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太原理工大学硕士研究生学位论文 一 发动机废气涡轮增压 摘要 本文主要研究发动机的废气涡轮增压及增压系统。 根据国内、外的有关文献，阐述了在发动机为了提高功 率、扭矩以及适应高原空气稀薄环境进行增压的必要性和可 能性。 介绍了废气涡轮增压系统中各组成部件的作用及工作 原理；介绍了增压器的结构和工作原理；发动机进行废气涡 轮增压时对进排气系统要求以及增压器在发动机上的安装 方法。 通过具体的试验数据和曲线详细介绍了废气涡轮增压 的增压器和发动机的匹配过程；详细介绍了以知发动机选配 增压器的计算方法、选配过程和发动机增压时进排气系统的 改进设计及增压器的改进设计。 提出了目前汽油机增压的难点、可能遇到的问题和针对 这些问题应采取的措施。 关键词：废气涡轮增压，发动机，增压器，工作原理，进排 气系统 i 苎生塑坚：兰! 兰堡圭翌壅兰堂焦笙塞 s t u d yo n t u r b o c h a r g e ro f e n g i n e a b s t r a c t ln l s p a p e rs t u d i e s o nt h e e x h a u s t - g a s t u r b o c h a r g e ro f e n g i n ea n dt h et u r b o c h a r g e r s y s t e m a 。c o r d i n g t ot h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nr e f e r e n c e s t h i s p a p e 。e x p a t i a t e so ni m p r o v i n g p o w e r , t o r q u ea n dt h en e c e s s i t v a n dp o s s i b i l i t yo fr e a l i z i n g t u r b o c h a r g e rm a d e rt h e a l t i p l a n o e n v i r o n m e n tw h e r et h ea i ri sv e r y t h i n t h ea c t i o n a n d o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f c o m d o n e n t s a 8 m b l y i nt h e t u r b o c h a r g e rs y s t e m ，t h e s t r u c t u r eo f t u r b o c h a r g e r , t h e r e q u i r e m e n tt oe x h a u s ta i r s y s t e mw h e n m a t 。h l n gt u r b o c h a r g e ra n dt h em e t h o dt h et u r b o c h a r g e ra d i u s t o nt n ee n g i n ea r ea l li n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r _ t h r o u g ht h ed e t a i l e dt e s td a t aa n d g r a p h i cc h a r t ，t h i s p a p 盯g a v e st h em a t c h i n gp r o c e s sb e t w e e nt h et u r b o c h a 理e ro f t h ee x h a u s t 。g a st u r b o c h a r g e ra n d t h ee n g i n e i na d d i t i o nt o t h e o o m p u t a t i o n a l m e t h o d ，c h o o s i n g & m a t c h i n gp r o c e s sw h e n c h o o s m gt u r b o c h a r g e rf r o mt h eg i v e n e n g i n ea n dt h ei m p r o v e d d e s l g no f e x h a u s t g a ss y s t e ma n d t u r b o c h a r g e r a r eg i v e n 1h i s p a p e r a l s o p u t s f o r w a r dt o t h ec u r r e n t d m i c u l c t t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a t c h i n gt u r b o c h a r g e r t o e n g i n e o f g a s o l i n e ，p r o b l e m s a p p e a r i n gp o s s i b l ea n dt h ee f f e c t i v em e a s u r e sr e s o l v i n gt h e s e q u e s t i o n s k e y w o r d ：e x h a u s t g a st u r b o c h a r g e r ,e n g i n e ，o p e r a t i n g p r i n c i p l e ，h a n d l i n g & e x h a u s tg a ss y s t e m i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章发动机增压概论 1 发动机增压的目的和作用 现代各种动力装置对动力性能的要求越来越高，因此就要求发动 机不断提高其强化程度。