发动机废气涡轮增压(1).ppt
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1、本章要求:本章要求:了解:了解:发动机增压方式。发动机增压方式。理解:理解:涡轮增压器的结构和工作原理。涡轮增压器的结构和工作原理。第三章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压w增压:增压:为提高平均有效压力以为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度增加气缸内封存气体密度的方法。的方法。(广义上,凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度(广义上,凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法,都称为增压。)的一切方法,都称为增压。)w目的:目的:通过增加充气量,以通过增加充气量,以提高功率提高功率,改善经济性和排放性,改善经济性和排放性w提高发动机功率的途径:提高发动机
2、功率的途径:第一节第一节 概述概述改变结构参数。增加改变结构参数。增加i、Vh(D、S),减少,减少,但体,但体积积和重量增和重量增加加提高提高转转速。但充量系数和机械效率减少,机件寿命减少,噪速。但充量系数和机械效率减少,机件寿命减少,噪音大音大提高平均有效提高平均有效压压力力Pme。提高平均有效压力提高平均有效压力Pme 方法:方法:减少过量空气系数、提高充量系数、增加充气密度减少过量空气系数、提高充量系数、增加充气密度(增压)(增压)增压度增压度k:发动机在增压后增长的功率与增压前功率:发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比之比k范围为范围为10%60%。大部分为。大部分为20%30%
3、。增压比增压比 k:进入气缸的气体压力:进入气缸的气体压力Pk与大气压力与大气压力P0之比之比增压的范围增压的范围:低增压低增压:k 1.31.6(内燃机平均有效压力(内燃机平均有效压力pme0.710MPa)中增压中增压:k 1.62.5(pme1.01.5MPa)高增压高增压:k 2.5 (pme 1.5MPa););超高增压超高增压:k 4.55.5(pme2.53.5MPa)。)。增压中冷技术增压中冷技术w增压空气增压空气温度增加温度增加,在柴油机中引起,在柴油机中引起增压条件下进气密增压条件下进气密度减小度减小,即在保持不变过量空气系数,即在保持不变过量空气系数下,意味着功率下下,意
4、味着功率下降,不然需要进一步提高增压压力,但柴油机降,不然需要进一步提高增压压力,但柴油机机械负荷机械负荷又要增加又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃烧,但却使燃烧室内受热零件的烧,但却使燃烧室内受热零件的热负荷增加,排温过高,热负荷增加,排温过高,NOx增加增加。汽油机中增压温度升高,除与柴油机一样功。汽油机中增压温度升高,除与柴油机一样功率下降外,最主要的是率下降外,最主要的是爆震倾向增加爆震倾向增加。w一般,当增压空气的压力超过一般,当增压空气的压力超过1.5MPa时,就值得采用时,就值得采用中冷。中冷。w解决空气温度过高的办法就是采用
5、中冷器冷却增压后的解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气空气。w增压空气温度每降低增压空气温度每降低20K,涡轮前的废气温度约可降低涡轮前的废气温度约可降低20K,燃油消耗率可减少燃油消耗率可减少3g/kW.h。内燃机增压的优缺点内燃机增压的优缺点w改善了发动机性能:改善了发动机性能:提高了内燃机机械效率;提高了内燃机机械效率;提高了内燃机的指示热效率;提高了内燃机的指示热效率;改善了燃烧过程。改善了燃烧过程。w增加了发动机的升功率;增加了发动机的升功率;w扩大了内燃机高原适应性:扩大了内燃机高原适应性:w有利于降低有害气体排放和噪声。有利于降低有害气体排放和噪声。(HC降低,高
