汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第四章.ppt

第一节概述第二节废气涡轮增压器的基本结构及原理第三节废气能量的利用第四节涡轮增压器与柴油机的匹配第五节工程应用实例(文摘)第四章发动机废气涡轮增压第一节第一节 概述概述 增压增压:利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增加大，使实际充气量增加,提高发动机功率和改善经济提高发动机功率和改善经济性。性。增压分类增压分类:按增压比（按增压比（增压后气体压力与增压前气体压力之比增压后气体压力与增压前气体压力之比 ）低增压：低增压：1.31.6，700 1000kPa；中增压：中增压：1.62.5，10001500kPa；高增压：高增压：2.5，1500kPa；超高增压超高增压 4.55.5，25003500kPa。(1)机械增压机械增压系统系统 发动机输出轴直接驱发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进动机械增压器，实现对进气的压缩。气的压缩。增压器有：离心式增压器有：离心式压气机、罗茨式压气机、压气机、罗茨式压气机、螺旋转子式压气机或滑片螺旋转子式压气机或滑片转子式压气机等。转子式压气机等。用于小功率发动机。用于小功率发动机。图3-1按增压系统的结构形式按增压系统的结构形式：罗茨式压气机(2)废废气涡轮增压气涡轮增压系系统统 压气机与涡轮压气机与涡轮同轴相连，构成涡同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在轮增压器。涡轮在排气能量的推动下排气能量的推动下旋转，带动压气机旋转，带动压气机工作，实现进气增工作，实现进气增压。压。广泛应用于柴广泛应用于柴油机。油机。涡轮增压的原理涡轮增压的原理 红色为高温废气，蓝色为新鲜空气红色为高温废气，蓝色为新鲜空气废气涡轮增压器废气涡轮增压器()复复合合增增压压系统系统将将废废气气动动力力涡涡轮轮与与废废气气涡涡轮轮增增压压器器串串联联起起来来工工作作，称称为为复复合合式式增增压系统。压系统。(4)组组合增压合增压系统系统 组合式涡轮增压组合式涡轮增压系统由废气涡轮增系统由废气涡轮增压与进气惯性增压压与进气惯性增压组合而成。在该增组合而成。在该增压系统中，除废气压系统中，除废气涡轮增压器外，还涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振有由稳压箱、共振管、共振室等构成管、共振室等构成的进气惯性增压系的进气惯性增压系统，利用压力峰值统，利用压力峰值,进一步提高增压后进一步提高增压后的进气压力。的进气压力。()气波增压气波增压系统系统 所谓气波增压，所谓气波增压，是由曲轴驱动一个特是由曲轴驱动一个特殊转子，在转子中废殊转子，在转子中废气直接与空气接触，气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相气波迫使空气在互相不混合的情况下受到不混合的情况下受到压缩压缩利用进气及利用进气及排气系统中的波动效排气系统中的波动效应来压缩进气。从而应来压缩进气。从而提高进气压力。提高进气压力。增压度增压度是指发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比。增压比增压比是指增压后空气压力与增压前的空气压力之比增压发动机按照增压比的大小可以分为：低增压，.，中增压，.，高增压，.，增压的优点增压的优点1.比质量小、升功率大比质量小、升功率大2.降低造价、提高材料利用率降低造价、提高材料利用率 3.排气噪声降低、燃烧噪声降低排气噪声降低、燃烧噪声降低4.有利于高原等稀薄条件工作有利于高原等稀薄条件工作5.排放降低排放降低6.适用性广适用性广增压的缺点增压的缺点1.热负荷与机械负荷大热负荷与机械负荷大2.低速时转矩受影响低速时转矩受影响3.加速响应性差加速响应性差4.增压器对发动机性能优化的限制增压器对发动机性能优化的限制一、径流式涡轮的工作原理一、径流式涡轮的工作原理1燃气在涡轮机中的流动燃气在涡轮机中的流动 离心式压气机径流式涡轮中间体 废气从工作叶轮转子的外缘由进废气从工作叶轮转子的外缘由进气蜗壳流入，经过一系列工作路径后气蜗壳流入，经过一系列工作路径后从涡轮中心轴向流出。从涡轮中心轴向流出。