说明发动机强化程度的主要动力指标是升功 率。，可用下式表示： 札= 孚 ( 1 - 1 ) 式中 只一平均有效压力 f 一发动机冲程系数 n 一发动机标定转速，r m i n 在一定的冲程系数f 时，升功率可有两种方式提高，提高平均有 效压力只或提高标定转速n 。提高转速n 的幅度不大，因受到燃烧恶 化，容积效率和机械效率的急剧降低、使用可靠性降低、工作寿命减 短以及发动机振动和噪声加大等原因的限制。”1 一般中型高速柴油机 的转速不超过3 0 0 0 r m i n ，相应的活塞平均速度c 。为1 2 1 3 m s ；汽油 机的转速一般也不超过6 0 0 0 r m i n 。提高升功率的第二个途径是提高 平均有效压力只。所幸的是，提高只时发动机机械负荷及热负荷不成 比例增加，因此允许只作大幅度提高，甚至可成倍增长。 只= 二争叩，巩仉p ，p a ( 1 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中 日。一燃料低热值 口一过量空气系数 上0 一燃烧l k g 燃料所需理论空气量 矾一发动机指示效率 一发动机机械效率 玑一发动机的充气效率 岛一气缸中的充气密度 式中，日。及上。是常数，而对于非增压四冲程柴油机吼= o 4 3 0 5 0 ；仉= o 7 8 0 8 5 ；玑= 0 8 0 0 9 0 。三个效率的提高是有限的， 于是非增压柴油机的强化主要是靠减小口来实现的，但是过分减小a 会导致发动机热应力提高，燃烧过程恶化，冷却系带走的热量增加， 还会使发动机的指示效率下降。 所谓增压，就是借助于装在发动机上的专用增压装置，预先压缩 进入气缸的空气，以提高进入气缸中的充气密度。1 增压的作用是， 在气缸容积一定的情况下，充气密度越大，新鲜空气的绝对量越大， 就可以喷入较多的燃料进行燃烧，发动机就能发出更大的功率。增压 后发动机功率的增长程度常以增压度表示， ：丝：旦：鱼 ( 1 3 ) 也。只。p 。 式中 n 一增压后的充气密度 风一增压前的充气密度 由公式可以看出，增压度的大小取决于充气密度的提高程度，而 见2 意，故充气密度的提高，除了提高进气压力以外，还可以降低 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 进气温度。于是为了增强增压效果，特别是在高增压情况下需要采用 进气冷却措施，中冷除了可以提高充气密度以外还可以相应降低排气 温度，并对降低发动机热负荷也是有利的。关于增压程度的划分目前 尚无统一的规定，但通常以增压压力划分。一般划分的范围为： 低增压只 0 3 5 m p a ( 只 2 o m p a ) 2 发动机增压方式 发动机增压按其增压方式可分为四类： 不用专门增压装置的增压，包括惯性增压、动力增压、谐波增压等； 机械增压，即利用机械传动的增压器进行增压； 发动机废气能量驱动增压器，分废气涡轮增压和气波增压两种； 复合增压，同时采用两种形式的增压。 机械增压：早期较多采用离心式压气机，近来发展了各种转子式、 叶片式增压器。只一般不超过0 1 7 m p a ，否则压气机消耗功率过大， 使整机的机械效率下降，导致燃油消耗率增加过多。由于机械增压 时，排气背压远远低于涡轮增压，所以机械增压发动机的加速性优于 涡轮增压，且发动机的泵气损失小。在增压器发展史上，早期多采用 机械增压，后来被新发展起来的涡轮增压取代，近来因为汽油机的转 速范围越来越宽，涡轮增压器与其匹配存在一定的困难，再加上小轿 车对加速性的要求也越来越高，涡轮增压器已难于胜任，于是又重新 启用机械增压。而且目前小汽油机转速高达4 0 0 0 6 0 0 0 m i n ，新发展的 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 机械增压器转速也只有1 0 0 0 0 r m i n 左右，只需传动比为2 左右的皮 带传动即可，同时小发动机的增压度不高，p o ，1 7 m p a ，这正是机 械增压器的适用范围。 涡轮增压：利用发动机排出的废气能量驱动涡轮，再由涡轮带动 离心式压气机的方案。 优点在于： 发动机重量和体积增加很少情况下，发动机不需作重大改变很 容易提高功率2 0 5 0 。由于不象机械增压时压比受到限制，故近来 高增压的趋势越来越明显。高增压时功率提高甚至可大于1 0 0 。 由于废气能量的收回发动机经济性会明显的提高一般由于废 气能量的回收能提高经济性3 4 ，再加上相对地减少了机械损失及 散热损失，提高了发动机机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后油 耗率降低5 1 0 。 涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较高的适应力，在高原地 区工作时比不增压发动机功率下降要少的多，故涡轮增压除了用来提 高发动机功率，外还可用作高原发动机恢复功率。 涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也 减少，故对减少污染是有利的。 缺点在于： 迄今为止涡轮增压发动机的加速性以接近不增压或机械增压 发动机，但仍有差异。 与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。 对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发 动机不宜采用涡轮增压。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 发动机增压的发展状况 ( 1 ) 增压技术的发展状况 目前普遍使用的增压器转速范围为6 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r m i n 左右， 最高的转速如三菱重工生产的t d - 0 2 涡轮增压器转速以达 2 6 0 0 0 0 r m i n ，最高压比可达3 3 5 ，个别的如法国小型涡轮公司生产 的t c s l 4 型增压器压比接近5 ，它用于低压缩比的超高增压发动机。 在成批量生产的涡轮增压器中，已公开发表的最小叶轮直径为3 4 m m 最小的质量仅为2 k g ，它可用于排量为1 5 0 m l 的7 4 k w 小型发动机的 增压，叶轮1 4 0 m m 以下的增压器，压气机最高效率可达玑= 0 7 8 o 8 0 增压器总效率可达珂，= 0 5 5 0 6 0 。增压发动机在高速四冲程柴油机 领域内平均有效压力最高可达只= 3 1 4 m p a ，最低油耗率在绝热发动 机上可达1 6 3 9 ( k w h ) ，在车用发动机上实际大到的较好水平是 e = 1 3 7 1 7 6 m p a ，g 。= 1 9 7 2 l o g ( k w ) 。”。 ( 2 ) 涡轮增压的发展方向 涡轮增压器目前正在向两个方向发展：一是小功率及汽油机方向 发展：另一是向高增压和超高增压方向发展。 在早期，涡轮增压器首先在大功率发动机上得到应用。由于涡轮 增压器属于叶片机械，随着叶轮直径的减小，叶片的机械效率是下降 的，随着空气动力学的深入，解决了在小叶轮下仍能保持较高效率， 才有了向小功率发动机和汽油机发动机发展的可能性。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章废气涡轮增压的原理 涡轮增压器根据废气在涡轮机不同的流通方向，可分为径流式涡 轮与轴流式涡轮两大类。大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而 对于车用内燃机则用径流式涡轮增压器。 ( 图2 1 ) 为径流式涡轮增压器的结构图，它是由离心式压气机 和径流式涡轮机这两个主要部分，以及支承装置、密封装置、冷却系 统、润滑系统所组成。 奎 图2 - 1径流涡轮增压器结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f r a d i a lf l o wt u r b o c h a r g e r 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 离心式压气机的工作原理 ( 1 ) 空气在压气机中的流动 离心式压气机主要由进气道1 、工作轮2 、扩压器3 和出气涡轮 壳4 组成。( 如图2 2 ) 空气沿收敛的轴向进气道流入时，气流略有加 速。 f i g 2 - 2s i m p l i f i e dd i a g r a mo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r i 一进气道2 一工作轮3 一扩压器4 一出气涡轮 万 国。 图2 - 3 空气在工作轮中流动的速度三角形 f i g 2 3v e l o c i t yt r i a n g l eo f a i ri nt h er u n n i n gw h e e l 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 4 扩压器原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m o fd i f f u s e r 1 一工作轮2 一无叶扩压器3 一叶片扩压器4 一蜗壳 在工作轮入口处，气流的绝对速度是c ，由于工作轮绕轴旋转， 所以气流将沿相对速度w t 的方向流入工作轮叶片所形成的流道。为了 减少流动损失，需要将叶片前沿部分顺空气流入的方向弯曲成某一 角度，使与气流人口角届基本一致。当空气进入工作轮上叶片组成的 流道后，受离心力压缩被甩向工作轮外缘，空气从回转的工作轮上获 得了能量，使压力、温度、特别是气流速度均有较大增长。 在工作轮出口处气流的方向由出口速度三角形决定( 如图2 - 3 ) ， 该方向也就是空气流入扩压器时的入口方向c ，。扩压器为截面逐渐增 大的流道，空气流经扩压器时，它所具有的动能，大部分在这里转变 为压力能，气流的速度降低，而压力温度升高。 扩压器通常由无叶扩压器与叶片扩压器组成( 如图2 4 ) 。无叶扩 压器实际上是两侧壁形成的环形空间，高速气流在此环形空间中沿对 数螺线运动，气流速度与圆周切线之间的夹角总是不变。它的流动轨 迹较长，扩压比较缓慢。为此在无叶扩压器外侧设置叶片扩压器，这 时空气的流动轨迹是由叶片所限制的。