（机械制造及其自动化专业论文）机械增压器工作性能与实验研究.pdf

摘要 机械增压器是内燃机增压装置的一种，它通过提高内燃机的进气 密度提升内燃机的功率，在内燃机增压领域有着广泛的应用。由于机 械增压器的工作性能对内燃机的增压效果具有重要影响，机械增压技 术的应用必须以对机械增压器的工作性能研究为前提。 本文以机械增压器为研究对象，以分析和解决机械增压器性能影 响因素为目的，从理论和实验等方面对机械增压器的工作性能进行了 研究。主要工作内容有： l 、对机械增压内燃机的工作过程进行了分析，结合机械增压器 的工作过程对机械增压的奇瑞s q r 3 7 2 内燃机进行了各项性 能指标的计算，并通过实验进行了验证。实验数据表明，通 过机械增压，可以使内燃机的最大功率和扭矩得到提升； 2 、结合内燃机增压的基本条件，对内燃机与增压系统的匹配问 题进行了分析，并确定了适宜于机械增压的匹配方案。由分 析得知：对内燃机增压的主要影响因素是机械增压器的压力、 流量等工作性能参数； 3 、分析了机械增压器的基本工作性能参数，并结合传统的机械 增压器转子型线，根据实际应用需求，设计了一种简化渐开 线型线转子； 4 、结合传统型线和改进型线转子的几何参数，针对影向机械增 压器工作性能的重要因素一一内泄漏和气流脉动建立了数学 模型，通过数值计算，得到了相应的仿真结果，并进行了分 析及相应的结构改进； 5 、进行了机械增压器性能测试的实验，结合l a b v i e w 平台的 虚拟仪器程序，对机械增压器的性能参数进行实验测量并进 行分析，验证了理论分析的正确性。实验结果表明：通过对 机械增压器的结构改进，基本消除了机械增压器的气流脉动 现象； 6 、采用人工神经网络技术，以实验数据为样本，对机械增压器 的性能进行了预测。通过比较b p 神经网络和广义回归神经 网络两种神经网络模型对机械增压器的流量预测，确立了以 精度较高的g r n n 模型作为机械增压器的预测模型，能够预 测机械增压器的性能，有利于实验流程的简化和机械增压内 燃机的设计。 关键词：机械增压器；改进型线；气流脉动；内泄漏；神经网络 a bs t r a c t m e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e ri so n eo ft h es u p e r c h a r g i n ge q u i p m e n t so f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i ti sa p p l i e dw i d e l yf o ri m p r o v i n gt h ei c e s p o w e ro u t p u tb yi n c r e a s i n gt h ei n t a k ed e n s i t y t h e r ei sas i g n i f i c a n te f f e c t o fm e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e rp e r f o r m a n c e o n s u p e r c h a r g i n g ，s o t h e p e r f o r m a n c es t u d ys h o u l db es e e na st h ep r e c o n d i t i o no ft h ea p p l i c a t i o n o fm e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e r t h em e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e rh a sb e e nt a k e na st h es t u d yo b je c t a n ds t u d yo ft h em e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e r h a sb e e nc o n d u c t e di n t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw a y st oa n a l y z ea n ds o l v et h ei n f l u e n c i n g f a c t o r s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h ew o r k i n gp r o c e s so fs u p e r c h a r g e de n g i n eh a sb e e na n a l y z e d t h e nt h ep e r f o