在涡轮工作叶轮中，叶片之间的在涡轮工作叶轮中，叶片之间的通道也是呈渐缩状，气体在通道中将通道也是呈渐缩状，气体在通道中将继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时，气流转弯。由于离心力作用的结时，气流转弯。由于离心力作用的结果，在叶面的凹面上压力得到提高，果，在叶面的凹面上压力得到提高，而在凸面则降低。作用在叶片表面的而在凸面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生了转矩。此时，压力的合力，产生了转矩。此时，在在工作轮出口处压力、温度以及速度均工作轮出口处压力、温度以及速度均下降，而出口处的气体速度已经大大下降，而出口处的气体速度已经大大小于进口速度，气体膨胀所获得的动小于进口速度，气体膨胀所获得的动能已大部分传给了工作叶轮。能已大部分传给了工作叶轮。第二节废气涡轮增压器的基本结构及原理涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气所拥有的能量的比所拥有的能量的比 2.涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线1)涡轮机参数涡轮机参数(1)涡轮效率涡轮效率 膨胀比膨胀比为涡轮进口气体滞止压力与涡轮为涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口气体静压力之比出口气体静压力之比(2)膨胀比膨胀比(4)相似相似转速转速(3)相似流量相似流量 相似流量相似流量 为为气体气体质质量流量，量流量，为为滞止温度，滞止温度，为为气体滞止气体滞止压压力。力。n为为涡轮涡轮转速转速相似相似转速转速涡轮机所发出的功率涡轮机所发出的功率 2）涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线图图39 涡轮机的特性涡轮机的特性 涡轮机特性曲线：涡轮机特性曲线：以相以相似流量为横坐标，以膨似流量为横坐标，以膨胀比为纵坐标，以相似胀比为纵坐标，以相似转速为参变量的一组曲转速为参变量的一组曲线。线。转速一定，相似流量随转速一定，相似流量随膨胀比的增大而增大，膨胀比的增大而增大，直到达到流量最大值，直到达到流量最大值，即达到了当地声速，即即达到了当地声速，即使再继续增大膨胀比，使再继续增大膨胀比，该处的气流速度仍维持该处的气流速度仍维持当地声速，涡轮流量也当地声速，涡轮流量也不会再增加。不会再增加。二、离心式压气机的工作原理与特性二、离心式压气机的工作原理与特性图图310 离心式压气机简图离心式压气机简图1进气道；进气道；2工作轮；工作轮；3扩压器；扩压器；4出气蜗壳出气蜗壳基本工作原理基本工作原理：空气沿：空气沿收敛型的轴向进气道略收敛型的轴向进气道略有加速地进入工作轮，有加速地进入工作轮，并沿着工作轮上叶片所并沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，由于构成的通道流动，由于工作轮中的空气随工作工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工作轮的轮一起旋转，工作轮的机械能传递给气体，转机械能传递给气体，转变为气体的动能，使气变为气体的动能，使气体运动的线速度增大，体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所使之能克服气体微团所受径向压差的作用，而受径向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动，达到了增压方向运动，达到了增压的目的。的目的。主要参数：主要参数：1）增压比）增压比 2）流）流经压经压气机的每秒气机的每秒质质量流量量流量或容或容积积流量流量3）压压气机气机转转速速 4）压压气机的气机的绝热绝热效率效率定定义为义为1kg 空气的空气的绝热压缩绝热压缩功功与实际压缩功与实际压缩功之比。之比。压气机特性曲线压气机特性曲线：图图313 离心式压气机的流量特性离心式压气机的流量特性()压压气机的流量特性气机的流量特性 压压气机的流量特性是表示气机的流量特性是表示压压气气机机转转速速不变时，压气机的增压比和不变时，压气机的增压比和绝热效率随空气流量的变化关系。绝热效率随空气流量的变化关系。