叶片的存在迫使空气不能沿对 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 数螺线自然运动，而使其沿着此角向增大的方向偏移，因而在相同的 直径下，可以获得较大的扩压比，减少了气流运动的轨迹长度和摩擦 损失，提高了扩压器效率。 蜗壳的作用为收集从扩压器流出的空气，并继续进行空气动能向 压力能转变的过程，并将这部分空气输向柴油机进气管。总之，空气 流经压气机的这些流道时，完成一系列功能转换，将涡轮机传给压气 机工作轮的大部分机械功能转变为空气的压力能。 ( 2 ) 压气机的绝热效率 压气机的绝热效率是衡量压气机性能的基本指标。 实际压气机工作过程完善的程度，经常是以它与理想压气机相比 较来平定。即压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压 缩功与在实际压气机中消耗的实际功之比。 ，等 ， 绝热效率叩。说明了在消耗于转动压气机的机械功中有多少是 有用部分，表明压气机流通部分的完善程度。目前涡轮增压器上应用 的离心式压气机绝热效率为刁。一。= o 6 0 0 8 0 ( 3 ) 压气机的特性曲线 压气机的特性曲线是指在不同转速下，压气机的压力比及效率与 空气流量的关系由于压气机在实际运行中，工况经常变化，为了了解 压气机在全部工作范围内气流参数之间的关系，分析在各种工况下压 气机运行的完善程度，以及为了获得增压器与发动机之间在全部工作 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 范围内良好的匹配关系，研究压气机特性具有重要的意义。 b 气 、 _ 气 2 l ，l m k ( k s s ) 图2 - 5离心式压气机的特性曲线 f i g 2 - 5p e r f o r m a n c ec h i v eo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r 从( 图2 5 ) 的特性曲线可以看出，当空气沿压气机的等转速线 从大流量向小流量变化时，压气机的压比与效率最初有所提高，随着 流量减少到某值，压比与效率达到最高，在这以后，流量继续减少， 压比与效率反而略有下降。可是当流量进一步减少到某一值后，压气 机工作开始不稳定，气流发生强烈地脉动，甚至引起整台压气机剧烈 振动并发出粗暴的喘息声，这种不稳定的工况称为喘振。将各种转速 下的喘振点连接在一起，就可确定喘振线，压气机只能在喘振线右边 的范围内工作。 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 从特性曲线的等效率曲线看，中间是高效率区。高效率区一般比 较靠近喘振边界线，沿高效率区向外，效率逐渐下降，特别在大流量 及低压比区，效率下降很多。当压气机工作轮转速升高时，流量与压 比均有所增加，但转速过高将受到材料机械应力及轴承可靠工作的限 制。最高转速只能在某个允许的范围内。由于车用内燃机的转速范围 很大，从而要求压气机高效率区的流量范围不宣过窄，为此在增压器 研制中常采用具有无叶扩压器的压气机或采用一种具有后弯式的工 作轮使之更符合气流在工作流道中的流动规律，以增大高效率的工作 范围。 图2 - 6 径流式涡轮机简图 f i g 2 6s i m p l i f i e dd i a g r a mo f r a d i a lf l o wt u r b i n e 1 一进气蜗壳2 一喷嘴环3 一工作轮4 一出气道 2 径流式涡轮机的工作原理 ( 1 ) 燃气在涡轮机中的流动 径流式涡轮机主要由进气涡轮壳1 、喷嘴环2 、工作轮3 及出气 道4 ( 如图2 6 ) 。进气涡壳的作用引导发动机的排气均匀地进入涡 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 轮。根据增压系统的要求，蜗壳可以有一个、两个甚至更多的进气口。 由发动机进气管中排出的气体具有压力b 、温度耳，并以速度经 进气涡壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀地安装了具有一定角度的许多 叶片，这就使燃气经过叶片间的通道后更具有方向性，使气流更加均 匀且有秩序地进入涡轮机工作轮。同时，叶片间的通道面积是渐缩的， 使部分压力势能转变为气体的动能，即气体的压力降低到只，温度降 低到正，气体的流动速度增加到c ( 如图2 7 ) 。 图2 - 7涡轮机中气流参数的变化 f i g 2 7p a r a m e t e rc h a n g eo f a i ri nt h et u r b i n e 由于气流在工作轮中是向心流动的，所以工作轮叶片之间的通道 也是呈渐缩的形状，气体在通道中继续膨胀，在工作轮出口处压力下 降到昱，温度降低到正，此时气体的绝对速度下降到c ：。工作轮或气 体的绝对速度c ：远远小于c 。，这说明燃气在喷嘴中膨胀获得的动能大 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 部分传给了工作轮。燃气离开工作轮时还具有一定的速度c 即余速损 失。具有一定热能即压力能的燃气在喷嘴环通道中仅部分地得到加 速，转变为燃气的动能。而从喷嘴环中流出的具有一定动能及压力能 的燃气，在工作轮中将所具有能量的大部分转变为机械功。 ( 2 ) 涡轮机的特性 增压器的涡轮机是利用发动机排出的废气能量转换为机械功的 装置。 涡轮机效率珊= w t h r ， ( 2 - 2 ) 式中孵涡轮机轴上的有用功； ，1 k g 废气所具有的能量。 现在废气涡轮增压器的涡轮效率为7 ，= 0 6 5 0 8 5 。 