhuǎn)進氣蝸殼3.離心式壓氣機組成及工作原理

二、廢氣渦輪增壓器工作原理（1）組成進氣道工作葉輪出氣蝸殼擴壓器擴壓器1.進氣道安裝在葉輪的進口處，其通道是收斂形的功用使氣流拐彎并以一定方向均勻進入工作葉輪,以減小流動損失此過程中氣流加速，防止出現(xiàn)拐彎分離流氣流參數(shù)變化空氣在流過它時速度增大,而壓力和溫度下降。2.工作葉輪高速旋轉(zhuǎn)的部件工作葉輪上葉片間的通道是擴張形的空氣在流過它時,對空氣作功,加速空氣的流速,同時提高空氣的壓力從結(jié)構(gòu)上葉輪分單面葉輪和雙面葉輪兩種兩面進氣,這樣可以增大進氣量對于平衡作用在軸承上的軸向力也有好處3.擴壓器位于葉輪的出口處其通道是擴張形的空氣在流過它時,速度下降,壓力和溫度都上升4.出氣蝸殼使氣流變?yōu)檩S向,將空氣引入燃燒室3.離心式壓氣機組成及工作原理二、廢氣渦輪增壓器工作原理（2）工作原理新鮮空氣葉輪吸力進入氣道流速上升葉輪通道出氣蝸殼離心力發(fā)動機進氣歧管氣壓增高（1）功能4.排氣旁通閥二、廢氣渦輪增壓器工作原理在高速時將一部分廢氣不經(jīng)渦輪機，直接排出流進消音器，減少渦輪機能量轉(zhuǎn)化，用以控制增壓器增壓壓力及渦輪機的轉(zhuǎn)速。執(zhí)行器：內(nèi)有膜片，將膜盒分成左右兩個腔體，右側(cè)受進氣增壓壓力作用，左側(cè)有彈簧；膜片通過推桿控制閥門。

閥門：控制廢氣流經(jīng)渦輪機的量。4.排氣旁通閥二、廢氣渦輪增壓器工作原理（2）組成4.排氣旁通閥二、廢氣渦輪增壓器工作原理（3）工作原理小結(jié)廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理排氣旁通閥組成及工作原理渦輪機組成及工作原理壓氣機組成及工作原理渦輪軸渦輪軸（Bearing）看起來只是簡單的一根金屬管，但實際上它是一個肩負120000-160000rpm轉(zhuǎn)動及超高溫的精密零件。其精細的加工工差、精深的材料運用和處理正是所有渦輪廠最為核心的技術(shù)。傳統(tǒng)的渦輪軸使用波司軸承（BushingBearing）結(jié)構(gòu)。它確實只是一根金屬管，其完全倚仗高壓進入軸承室的機油實現(xiàn)承托散熱，因此才能高速地轉(zhuǎn)動。

《閱讀了解》渦輪葉輪

渦輪葉輪的形狀，是以如何有效地“抱住”廢氣、并順暢排出為目的

渦輪葉輪的葉片大多以耐高熱的鋼鐵制造（有的使用陶瓷技術(shù)）壓氣機葉輪

葉片是渦輪的動力來源。但壓氣機葉輪及渦輪葉輪各有不同的功用，因此葉片外形當然也不一樣。壓氣機葉輪基本上是把如何將空氣有效率地推擠入壓縮信道視為首要任務(wù)，然后再加以決定其形狀。各部分連接關(guān)系三.渦輪機特性曲線（1）渦輪機效率

Def：渦輪機將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的有效程度。

渦輪機軸上的有用功廢氣所擁有的能量（2）膨脹比

Def：渦輪進口氣體滯止壓力與渦輪出口氣體靜壓力之比。

膨脹比：代表廢氣在渦輪中做功能力的參數(shù)。滯止過程：氣體在流動過程中，因受到某種物體的阻礙，流速降低為零的過程稱為滯止過程。氣流滯止時的壓力和溫度分別稱為滯止壓力和滯止溫度。靜壓力：空氣分子不規(guī)則運動而撞擊于管壁上產(chǎn)生的壓力。（3）氣體質(zhì)量流量