r m a n c eo fs u p e r c h a r g e dc h e r ys q r 37 2e n g i n e h a sb e e nc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r o c e s sa n a l y s i so f s u p e r c h a r g i n g i ti ss h o w nb ye x p e r i m e n td a t at h a tt h ep o w e ra n d t o r q u eo fe n g i n eh a v eb e e ni n c r e a s e db ys u p e r c h a r g i n g 2 t h em a t c hp r o b l e mo fe n g i n ea n ds u p e r c h a r g i n gs y s t e mh a s b e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h eb a s i cr u l e so fs u p e r c h a r g i n g t h e nap r o p e rs c h e m eo fm e c h a n i c a ls u p e r c h a r g i n gh a sb e e n p r o p o s e d i th a sb e e na n a l y z e dt h a tt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g s u p e r c h a r g i n g e f f e c ta r e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s u c ha s p r e s s u r ea n df l o wr a t e 3 t h eb a s i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fm e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e r h a v eb e e na n a l y z e d a n dak i n do fi m p r o v e di n v o l u t ep r o f i l eo f r o t o r sh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h et r a d i t i o n a lp r o f i l ea n d p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t 4 t h ei n t e r n a ll e a k a g ea n df l o wf l u c t u a t i o nm o d e l sh a sb e e ns e t u pb a s e do ng e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft r a d i t i o n a lp r o f i l er o t o ra n d i m p r o v e dp r o f i l er o t o r t h e yh a v eb e e na n a l y z e da st h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r so fm e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e r sp e r f o r m a n c e t h e s i m u l a t i n g r e s u l t sh a v e b e e n g a i n e d b y n u m e r i c a l c a l c u l a t i n g 5 t h e e x p e r i m e n t o fam e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e r h a sb e e n i i l e s t a b l i s h e dt om e a s u r et h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o ft h e m e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e rc o m b i n i n