在涡轮机作变工况运行时，燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增 大，流量跟着增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值， 不在增加了，这就是涡轮机的阻塞现象。涡轮机流量特性虽受阻塞的 限制，但工作范围比压气机大得多，一种涡轮机可以和不同的压气机 配套。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章发动机排气能量的利用 内燃机中，燃料所供给的能量有2 5 4 5 是由排气带走的，发动 机排气系统的作用就是要利用这部分排气能量，通过涡轮增压器将其 转换为压缩空气的有效功，以增加发动机的充气量，达到增压目的。 1 发动机排气中的可用能量 排气最大可用能量： 排气门打开后气缸中燃气含有的能量不可能完全用来做功，实际 上只有当排气等熵膨胀到大气压力时所释放出来的能量才有可能转 换为有用功，它约占排气总能量的6 0 左右。 e ：= f ( j j i ：一p o ) a m ，= f ：d m ：，( m ：为气缸内燃气质量) 。( 3 一1 ) 排气管进口处排气压力波中包含的能量e ，： 用燃气在理想涡轮中等熵膨胀到大气压力所作的最大功。 涡轮前排气压力波中包含的能量： 易= l 幽。岛d 。，( g r 为流经涡轮的燃气质量流量) 。 ( 3 - 2 ) 离心式压气机等熵压缩空气增压压力所需的理论压缩功： 疋= l 。g c d ，( g c 为流经压气机的空气质量流量) 。 ( 3 - 3 ) e = e ，+ e ，+ e o ”。 ( 3 - 4 ) 2 排气能量传递效率 排气系统设计中最关心的问题就是从排气最大可用能量中究竟 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 莹 ： 魁 t 1 气口苍 图3 - 1排气过程中能量传递效率的变化情况 f i g 3 1c h a n g ec o n d i t i o no fe n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c yi nt h ee x h a u s tp r o c e s s l 0 毒o 。 0 0 。 & 1 0 l 屯t 2 0 _ ， 、 心龟；，o 、 黢 -2 ( 1 遗 j 、 吒 图3 - 2 排气管分支对7 7 的影响 f i g 3 2i n f l u e n c eo fe x h a u s tt u b eb r a n c ht o e 一一能量传递效率的相对值 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 b 图3 3 不同增压系统的能量损失 f i g 3 3e n e r g y l o s so f d i f f e r e n tt u r b o c h a r g e rs y s t e m a ) 脉冲增压b ) 定压增压 装 - 一 s - - 。一 一- - $ t 冲l l l a 7 一i 警帮 堆爪啦力，i m p a ；7 l 0 2 5 5 0 飘1 1 机轴 j ： 平均有蛙f k 力p ，mp a ； 图3 - 4四冲程中速高增压发动机排气能量传递效率 f i g 3 4t r a n s f e re f f i c i e n c yo f e x h a u s t e n e r g yo ff o u r - c y c l em i d v e l o c i t ys u p e r c h a r g ee n g i n e 1 6 n；v上#一i、簪爱晕拳、睾兽_tlj 太原理工大学硕士研究生学位论文 有多少可转换涡轮效率叩。= e t e ：。涡轮前排气压力波中所包含 的能量与涡轮前排气压力波的形状有关，它主要受到涡轮的流通截 面、排气门开启规律、排气支管直径、长度和分支情况等的影响。 因此，刁。的大小代表了从发动机排气门开始一直到涡轮箱这一段 排气系统设计的良好程度，它对脉冲涡轮增压系统的工作是否良好具 有重要的意义。7 7 。本身是一个统观的平均数量，排气可用能量的损失 主要发生在先期排气阶段，此时的节流损失很大，排气能量传递效率 最低。以后的强制排气阶段，由于排气门开启已很大，主要是气流流 动时的摩擦损失和局部阻力损失，其值一般较小，因此刁。值较高( 如 图3 - 1 ) 。能量传递效率的高低首先取决于增压系统的方式，从不同增 压系统中能量损失情况不同的比较中可以看出( 如图3 3 ) 。在脉冲涡 轮增压系统中，管道进口处的废气能量中还有一定数量的动能。这种 动能在定压系统中由于节流而完全损失掉了。 ( 如图3 4 ) 为四冲程，中速高增压发动机的排气能量传递效率， 由图知，三脉冲及双脉冲增压系统的高于定压增压系统且随压比的增 加其差别减少。能量传递效率还与排气管的分支情况有关。( 如图3 - 2 ) 曲线从上到下依次表示排气管为直管、单支管、双支管时的排气能量 传递效率随无因次管长吼的变化情况。 在直管的情况下，曲线比较平坦，这表明管长妒，对排气能量传递 效率的影响不大。但当有分支时，能量传递效率急剧下降，且管长对 其有明显的影响，排气支管的影响表现为在气缸排气的初始阶段，通 过压力波的传播，它吸收大量的能量，以后通过支管的端部的正反射 又释放出来，使气缸排空缓慢。而在分支管处产生的负发射使气门处 的压力下降，导致节流损失增加。