6、负荷的降低,高负荷的NOx降低,空气充足使碳烟有所降低,空气充足使碳烟有所降低;温度高使着火延迟期缩短)降低;温度高使着火延迟期缩短)w增加了柴油机的增加了柴油机的机械负荷;机械负荷;w增加了柴油机的增加了柴油机的热负荷;热负荷;w增加了汽油机的增加了汽油机的爆燃倾向。爆燃倾向。优点:优点:缺点:缺点:、机械增压、机械增压w由曲轴经过齿轮增速箱驱由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机。动压气机。w机械增压增压压力高,压机械增压增压压力高,压气机消耗的功率大。为使气机消耗的功率大。为使内燃机机械效率不要过分内燃机机械效率不要过分下降,增压压力下降,增压压力Pk不能过不能过高。高。Pk 160170 kP
7、aw主要用途:主要用途:提高发动机低提高发动机低速转矩速转矩机械增压器的种类机械增压器的种类w机械增压所用的压气机除离心式压气机外,在车用内机械增压所用的压气机除离心式压气机外,在车用内燃机上常用容积式压气机:燃机上常用容积式压气机:罗茨式;螺杆式;转子活塞式。罗茨式;螺杆式;转子活塞式。、废气涡轮增压、废气涡轮增压w废气涡轮增压利用废气涡轮增压利用内燃机排气中能量内燃机排气中能量来实现增压,来实现增压,油耗油耗率可低率可低5%5%10%10%。w质量功率和体积功质量功率和体积功率比非自然吸气内率比非自然吸气内燃机明显改善,燃机明显改善,一一般可提高功率般可提高功率20%-20%-50%50%
8、,易实现高增,易实现高增压压。w可降低排气噪声和可降低排气噪声和烟度烟度。废气涡轮增压的分类废气涡轮增压的分类w废气涡轮增压器主要由压废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮组成。气机和废气涡轮组成。w压气机主要是离心式的。压气机主要是离心式的。w废气涡轮分:废气涡轮分:轴流式;轴流式;径流式;径流式;斜流式(混流式)。斜流式(混流式)。w由于发动机排气能量利由于发动机排气能量利用的不同,有两种经典用的不同,有两种经典的、基本的增压形式:的、基本的增压形式:脉冲涡轮增压脉冲涡轮增压;等压涡轮增压等压涡轮增压。3、复合增压、复合增压4、气波增压、气波增压w气波增压是通过气波增压器利气波增压是通过气波
9、增压器利用气体质点和压力波的反射特用气体质点和压力波的反射特性,使排气和进气之间进行直性,使排气和进气之间进行直接的能量交换,以增大进气密接的能量交换,以增大进气密度。度。w气波增压对内燃机工况反应迅气波增压对内燃机工况反应迅速,使气波增压的加速性好,速,使气波增压的加速性好,且低速时空气的压缩程度高,且低速时空气的压缩程度高,低速转矩好。工作温度低,不低速转矩好。工作温度低,不需要耐高温材料。但体积大,需要耐高温材料。但体积大,噪声大,安装位置受到一定限噪声大,安装位置受到一定限值。匹配要求高,防止窜烟。值。匹配要求高,防止窜烟。、谐波增压、谐波增压ACIS双增压器顺序增压双增压器顺序增压w
10、多缸发动机上使用两台增压器。多缸发动机上使用两台增压器。w在低速时,使用一台增压器以提高废气能量利用效率,改善低速在低速时,使用一台增压器以提高废气能量利用效率,改善低速反应性能。反应性能。w在中高速时,使用两台增压器以保证发动机功率输出。在中高速时,使用两台增压器以保证发动机功率输出。第二节第二节 增压器增压器径流式涡轮的工作原理径流式涡轮的工作原理燃气在涡轮机中的流动:废气在进气涡壳的引燃气在涡轮机中的流动:废气在进气涡壳的引导下均匀地进入涡轮,并推动涡轮高速旋转,导下均匀地进入涡轮,并推动涡轮高速旋转,实现压力能与机械能的转换,低压废气从涡实现压力能与机械能的转换,低压废气从涡轮中心轴向
11、流出。轮中心轴向流出。喷嘴叶片环上均匀安装带有一定倾角的叶片喷嘴叶片环上均匀安装带有一定倾角的叶片组成多个渐缩通道,使部分压力能转变为动组成多个渐缩通道,使部分压力能转变为动能,便于高速气流均匀而有序地进入涡轮叶能,便于高速气流均匀而有序地进入涡轮叶轮。轮。离心式压缩机工作原理离心式压缩机工作原理主要参数主要参数:压气机转速:压气机转速增压比增压比 k=pk/p0质量流量质量流量mk或容积流量或容积流量V0压气机转速压气机转速nk 每分钟可达几万转甚至十几万转每分钟可达几万转甚至十几万转压气机的绝热效率压气机的绝热效率压气机特性曲线压气机特性曲线压气机转速压气机转速不变时不变时,各特性与各特性