g w i t hv i r t u a li n s t r u m e n t p r o g r a m sb a s e do nl a b v l e wp l a t f o r m t h e nt h ee x p e r i m e n t d a t ah a sb e e na n a l y z e d a n di th a sv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a l a n a l y s e s t h ee x p e r i m e n td a t as h o w st h a tt h es u p e r c h a r g e r s p r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i ci si na c c o r dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d i ts h o w st h a tt h ef l o wf l u c t u a t i o nh a sb e e ns o l v e db ys t r u c t u r e i m p r o v i n g 6 t h e p e r f o r m a n c e o fm e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e r h a sb e e n p r e d i c t e db a s e do n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n d e x p e r i m e n t d a t a t h eg r n np r e d i c t i o nm o d e lw i t hh i g h e r a c c u r a c yh a sb e e ns e l e c t e dt op r e d i c tb yc o m p a r i n gb pn e u r a l n e t w o r km o d e la n dg r n nm o d e lo fm e c h a n i c a ls u p e r c h a r g e r t h e nt h ep e r f o r m a n c em a ph a sb e e no b t a i n e db yp r e d i c t i n g ， w h i c hb e n e f i t st h es i m p l i f i c a t i o no fe x p e r i m e n tp r o c e s sa n dt h e d e s i g no fs u p e r c h a r g e de n g i n e k e yw o r d s m e c h a n i c a l s u p e r c h a r g e r , i m p r o v e dp r o f i l e ，f l o w f l u c t u a t i o n ，i n t e r n a ll e a k a g e ，n e u r a ln e t w o r k i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：业乒年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢虫啦翮签名奎越胁耳年上月 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 内燃机增压技术源于内燃机的出现，早在2 0 世纪2 0 年代就出现了机械增压的 汽油机赛车；1 9 3 7 年，出现了机械增压的c u m m i n s 发动机；7 0 年代之后，涡轮增 压技术得到了广泛应用【l 】【2 1 。目前，美国大排量( i o l 以上) 的柴油内燃机几乎 全部采用了增压技术，中、小排量的柴油机和汽油机采用增压技术也占相当大的 比重。欧洲次之，日本发展较晚，2 0 世纪7 0 年代后才批量生产，现增压内燃机正 处于大力发展之中1 3 j 。 相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车内燃机领域。有其独特的 应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车性能都具有重 要意义。7 0 年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完 善，1 9 9 0 年美国生产的汽油机己有1 n 采用了增压技术，1 9 9 2 年国际市场上出售 的汽油机有1 5 采用增压技术【4 】。