Def：單位時間內(nèi)通過渦輪的氣體質(zhì)量。

相似流量：

（4）渦輪轉(zhuǎn)速

相似轉(zhuǎn)速：無量綱無量綱（5）渦輪的特性曲線

渦輪的特性：渦輪在變工況運行時，氣流參數(shù)之間的關(guān)系。相似流量為橫坐標-X膨脹比為縱坐標-Y相似轉(zhuǎn)速為參變量

（5）渦輪的特性曲線

渦輪的特性曲線分析：①當轉(zhuǎn)速一定時，隨膨脹比增加，流量增大直至流量最大。②當噴嘴環(huán)或葉輪處氣體流速達到當?shù)芈曀伲僭龃笈蛎洷?，該處氣體流速仍保持當?shù)芈曀?流量不在增加，稱渦輪的阻塞現(xiàn)象，該流量稱阻塞流量。噴嘴環(huán)處最易發(fā)生流量阻塞。③當膨脹比不變，轉(zhuǎn)速增加時，由于離心力的增加使得葉輪處進口處壓力增大，從而使得噴嘴環(huán)出口氣體流速下降，噴嘴環(huán)前后壓差減少，流量降低。④當流量不變時，轉(zhuǎn)速增加膨脹比增大。四、壓氣特性曲線

12（n高）3

（漸擴）4（漸擴）空氣沿收斂的軸向進氣道1略有加速進入工作輪2，并沿這工作輪上的葉片所構(gòu)成的漸擴通道3流動，空氣與工作輪一起旋轉(zhuǎn)，工作輪的機械能傳遞給空氣，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，使氣體沿螺旋線軌跡（蝸殼4）向輪緣方向運動。1、主要參數(shù)

①增壓比②流經(jīng)壓氣機的單位流量③壓氣機轉(zhuǎn)速④壓氣機的絕熱效率

Def：1kg空氣的絕熱壓縮功與實際壓縮功之比。質(zhì)量流量mk容積流量V02．壓氣機特性曲線（1）流量特性：表示在壓氣機轉(zhuǎn)速不變時，壓氣機的增壓比πk和絕熱效率ηad-k隨空氣流量mk（或V0）的變化關(guān)系。分析：壓氣機在轉(zhuǎn)速不變時，其效率及壓力比隨流量變化的關(guān)系。沿等轉(zhuǎn)速線，壓氣機的效率和壓力比先隨流量增加，在某一流量達到最大值，然后又下降。（2）壓氣機的喘振與堵塞在壓氣機的特性曲線上有一條喘振線，又稱為穩(wěn)定工作邊界。含義：當壓氣機工作在喘振線右側(cè)時，其工作是穩(wěn)定的；而當處于喘振線左側(cè)時，壓氣機的功作就變得不穩(wěn)定甚至有危險了。因此，把出現(xiàn)喘振的工作點稱為喘振點，對應(yīng)的流量就是喘振流量。喘振是離心式葉輪機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，通過壓氣機的氣體流量隨增壓比的降低而增加。當流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機通道中的某個截面達到臨界條件（M=1）。當增壓比繼續(xù)降低時，氣體流量卻不再增加，此時的氣體流量稱為堵塞流量，它也是該轉(zhuǎn)速下壓氣機所對應(yīng)的最大流量。3．通用特性流量折合成標準大氣狀態(tài)下的參數(shù)值。7.3廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本類型恒壓系統(tǒng)脈沖系統(tǒng)渦輪機中燃氣可以充分膨脹，因此如利用渦輪機的特點，使得廢氣的能量利用最大。廢氣能量利用的基本形式：恒壓系統(tǒng)和變壓系統(tǒng)。