另外，由于支管的影响，使同一排 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 气管上连接的各个气缸所提供的排气能量不均匀。 3 影响排气能量利用的主要因素 ( 1 ) 理想的压力波应具备的形态 1 1 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升，以减少排气门处的 节流损失： 1 2 在排气行程，活塞上行排挤废气时，排气管压力应迅速降低，以 减少泵气损失； 1 3 在进排气门重叠期内，排气压力波应出现波谷，增大进排气之间 的压差，以利于气缸之间的扫气。 ( 2 ) 压力波的六个无因次参数 2 1 排气管长的无因次参数吼 吼：丝e x 3 6 0 ) ：一1 2 l n ，。c a 吼2 了【_2 了，。 ( 3 5 ) 式中n 一发动机转速，r m i n l 一一排气管长度，n l a 一排气管中的平均音速，口= 矾丁。m s 吼为压力波在排气管道内往返一次所需要的时间，即从排气门开 启产生扰动起到发射波回到气缸为止所经历的曲轴转角。 吼 2 4 0 0 c a ，即排气管很长，压力波往返时间等于或大于排气门开启 持续角，这种情况下，发射波达到气缸端时，排气门已关闭，气缸的 扫气已结束，对气缸的扫气不发生任何影响。但是反射波将与同一排 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 气管内相邻排气的下一气缸排气初期的基本波相叠加，增强了波幅， 这对减少排气压差，从而减少排气节流损失有好处，但实际上发动机 的排气管不会有这样长，而且发动机转速降低时吼值成正比地减少， 这就意味着发射波回到气缸的相位提前，可能干扰气缸的扫气。故这 种长管没有实际意义。 妒，= ( 1 6 0 2 4 0 ) o c a ，发射波到达时，气缸正处于扫气阶段，如果 是正反射则会引起排气背压的上升，出现第二个波峰，严重地妨碍 气缸的扫气。 p ，= ( 5 0 1 6 0 ) o c a ，发射波返回较早，第二波峰向前移，对扫气 过程虽无大影响，但这时正处于活塞上行、推挤废气阶段，由于发射 波导致背压的上升，会引起泵气功的增大。 吼( 3 5 5 0 ) o c a ，排气管很短，发射波很快返回与本缸排气的 基本波叠加，增大了基本波的波幅，从而使排气节流损失减少，且当 转速降低时，发射波提前到达也不会产生不良的影响。因此脉冲系统 可能的情况下尽可能选用短管。 2 2 排气始点的压力比纯 = 只只 ( 3 6 ) 值越大，表示排气门开启时气缸内气体压力越高。由于压差大， 排气的气流加快，排气管内建立快，压力波的波峰就越高，排气波所 含的能量就越大；但是，由于压力提高会导致活塞上行时消耗的泵气 功也增大。 在实际上发动机要增大饥就要增大排气提前角，这将导致气缸内 气体膨胀功的减少。为了保持预定的平均有效压力值，就需要气缸内 喷入更多的燃油。这样会引起油耗的增加，排温上升，引起机件热负 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 荷增大。因此钆值必须兼顾这几个方面，在非增压柴油机中通常 吼= 4 5 。随着增压度的提高，气缸中的压力水平和吼值都增大 ( 钆= 5 1 0 ) 。 2 3 排气门的开启规律妒， 妒，= t e ( 3 - 7 ) 式中f - - - 一排气门瞬时流通面积 f 。，一一排气门最大流通面积 p ，表示排气门的开启规律，如果排气门开启越快， 越快，则在单位时间内从气流流出的气体流量就越多， 也迅速，排气管内压力很快建立，节流损失减少。 2 4 气缸的排空速度仇 仍= e m a r x a 6 ( h 6 0 ) 式中 e 。一排气门开启的最大截面积，m 2 巧一一气缸排量，m 3 流通面积增加 缸内压力下降 ( 3 - 8 ) n 。一一排气门处排气始点声速，m s 吼表示气缸的排空速度。纯与t 一有关，排气门开启面积越大， 则气缸排空越迅速，排气管内压力建立越快，波幅也越大。为了加大 气门开启面积，可采用两个或多个排气门。对低增压的四冲程柴油机， 一般吼21 4 2 0 ，而现代大功率柴油机吼一3 5 4 0 。 2 5 排气管的截面积 2 t 。 ( 3 - 9 ) 式中f 。一排气管截面积，m 2 驴，表示排气管截面积，当排气管长度一定时，减小伊，则排气管 的容积减小，有利于增强压力波。如r 接近于f 。则可避免由于通道 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 突然扩展而形成的涡流损失。 妒。过小时，由于流动损失严重，尽管减少了涡轮喷嘴环面积，但 压力波没有明显增强；p 。过大时，流动损失减小，但由于排气初期的 节流损失严重，涡轮前压力波也没有明显增强，只有在伊。接近最佳值 时，才可获得排气能量最高的传递效率。随着发动机增压程度的提高， 排气管直径应该相应减小，现代中、高增压发动机中通常取f o 。= 0 8 1 o 。 2 6 涡轮喷嘴环面积办 办= e r a ，( v h n 6 0 ) ( 3 - 1 0 ) 式中 毋，一涡轮喷嘴环的面积，m 2 d ，对应于排气管内平均温度t ，的声速，口= 芷r 矽，代表涡轮的流通能力，在长管情况下，由于发射波返回较晚， 因此可以把发射波和基本波分开讨论，而基本波主要取决与气门开启 规律、排气管截面、排气门开启时气缸内的压力及气缸排空能力等。 在短管情况下压力波从涡轮端发射到气缸端时，压力波正处于形成初 期。因此发射波对基本波的形态及排气门的节流都有影响，而且在排 气期间压力波在排气管两端之间发射往返多次，因而出现复杂的现 象。