目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用 阶段。 一般认为增压对内燃机具有以下作用【5 j ： l 、可以提高内燃机的机械效率和指示功率，强化汽车内燃机的工作过程， 提高内燃机的升功率，使同等功率下，内燃机的相对质量降低，汽车的滚动阻力 减小，提高内燃机的输出功率，以达到改善动力性能的目的。 2 、通过增压把空气先压缩，减小体积提高密度后再送入气缸，可以使气缸 内容纳更多的空气，从而促进燃料充分燃烧，提高燃烧效率，减少燃料燃烧产生 的有害气体和温室气体二氧化碳( 未能完全燃烧气体) 的排放。 3 、使内燃机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高内燃机的热效 率，从而提高内燃机的负荷率。 4 、通过增压，可以在一定程度上补偿内燃机在高原地区因当地空气密度降 低而出现的功率减小。试验表明，海拔每升高1 0 0 0 m ，内燃机功率将下降 8 1 2 ，而通过增压可以改善这一状况，因此增压技术在高海拔地区应用潜力 较大。 此外，增压可以降低内燃机的油耗。但增压的不足是加重了内燃机的机械负 荷和热负荷。由于进气增压能提高内燃机升功率、改善其经济性，因此被认为是 内燃机的重要发展趋势之一1 6 儿。 硕士学位论文 第一章绪论 增压技术分类与对比 增压所采用的装置，称为压气机或增压器( 也将压缩t 作单元称为压气机) 。 日前世界范围内采用的多种增压方式， 一般按以f 几类方法进行划分： 1 、按压气机驱动方式 ( 1 ) 机械增压：由内燃机曲轴直接驱动，增压器即压气机。典型的机械增 压内燃机有克莱斯勒m 1 1 l 机械增压内燃机、a v l 机械增压d i 内燃机辞1 8 l ，如 图l 一1 示。 图i - 1a v l 机械增压d i 内燃机 ( 2 ) 涡轮增压：由内燃机所排放的废气驱动涡轮并带动压力机。 ( 3 ) 外源增压：由其它动力源( 如电动机) 驱动。 ( 4 ) 复合增压：同时采用废气涡轮增压器和机械增压器的增压方式，如大众 汽车公司应用于t s i 内燃机的双增压技术。 ( 5 ) 其它增压方式：如压力波增压( 气波增压) 、惯性增压、氮氧增压等。 2 、按压气机类型 ( 1 ) 容积式主要应用于机械增压，如罗茨式机械增压器。 ( 2 ) 叶轮式，包括离心式、轴流式及混流式等。 3 、按增压度( 增压比) 增压度和增压比足衡量进气增压的主要指标。增压度庐指增压后与增压前的 内燃机有效功率之比；增压比而( 压力比) 是指压气机出口压力与进口压力之比，。 表1 1 为按以上两种指标对增压方式的分类p l 。 表i i 按增压度，增压比的增压方式分类 目前世界范围内应用最为广泛的足废气涡轮增压技术，实践表明：废气涡轮 增压在改善整机排量较大的车用内燃机高速工况性能方面体现了较强的优势，但 硕士学位论文第一章绪论 涡轮增压器的低速特性和瞬时响应特性较差【9 】【1 们，在中、小排量车用内燃机上存 在动态性能及排放性能不佳、匹配困难等缺点；其材料和装配精度要求都较高， 因此成本也较高【l l 】；另外，它的润滑系统的冷却和密封性要求较高，容易产生润 滑油结焦，影响内燃机性能。 与涡轮增压系统比较，机械增压系统具有结构简单、成本低等特点，通过增 压，不但能补偿内燃机的驱动功率损失，还能提高输出功率。但当增压比较高时， 消耗的驱动功率很大，可超过指示功率的1 0 ，使整机的机械效率下降，比油耗 增加【，因此主要应用于小型机，一般增压比不超过1 6 1 7 。机械增压可以克服 涡轮增压在低转速、小负荷时反应滞后、供气不足的缺陷，因而有大的发展空间。 机械增压器一般为罗茨式，离心式和双螺杆式及其他( 如螺旋式、w a n k e l 式) 应用较少1 1 2 j 。 1 1 2 机械增压器概述 在机械增压器中应用最为广泛的是罗茨式机械增压器( r o o t ss u p e r c h a r g e r 、 r o o t sb l o w e r ，以下简称为机械增压器) ，约占机械增压器总量的9 5 1 3 1 。1 9 0 0 年，g o t t l i e bd a i m l e r 首次将罗茨鼓风机应用于汽车内燃机上，成为了内燃机增压 装置。它属于容积式机械增压器，主要应用于低增压领域，到目前为止仍是一种 应用广泛的内燃机增压设备。 ab ( a ) 两叶直叶式；( b ) 三叶扭叶式 图1 - 2 典型的机械增压器型式 机械增压器的实质是容积式转子空气压缩机【1 3 】，和其它容积式压缩机一样， 它也是通过改变气体的体积来实现压缩的一种流体机械【1 4 】【1 5 】。应用较为广泛的 机械增压器按转子不同，有两叶和三叶、直叶和扭叶之分【1 6 1 ( 图1 2 ) 。 机械增压器的基本结构如图1 3 所示【8 】，主要结构包括：传动带轮、同步传 动齿轮、壳体、主动及从动转子等。