1、恒壓系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)特點

排氣總管的容積較大。（2）廢氣能量利用特點

A、系統(tǒng)壓力波動??；

B、低增壓時，廢氣能量利用效率低；

C、高增壓時，廢氣能量利用充分。

2、變壓系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)特點

排氣總管的容積較小，各缸排氣歧管交錯。（2）廢氣能量利用特點

A、系統(tǒng)壓力波動大；

B、廢氣能量利用數(shù)量多

C、高增壓時，廢氣能量利用充分的優(yōu)點不明顯。3.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，當柴油機負荷改變時，排氣的壓力波立刻發(fā)生變化，并迅速傳遞到渦輪機，引起增壓器轉(zhuǎn)速較快的變動，所以脈沖系統(tǒng)的加速性能好。４）從廢氣渦輪的效率來看，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)的廢氣瞬時流量也是周期性變化的，其瞬時最大流量比恒壓系統(tǒng)的流量（相當于脈沖系統(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)也復雜，受每根排氣管聯(lián)接氣缸數(shù)目的限制，在一臺柴油機上有時不得不采用幾個廢氣渦輪增壓器，這就使得整個增壓系統(tǒng)變得復雜，柴油機的輪廓尺寸加大。

綜上：在低增壓時，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大部分時間在部分負荷（增壓壓力較低）下工作，對其轉(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上仍常采用脈沖增壓系統(tǒng)。結(jié)論：7.4.2廢氣放氣閥（排氣旁通閥）車用增壓內(nèi)燃機為獲得低速大轉(zhuǎn)矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內(nèi)燃機低速、小流量設(shè)計。轎車用增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定轉(zhuǎn)速的40%左右。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60%左右。高速時，將會使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機爆發(fā)壓力過大，汽油機容易引起爆震。為此，設(shè)計增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。2.進氣回流增壓器（進氣旁通）為避免由于負荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機進口裝上整體式的回流閥。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、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，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，以增加通過壓氣機的空氣量。3.可變進氣道增壓器低速時使用一個進氣通道；高速時，進氣量大，使用兩個通道，可以改善增壓發(fā)動機的過渡性能?？勺冞M氣道增壓器性能4.可變噴嘴環(huán)增壓器低速時，噴嘴角度小，流通截面??；高速時噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達到壓氣機的需求。各噴嘴環(huán)1通過軸銷2固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動桿3與噴嘴控制盤4相連。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5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來調(diào)整渦輪流通截面。5.可變渦輪喉口截面增壓器1.壓氣機；2.可變喉口截面調(diào)整板；3.調(diào)整板及調(diào)整機構(gòu)；4.操縱機構(gòu)；5.操縱機構(gòu)控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大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，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，渦輪效率最大?？勺兒砜诮孛婵刂瓢蹇梢杂呻姶砰y進行無級調(diào)整。6.可變?nèi)~片增壓器可變噴嘴環(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。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1.經(jīng)濟性改善高負荷區(qū)——明顯改善低負荷區(qū)——不明顯A、利于常高速滿載運行的長途運輸重型載貨汽車B、利于常處于中等、部分負荷的中型、輕型載貨車輛轉(zhuǎn)速負荷特性：減少機械損失、磨損改善整機經(jīng)濟性能提高可靠性及使用壽命2.降低排氣污染和噪聲有害氣體的排放減少（1/2~2/3）滯燃期縮短，減少噪聲3.低速轉(zhuǎn)矩性能變差低速：排氣量少，供氣不足轉(zhuǎn)矩性能差。4.加速性能變差氣路連接

+增壓器慣性

+加速過程限制供油（煙度）使得發(fā)動機的加速性變差。措施：采用脈沖增壓系統(tǒng)發(fā)動機對負荷與轉(zhuǎn)速的迅速響應(yīng)，對車輛的安全性、經(jīng)濟性都是有利的。但增壓發(fā)動機由于廢氣渦輪增壓器與內(nèi)燃機沒有機械聯(lián)系，增壓器自身的慣性使其對突變負荷的響應(yīng)能力變差。5.啟動與制動有一定困難1）廢氣增壓發(fā)動機在啟動時，由于沒有高溫廢氣產(chǎn)生，導致增壓器無法正常工作，則壓氣機不能正常供氣。在啟動瞬間，由于進氣壓力與溫度均不高，在加上壓縮比較低，使得壓縮終點溫度降低，造成著火與啟動困難。2）制動力不足7.5