12、与空气流量空气流量间的关系间的关系压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞 压气机流量很小时,气流会出现强烈的振荡,引压气机流量很小时,气流会出现强烈的振荡,引起工作轮叶片强烈振动,并产生很大的噪声,压气起工作轮叶片强烈振动,并产生很大的噪声,压气机的出口压力显著下降,并伴随很大的压力波动,机的出口压力显著下降,并伴随很大的压力波动,此现象称为压气机的喘振。此现象称为压气机的喘振。当压气机工作在喘振线右侧时当压气机工作在喘振线右侧时,其工作是稳定的;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不稳而当处于喘振线左侧时,压气机的工作就变得不稳定甚至有危险了。定甚至有危险了。随着流量和转速
13、的增加,喘振点对应的增压比是随着流量和转速的增加,喘振点对应的增压比是向增大方向移动的向增大方向移动的在压气机的某一转速下在压气机的某一转速下,通过压气机的气通过压气机的气体流量随增压比的降低而增加。当流量增体流量随增压比的降低而增加。当流量增加到一定数值后加到一定数值后,压气机通道中的某个截压气机通道中的某个截面达到临界条件。当增压比继续降低时,面达到临界条件。当增压比继续降低时,气体流量却不再增加,此时的气体流量称气体流量却不再增加,此时的气体流量称为堵塞流量,也是该转速下压气机所对应为堵塞流量,也是该转速下压气机所对应的最大流量。的最大流量。可变进气道增压器可变进气道增压器w低速时使用一
14、个进气低速时使用一个进气通道;高速时,进气通道;高速时,进气量大,使用两个通道,量大,使用两个通道,可以改善增压发动机可以改善增压发动机的过渡性能。的过渡性能。可变进气道增压器性能可变进气道增压器性能可变喷嘴环增压器可变喷嘴环增压器w低速时,喷嘴角低速时,喷嘴角度小,流通截面度小,流通截面小;高速时喷嘴小;高速时喷嘴角度大,流通截角度大,流通截面能保证涡轮从面能保证涡轮从废气中获取足够废气中获取足够能量达到压气机能量达到压气机的需求。的需求。各喷嘴环各喷嘴环1通过轴销通过轴销2固定在涡壳固定在涡壳5上,再经传动杆上,再经传动杆3与喷嘴控制盘与喷嘴控制盘4相相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角
15、度。连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。通过调整涡壳通过调整涡壳5与涡与涡轮叶轮轮叶轮6之间的喷嘴之间的喷嘴环角度来调整涡轮流环角度来调整涡轮流通截面。通截面。可变喷嘴环增压器特性可变喷嘴环增压器特性w左图中左图中是喷嘴环角是喷嘴环角度以此减小的情况。随着度以此减小的情况。随着内燃机转速下降,压气机内燃机转速下降,压气机的增压压力不但没有下降,的增压压力不但没有下降,反而提升到高转速水平,反而提升到高转速水平,从而保证增压内燃机的低从而保证增压内燃机的低速性能。速性能。w可调喷嘴环用于增压器与可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配。通过内燃机的高速匹配。通过可调喷嘴环改善低速性能。可调喷嘴
16、环改善低速性能。可变涡轮喉口截面增压器可变涡轮喉口截面增压器1.压气机;压气机;2.可变喉口截面调整板;可变喉口截面调整板;3.调整板及调整机构;调整板及调整机构;4.操纵机操纵机构;构;5.操纵机构控制电磁阀;操纵机构控制电磁阀;6.涡轮;涡轮;A.最小喉口截面;最小喉口截面;B.最大喉最大喉口截面口截面低速高速可变涡轮喉口截面增压器工作原理可变涡轮喉口截面增压器工作原理w可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数,从而改变从废气中获取改变进入涡轮的状态参数,从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速,
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