(1)压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞 压气机的喘振压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧当压气机工作在喘振线右侧时，其工作是稳定的；而当处于喘时，其工作是稳定的；而当处于喘振线左侧时，压气机的工作就变得振线左侧时，压气机的工作就变得不稳定甚至有危险了。不稳定甚至有危险了。压气机的堵塞压气机的堵塞 当增压比继续降低时，气体当增压比继续降低时，气体流量却不再增加，此时的气体流量流量却不再增加，此时的气体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压称为堵塞流量，它也是该转速下压气机所对应的最大流量。气机所对应的最大流量。10ZJ型涡轮增压器废气涡轮增压器结构废气涡轮增压器结构涡轮增压器的结构涡轮增压套件半开式工作轮.恒压增压系统 恒压增压系统结构特点是有一根尺寸较大的排气总管，所有气缸的排气均流入总管。由于总管尺寸大，同时各缸排气相互交替补充，使排气管内压力波动很小，进入涡轮机前的压力基本稳定，如图-所示。第三节废气能量的利用图-涡轮增压柴油机的排气压力曲线)脉冲系统)恒压系统2.恒压与脉冲两种增压系统的比较)由于脉冲系统部分利用了废气脉冲能量，所以系统的可用能量比恒压系统大。)脉冲增压系统扫气效果好，因为脉冲系统在扫气时废气压力P正处于低谷，大于恒压系统的(PP)。)脉冲系统的加速性能好，因为其排气系统容积小，当柴油机负荷改变时，排气压力波动立刻发生变化，并迅速传到涡轮机，引起涡轮机转速变化。)脉冲系统的绝热效率较低，这是因为该系统有较大的流动损失、撞击损失和部分进气损失。)脉冲系统的涡轮尺寸大，这是因为脉冲系统流量是脉动的，最大瞬时流量比恒压系统大。.增压系统的选择 增压系统的选择原则是：低增压时选择脉冲系统，高增压时选用恒压系统。车用发动机均选用脉冲增压系统，这是因为车用发动机大部分时间在部分负荷下工作，对转矩特性和加速性能等要求较高的缘故。第四节涡轮增压器与柴油机的匹配一、柴油机选配涡轮增压器的要求)柴油机应能达到预定的动力性和经济性指标，涡轮增压器应能供给柴油机所需的增压压力和空气流量。)涡轮增压器应能在柴油机的各种工况下稳定的工作，压气机不应出现喘振现象，涡轮机不出现堵塞现象。)涡轮增压器在柴油机的各种工况下都能高效率的运行。)涡轮增压柴油机在各种工况下都能可靠的工作。二、离心式压气机特性线的调整方法.流量范围的选择图-涡轮增压器的工作范围.移动喘振线位置)改进叶片扩压器进口构造角。)改变叶片的宽度。)控制压气机的堵塞三、增压发动机在结构上的变动.增大供油量，调整供油系增大循环供油量，但必须保证不增加供油持续角。否则燃烧过程拉长，经济性变差，排气温度升高，热负荷增加。.改变配气相位)合理地加大气门重叠角，以增加扫气空气，冷却受热零件，降低热负荷，提高充气效率，改善涡轮的工作条件。)为使充气效率提高，可增大进、排气门的升程，为避免气门碰撞活塞，活塞顶部可挖凹坑。)改进气门和气门座的结构和材质，以提高其耐磨性。.减小压缩比，增大过量空气系数)为了降低最高爆发压力，压缩比可适当降低。)增加过量空气系数，其目的在于降低热负荷和改善经济性。.进、排气系统 脉冲系统中，为了使扫气期间各缸排气不致互相干扰，排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠。四冲程机一根排气管所连接气缸数目一般不超过三个，三个气缸的排气期必须合理岔开。.冷却增压空气 增压空气冷却，一方面可提高进入气缸的空气密度，提高功率，同时也降低了热负荷和排气温度。试验表明，增压空气温度每降低，柴油机的循环平均温度可降低，在压比为.时，供气量能比不用中冷器时提高，发动机的动力性和经济性都会得到改善。冷却增压空气的方法有水冷和空气冷却两种。.增压技术应用实例表-与柴油机性能及结构比较图-型与型性能对比一、增压前后发动机动力性及经济性的变化一、增压前后发动机动力性及经济性的变化 增压后平均指示压力提高。增压后平均指示压力提高。增压后机械效率提高。增压后机械效率提高。增压后内燃机的充量系数是增大的。增压后内燃机的充量系数是增大的。二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响.降低排气污染和噪声降低排气污染和噪声 通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体HC和和CO的排放量一般为非增压机的的排放量一般为非增压机的13l2，如果措，如果措施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NOx 排放量也显著降低。