在四冲程发动机上减小涡轮流通截面来增加排气能量不应超过一 定限度，一般办= 9 1 2 ( 高增压取低值) 。 要提高排气能量传递效率，除要注意上述几点外，还要精心设计 排气门、排气道以及排气道和排气管之间的弯头或过度管，使其具有 良好的气动性能，减少排气可用能量的损失，故必须重视整个排气系 统的设计。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 排气系统的两种基本型式 废气涡轮增压的两种基本型式：等压( 定压) 系统和脉冲( 变压) 系统( 如图1 2 ) 。 ( 1 ) 定压系统 各缸排气均排入一根大容积的排气管，涡轮前排气管内的压力基 本上是恒定的。 在定压系统中，废气能量e l ，即从排气门打开到气缸内压力等于 排气管内气体压力时释放出来的能量，基本上不能利用，气流通过排 气门时产生的节流损失是能量损失的主要原因。 ( 2 ) 脉冲系统 使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动，把涡轮增压器尽量 靠近气缸，把排气管做的短而且细，并且排气管做成分支型式。 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 遣f l ， lr 。孓 f i 厂、，、，一、1 、厂、小f 1 _ - ：i j j 一一 i 卜一 -li- 一、! ，_7 fi i - 簧f - - 、， 孓 i 厂、厂、厂， _-_ -_- 、r l 广 王 、，、厂、厂 卜 一、八八 一；_ ，八l 上 -i llj_ it 一i e j i 一一 b 图3 - 5 涡轮增压系统的两种基本型式 f i g 3 - 5t w o b a s i ct y p eo f t u r b o c h a r g e ds y s t e m a ) 定压系统b ) 变压( 脉冲) 系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章汽油机增压 1 汽油机增压的特点 1 1 车用汽油机的速度和功率范围宽广，工况变化频繁，扭矩储备要 大，这些在采用废气涡轮增压后，不采取特殊措施，会限制它的推广。 1 2 汽油机的口比较小，所以工作温度比柴油机高，增压后尤为突出。 而且汽油机空燃比由于工作循环的性质决定，仍需限制在较浓的狭窄 范围内，又不能用较大的气门重叠角使较多的扫气空气来降低燃烧室 零件和排气的温度。 1 3 对增压汽油机来说，进入汽缸的混合气，因受压气机压缩的影响， 其温度一般要比非增压高3 0 6 0 。c 左右，这就为加速混合气的焰前反 应创造了有利条件。又由于增压汽油机的热负荷高，燃烧室和气缸的 壁面温度较高，对新鲜充量的热辐射和热传导都将增加，这也会导致 焰前反应的增加，促使正常燃烧速度增加，但对未燃混合气的压爆作 用也增强。 2 车用涡轮增压汽油机参数匹配特点 ( 1 ) 抑制爆振燃烧和降低热负荷 汽油机的最大增压压力主要是受爆振的限制，而增压后爆振加剧 的最大原因是由于热负荷增加，两者是密切相关的。防止爆振燃烧， 一般考虑如下： 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 降低压缩比 这是防止爆振最常见而有效的办法。降低压缩比还可以改善排 放，实验表明，当从下降到6 5 时，排气中的h 0 减少5 0 ，n o ，减 少3 0 4 0 。但汽油机的压缩比本来就比较小，处于对经济性很敏感 的区域，s 的下降必然引起热效率较多的下降，因此，不希望仅用此 一个措施来解决防止爆振问题，在燃油等级不变下汽油机改为涡轮增 压时的压缩比占。可按下列经验公式确定： 旷矗摇 “- 1 式中岛非增压汽油机的压缩比： p 。标准大气压，海平面取为0 1 m p a ； p 。预定的增压压力，m p a 。 1 2 减小点火提前角 推迟点火时间将有助于防止爆振。但是过晚的点火将使后燃加 剧，不仅影响功率，还将增加排气温度，实验表明点火提前角推迟1 度，排气温度将升高3 5 。c ，这对涡轮来说十分不利。理想的点火提 前角是调整到即将爆震而尚未爆振时，此时动力性和经济性均最好。 如何控制点火提前角是汽油机增压的一个重要技术问题，先进的 方法是用电子仪表控制，美国b u i c k 公司联合其他三个公司共同研制 了e s c 系统来控制点火提前角。但出现微震时，在信号比较仪中获得 汽油机爆振信号，即发出讯号，从而改变控制单元电流，获得点火滞 后指令，延迟点火，因为这个系统只有在爆振发生时才有作用，所以 不影响正常时的经济性。 1 3 对增压空气进行中冷 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 安装中冷器对空气进行中冷是十分有效的，不仅与柴油机有相同 效果，对功率增加、热负荷降低都是十分有利的，而且对防止爆震也 是非常有效的。 ( 2 ) 改善涡轮增压汽油机的扭矩特性 车用增压汽油机与柴油机一样，必须有低转速大扭矩特性，要有 一个较大的速度系数或个较大的扭矩储备系数。但较柴油机改善扭 矩特性的难度更大一些。 扭矩特性较差的原因是随着转速的增加，负荷的提高，排气温度 也相应升高，涡轮进口焓值增加，增压器转速提高，增压压力上升， 相应扭矩增大。这种匹配情况，不仅容易发生高速爆震，而且扭矩特 性也不符合车用发动机的要求。 目前改善增压汽油机特性的措施一般有下列方法： 采用放气。在增压器上装放气阀。 压气机进口节流，在压气机进气处放置一个节流阀，使进口 压力适当减少，相应压气机出口压力也降低。