以图1 3 所示的机械增压器为例，其工作原 理为：机械增压器带轮1 由内燃机曲轴带轮驱动，带动一对同步齿轮2 转动，使 转子4 相对转动，转子3 在传动齿轮的带动下作方向相反的等速旋转运动，使在 顽士学位论文第章绪论 进气口充入容腔的空气随着转子转动在排气 1 位置排出，以h i 断地将空气抽送 到内燃机的进气歧管中实现向内燃机气缸内的供气。单个转予每转动l 周，与壳 体形成的3 个容腔( 称为基元容积) 各参与次输气，以完成次工作循环。因 此，机械增压器每旋转一周，便可产生6 个基元容积。基元容积是理论封闭的， 实际工作过程中，转子与转子、转予与壳体及前后墙板均保留一定间隙，避免相 互接触。在基兀容积与排。t 口连通的瞬间，排气口端的高压。e 体同流至基元容积， 通过均压，实现对空气的压缩。 l ，传动带轮；2 同步传动齿轮，3 、从动转子：4 、主动转子；5 、壳体( 包括前后墙板) 图1 3 机械增压嚣结构 机械增压器具有结构简单、体积小、重量轻、振动小、成本低、运行可靠等 优点，因此在中、小排量的内燃机增压上，有其它增压器无法替代的优势。作为 容积式压气机，采用固定传动比，可以在低速下获得较高的功率或扭矩【】”。由于 机械增压器的排气流量与其转速基本呈线性关系，适用于汽油内燃机。 机械增压器在全世界整车厂的使用量已超过每年3 0 万台，主要生产厂家有 e a t o n 和o g u r a 等。以e a t o n 公司为例，1 9 8 9 年至今，其机械增压器产最近4 0 0 万部，仅2 0 0 8 年产量就达到r 约4 0 万部。其第五代机械增压器热效率达6 2 ， 新一代的t v s 系列增压器则达7 5 ，已达到涡轮增压器的水平f l 。图1 - 4 为e a t o n m 4 5 型机械增压器。 。三女 ， 一一 图l 一4e a t o nm 4 5 型机械增压嚣 此外，在复合增压系统巾，也普遍采片j 机械增压器作为复合增压q 啪机械增 硕士学位论文第一章绪论 压单元，如大众1 4 t s i 内燃机等。 1 2 国内外机械增压技术的研究现状 1 2 1 国内外机械增压相关研究 k a r lz i n i l e r l 5 j 对现代内燃机的增压及匹配原理、包括机械增压在内的各类增 压方法等进行了综合论述，并给出了内燃机的增压计算实例； h e r m a n nh i e r e t h 和p e t e rp r e n n i n g e r 8 j 在前人的增压理论的基础之上，根据当 前内燃机的增压应用情况，对内燃机增压原理及增压器的应用进行了进一步的归 纳和说明，并介绍了包括内燃机一维仿真在内的多种分析方法； c o r k e yb e l l 1 2 j 针对机械增压器的原理和应用，分析了各种常用机械增压器的 特性，并给出了机械增压器等增压器的匹配计算和应用方法； gm i m m i 和p p e 彻a c c h i 【1 9 】【2 0 】【2 1 1 对三叶罗茨式机械增压器转子的动力学特 性和压力负载特性进行了研究； s c s o r e n s o n 2 2 l 结合热力学方法和机械增压器结构，给出了机械增压器内部 流体的连续性方程和能量方程，并对机械增压器的流动特性和性能进行了仿真计 算。 1 2 2 国内外机械增压器转子的相关研究 机械增压器转子与罗茨鼓风机、罗茨真空泵的转子等具有类似的机械结构和 工作方式，此类流体机械的主要研究集中在转子结构和性能研究等个方面。 l 、在转子型线研究方面： l i g a n gy a o 2 3 1 1 2 4 1 等人对三叶圆弧排线式扭叶转子的几何特性和型线特点进 行了分析，并按照转子型线的几何方程，用轨迹法分析了转子的铣削加工方法， 为这种转子的设计和应用提供了理论基础，并通过实际加工生产进行了验证； p yw a n g 2 5 】等人针对传统圆弧转子型线的不足，提出了由五段圆弧组成的 一种新型的改进型线，在转子型线改进方面进行了探索； j o a n n am a s o n 2 6 l 等人根据罗茨泵中同步齿轮的数学模型对其噪声问题进行 了研究； 胡祖藩吲根据各种不同类型的转子的型线模型对各种不同转子面积利用系 数进行了对比分析； 彭学院【2 8 】等人按照不同型线的转子的对比，分析了渐开线型线的优、缺点， 并给出了改进方案； 刘林林【2 9 l 等人按照罗茨真空泵的应用，对转子进行了研究，并对转子型线进 5 硕士学位论文第一章绪论 行了改进。 