排放量也显著降低。四、增压发动机性能2.低速转矩性能变差低速转矩性能变差 主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。3.加速性能变差加速性能变差 由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外利用车辆上空动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外利用车辆上空气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射4.起动与制动有一定困难起动与制动有一定困难 柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工作，压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的作，压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高再加上增压柴油机的压缩比较低，进气压力及温度均不高再加上增压柴油机的压缩比较低，使起动时压缩终点的温度降低造成着火与起动困难。使起动时压缩终点的温度降低造成着火与起动困难。一般非增压机改为增压机后，转速均有所降低，这时，一般非增压机改为增压机后，转速均有所降低，这时，车辆后桥传动比也应作相应改动。车辆后桥传动比也应作相应改动。从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。限制汽油机压的主要技术障碍：限制汽油机压的主要技术障碍：.爆燃爆燃 汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将促使爆燃的发生，限制汽油机增压。促使爆燃的发生，限制汽油机增压。采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决。五、汽油机增压的困难带中冷器的废所涡轮增压系统图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。.混合气的调节混合气的调节 汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新问题。问题。.热负荷热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，废气温度也比柴油机高比小，废气温度也比柴油机高200300。增压。增压后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。.对增压器的特殊要求对增压器的特殊要求 汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，还要求有还要求有增压调节装置增压调节装置，这就造成它的成本比柴油，这就造成它的成本比柴油机用增压器要高。机用增压器要高。第五节工程应用实例(文摘)一、设计根据.市场需求与设计参数表-与柴油机主要结构参数与性能指标.493ZQ基本特点)高速性好。)高转矩。二、增压系统的确定及排气管内脉冲能量的计算1.增压系统的确定 众所周知，车用发动机采用脉冲废气涡轮增压系统，具有废气能量利用得好，加速性能好的特点。车用发动机在低速大转矩工况时，为克服瞬时超载的要求，匹配点应选在最大转矩点并兼顾标定点。选择增压器首先要求压气机效率高，且高效率区宽广，采用前倾后弯式短叶片，用不带喷嘴环的涡壳结构，以适应变工况的需要；为满足汽车的加速性，增压器转子尽量小，以取得较小的转动惯量；为保证压比和流量，增压器转子转速要高。2.排气管内废气能量的计算 计算包括排气门开启相对瞬时压力系数P、排气门开启规律影响系数、气缸排空率、排气管截面积影响系数、排气管长度影响系数、涡轮流通特性系数。三、涡轮增压器的选择图-涡轮增压器特性线与柴油机联合运行线四、进、排气管的设计.排气管的设计 若把排气管的作用看成是一个具有一定容积的流入与排空过程，排气管中压力波的形状和反射时间就取决于排气管的容积、长度、截面积和涡轮流通截面。因此排气管的设计主要是对上述结构参数的确定。.进气管的设计 设计原则是为改善扫气效果，进气管压力应力求稳定，减小波动，在结构允许的情况下，容积应尽量大，管道内壁应光滑，转弯圆滑。五、试验及结论图-柴油机外特性曲线