当小负荷低转速时，希 望有较大的扭矩，此时，正值流量小，所以节流效果弱，增压压力没 受多大的影响。当高转速大负荷时，扭矩不希望很大，而这时流量较 大，节流效果较强，因而增压压力得到控制。 采用可变喷嘴环截面积。 采用具有共振系统的复合增压。 ( 3 ) 改善涡轮增压汽油机的加速性 涡轮增压系统在汽油机工况突变时，不能随工况变化供应的增压 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 空气流量和增压压力，而要滞后一段时间才能适应，滞后时间越长， 汽油机的加速性也越差。汽油机的增压滞后问题更显得突出，因为汽 油机本身的惯性小，灵活性强，转速范围宽广，所以对增压器的反应 要求更高。解决这个问题的方法有： 减小迸排道的容积。过大的进排气系统的容积，特别是进气 系统的容积是造成增压器反应迟缓的重要原因，因此任何有利于减少 进排气系统容积的设计都有利于缩短滞后期。 缩小涡轮增压器的尺寸。小尺寸的涡轮增压器具有小的转动 惯量，对于提高加速性的作用很大，为了减小转动惯量，在条件具备 的情况下，宁可使用两个小增压器而不用一个大增压器。如果大增压 器的叶轮比小增压器的叶轮重1 5 倍，半径大1 3 倍，则大增压器的 转动惯性就要比小增压器大2 5 3 5 倍，也就是说，小增压器的滞后时 间就可以缩短两倍多。 排气管尺寸的影响。排气管应该短，管子直径应该小，也就 是排气管的容积较小，并且应能很好地将各缸的压力脉冲不相干扰地 引入涡轮。排气系统的阻力应尽可能地小。排气管短而直以及具有一 定尺寸的圆锥形扩压器均能减少排气系统的阻力，使低速扭矩特性满 足于所希望的扭矩曲线，随着转速提高，扭矩能够迅速提高，保证了 汽油机具有满意加速性能。 ( 4 ) 喷水技术在汽油机增压中的应用 4 1 进气喷水 爆震是在正常火焰传到之前混合气自行着火而形成的，如果在 燃烧准备阶段有一部分水( 或水和酒精的混合物) 的雾粒掺入可燃混 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 合气中，由于水的汽化潜热较大，因而利用它的汽化吸热来降低可燃 混合气的温度，延长在正常火焰传到之前自行着火的准备时间，所以 防止爆震是有效的。例如解放c a 一1 0 b 的增压实验表明，在外特性运 行时，大于2 0 0 0 r m i n 后，就会出现爆震，当利用喉管压力和增压压 力之间的压差，将水喷入喉管，爆震很快就消除了。 进气喷水量必须适中，过大的水量不仅影响发动机功率，而且 使燃烧不稳定，气缸内润滑条件变坏。但过少的水量，降温作用少， 控制不住爆震，也达不到抗暴的目的。为了控制适当的喷水量，一般 用增压压力或涡轮前压力来控制( 如图1 3 ) 调节弹簧预紧力，可改变 打开放水阀的工况，放水阀的表面有不同深浅的料槽，转动阀体可以 满足各种工况下不同喷水量的需要。“ 图4 - i 用排气压力p ，调节的自动喷水控制器示意图 f i g 4 _ 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f a u t o w a t e r - j e tc o n t r o l l e ru s i n ge x h a u s tg a sp r e s s u r ep t 4 2 排气喷水 将水喷入高温的排气中，水迅速蒸发汽化，吸收大量的热来降低 排气温度是显而易见的。在解放c a - i o b 型的增压实验中，采用了排 气支管喷入降温措施，在外特性试验中，汽油机在转速为1 6 0 0 r m i n ， 排气温度达7 0 0 。c ，此时四个喷头同时喷水。随着汽油机转速升高， 喷水压力由0 1 3 m p a 逐步增加到0 3 2 m p a ，排气温度可以控制在7 0 0 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 左右，排气温度虽然不如进气温度那样直接影响爆震燃烧，但是由于 涡轮进口温度下降，必然导致压气机出口温度和增压压力的下降，间 接地对防止爆震起一定的作用。排气喷水可以避免缸内发生水蚀和水 垢现象，同时还不致发生水蒸汽分压对内燃机性能的影响。3 ( 5 ) 增压汽油机的改装问题 5 1 中冷器 汽油机增压时，增压压力主要受到汽油机爆震和热负荷的限制， 而降低增压空气的温度对减轻和降低热负荷具有较大的作用，特别是 在增压较高的情况下，降低温度就显得更为重要。般增压空气温度 每降低1 0 。c ，汽油机功率可增加2 5 ，燃油经济性也有所改善，采 用中冷，使进气温度降低，相应气缸内压缩温度和最高燃烧温度，排 气温度都有所降低，这对改善汽油机的热负荷也是有利的，一般资料 介绍，进气温度降低l ，排气温度相应降低卜3 c 。增压空气的中 冷效果取决于热交换器的大小，冷却介质的温度以及冷却介质的流量 等因素。 5 2 增压器的润滑与机油散热器 小型涡轮增压器一般与汽油机共用一个润滑系。为了保证供给增 压器清洁的润滑油，在通向增压器的润滑油管路上装有专门的机油滤 清器。有时为了在冷启动时预先润滑轴承以及在大负荷下汽油机突然 熄火时仍有足够的润滑油供应增压器轴承润滑，在通向增压器的润滑 油管路中还设有专门的蓄压式油罐供油系统，以防止断油而烧坏增压 器轴承。 汽油机增压后本身热负荷较高，传给润滑油的热量也相应增加。 2 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时润滑油通过增压器润滑和冷却轴承后温度亦急剧增高。为了使机 油不致过热，应该加装机油散热器，并最好同时采用抗高温氧化机油。 增压