2 、在性能研究方面： p a t t e r s o nj 和r i t c h i ej b1 3 0 】【3 l 】对罗茨鼓风机的工作性能进行了研究和分析， 并给出了具体的性能计算方法和与实际对比的流量压力比图表； c h i e n - s o n gc h y a n g 3 2 1 等人根据罗茨泵的实际应用，对流量脉动特性进行了 研究和分析； 苏春模1 1 6 1 结合罗茨鼓风机的设计和研究经验，对罗茨鼓风机的流量脉动和泄 漏问题均进行了介绍； l a u r e n t c h a r l e sv a l d e s 【3 3 】等人通过数学模型的建立，对罗茨泵中的泄漏问题 进行了研究； 刘正先【3 4 】【3 5 1 等人根据计算流体力学的分析，结合实验结果，对传统的罗茨 鼓风机的泄漏经验公式进行了修正； 陈长琦【3 6 1 等人通过建立罗茨转子问的径向泄漏的模型，对罗茨泵的径向泄漏 问题进行了分析，并给出了编程计算的方法。 1 2 3 神经网络在流体机械性能预测上的应用 k g h o r b a n i a n 和m g h o l a m r e z a e i t 37 】等人采用神经网络的方法对压缩机的性 能进行了预测研究，通过多种神经网络模型预测结果与实验值的对比，得出了最 优的预测方法； y o u h o n gy u t 3 8 】等人采用b p 神经网络，对轴流式压气机的工作性能曲线进行 了预测研究，并结合实验进行了验证； 薛永飞【3 9 j 等人采用r b f 神经网络，实现了风机脉动控制模型的主动控制； 王伟【4 0 j 等人将b p 神经网络应用于压缩机的性能预测，并建立了基于实测数 据的性能预测模型； 詹涛及丁国良【4 l 】等人将传统理论模型和神经网络模型进行结合，并采用r b f 神经网络对压缩机工作性能进行了预测。 1 3 课题来源及研究意义 本课题的研究来源于湖南省科技计划项目“汽车内燃机机械增压器” ( 2 0 0 7 g k 2 0 1 9 ) 。 增压器作为增压内燃机的重要组成，其排气流量、压力等工作性能( 一般简 称性能) 不仅直接影响车辆运行的平稳性、舒适性和可靠性，而且还影响车辆的 各项主要技术指标( 输出功率、扭矩及加速性能等) 。目前国内的增压技术研究 6 硕士学位论文第一章绪论 和应用绝大部分是涡轮增压方向，对于机械增压的研究较少。对于机械增压器的 研究，现有理论研究大多集中在机械增压器的理论模型或转子结构改进等单一方 面，缺少对实际工作过程中转子结构对机械增压器性能的影响分析。而机械增压 器的性能与转子的结构关系密切，要对它的性能特征进行全面认识，就必须结合 转子结构来对机械增压器的工作特性进行分析，为进一步的结构改进打下基础。 在实验方面，目前对机械增压器的研究较少，通过实验数据来建立机械增压 器的性能曲线较为困难。神经网络技术是目前流体机械性能预测的一种趋势，采 用这种方法对机械增压器的性能曲线进行预测不仅可以极大地简化实验过程，也 为机械增压发动机的设计提供了依据。 由于机械增压器在小排量、低转速工况下具有显著的性能优势，应用前景良 好，机械增压器的性能研究对内燃机的机械增压技术发展意义重大。 1 4 本文主要研究内容 l 、对增压内燃机及机械增压器的工作原理进行分析，从机械增压对内燃机 的影响方面论述、验证采用机械增压器对内燃机性能的有利影响，并根据机械增 压器设计的基本条件，提出与内燃机合理匹配的设计方案； 2 、针对机械增压器的性能进行深入研究。不仅分析机械增压器的一般性能 指标，还对影响机械增压器性能的重要因素进行分析，针对泄漏和气流脉动等问 题提出结构改进方案： 3 、采用虚拟仪器、传感器及测试技术，进行机械增压器的性能实验。通过 实验，对增压器的排气压力和流量特性进行测量，分析增压过程中，机械增压器 的压力、流量、噪声和温升的一般变化规律，为进一步提高机械增压器性能、降 低排气噪声提供依据； 4 、根据实验中对机械增压器的测量结果，结合人工神经网络技术，对机械 增压器的流量进行预测。通过建立b p 和g r n n 两种神经网络模型，对比分析神 经网络在机械增压器性能预测中的效果，为简化实验过程和机械增压器的应用打 下基础。 7 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 第二章机械增压原理及匹配分析 机械增压器的工作性能不仅与自身结构有关，更与其所作用的内燃机工作过 程密切相关。本章中建立了机械增压器一内燃机热力学模型，根据理论模型对机 械增压器的各方面性能进行分析，进而对其作用进行论证，并提出了机械增压发 动机的增压系统方案。 2 1 理论模型研究 2 1 1 增压原理 增压通过对进入内燃机气缸的空气进行预压缩，以提高空气或混合气的充 量。其目的是在不提高转速的条件下，提高内燃机的功率。 影响内燃机功率的因素很多，可以表达为f 6 】【7 】： ：型逝或e 0 cf k 饥去三吮一1 岛( 2 - 1 ) f l o za 式中：只一一有效功率，w ； 卜一一气缸数； 见一一平均有效压力，p a ； 坎一一气缸工作( 行程) 容积，m 3 5 鼠一一燃料低热值，k j k g ； ，o 一一化学计量比，即燃烧l k g 燃料所需的理论空气量； f 一一冲程数，即一个工作循环内的转数，四冲程即4 ； 以一一充量系数； 绣一一指示热效率； 口一一空燃比； 一一机械效率； 门。一一内燃机转速，r p m ； 岛一一内燃机进气管中的空气密度，k g m 3 。 由上式可知，增加内燃机的功率一般可以采用提高转速或增压的方法【5 l 。由 于惯性力随转速( 或活塞的平均速度) 平方的增大而增大，而最大平均压力随充 气量的增大而增大，其关系接近正比关系，因此内燃机转速的提高受惯性力限制， 必须在保证运动件强度的前提下降低其质量；增压可以通过提高内燃机进气密度 岛来提高平均有效压力见，但需要保证最大平均压力在内燃机强度承受范围之 8 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 内。相比而言，采用增压来增加内燃机功率更具有优势。 本文以汽油内燃机作为研究对象，按照热力学方法对机械增压的工作情况进 行研究。首先，将内燃机的理想空气标准循环( a i rs t a n d a r dc y c l e ) 视为奥托循 环( o t t oc y c l e ) ，并将空气工质视作理想气体【lj ，理论前提为： 1 、在循环过程中，工质定量，即在不考虑进、排气的情况下，无工质交换； 2 、燃烧过程用内燃机气缸之外的热源进行加热； 3 、循环结束后，通过工质对外放热，使缸内气体状态( 压力、温度等) 回 到原始状态； 4 、循环过程中的压缩和膨胀均为可逆过程。 2 1 2 内燃机增压过程 增压器是以内燃机作为动力源，将内燃机的部分输出功率转化为对输入空气 的压缩功，通过对进入内燃机气缸内的空气进行压缩，实现对内燃机平均有效功 率的提高【吼。其基本物理模型如图2 1 所示( 图中数字为状态标号，见下文分析) 。 5 图2 一l 机械增压内燃机模型 内燃机气缸内的最大空气容量为： 匕= 或= n ，圳 ( 2 2 ) 式中：圪一一内燃机空气( 体积) 容量，m 3 ； 一一内燃机气缸容积，即排量，m 3 ； m a 一一( 单工作循环内) 流入内燃机的空气质量，k g ； n 州一一进入内燃机气缸内的空气密度，与压缩过程有关，k g m 3 。 内燃机气缸的指示功： 彬：华砩儿：挪( 2 - 3 ) 式中：彬指示功，j ； 气缸( 活塞) 直径，m ； 9 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 s 。一一活塞行程，m ； 玩一一平均有效压力，p a ； q 掰州一一内燃机气缸内的热量增加值，j 。 假定内燃机排气管内的流定是准稳定的，并且忽略排气管中的流动损失，可 以得机械增压的四冲程内燃机理论示功图如图2 2 所示( 图中v c 为增压器的一 个循环中的工作容积) 。图2 3 为图2 2 所对应的机械增压四冲程内燃机的温熵 ( t - s ) 图。 ( p l p o ) v n 图2 - 2 机械增压四冲程内燃机理论示功图 t s 图2 - 3 机械增压四冲程内燃机温熵( t s ) 图 其中，表示增压器前的压力值( 不考虑空气滤清器、消音器等处的压力 损失，即所在环境的大气压力) ，扔表示内燃机前，即增压器输出的压力值。从 图2 2 和图2 3 可以看出，理想情况下的机械增压内燃机各段工作过程为： ( 1 ) 0 _ l ：进入气缸的气体在机械增压器中的等熵压缩过程； ( 2 ) l _ 2 ：内燃机气缸内的等熵压缩过程； ( 3 ) 2 3 ：等容加热过程； ( 4 ) 3 _ 4 ：内燃机气缸内的等熵膨胀过程； ( 5 ) 4 _ 5 ：等容放热过程。 1 0 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 由图2 - 2 可以看出，增压内燃机的理论指示功w i 由高压爹p d y 部分和换气 功( 仍一a ) k 组成，即 形= 争p d v + ( p 2 一a ) k ( 2 - 4 ) 由增压内燃机的工作过程可知，内燃机所增加的换气功是由增压器( 压气机) 的压缩功( 视为负功) 提供的( 图2 4 ) 。 p p l p o 图2 4 机械增压器理论压力一容积图 2 1 3 机械增压器工作过程 由图2 4 可以看出，机械增压器的压缩工作过程实际是无内压缩的定容积过 程。实际上，由于其基元容积与排气口连通的一瞬间完成了压缩工作，所以将基 元容积视为不变。其工作过程为： ( 1 ) 吸气过程( a _ b ) ：基元容积在与进气口连通的过程中不断扩大，直 至总容积达到v o 为止。这是处于进气口端环境压力风作用下的定压工作过程。 ( 2 ) 转动过程( b ) ：基元容积随机械增压器转子的转动由进气口端转动至 与排气口端相连通的排气口端的位移过程，视为重合于b 点的工作过程。 ( 3 ) 压缩过程( b c ) ：当基元容积与排气口端相连通时，排气口端的高 压气体的瞬时回流使得基元容积内的低压气体得在均压作用下，压力跃升为a 。 在这个过程中，将基元容积视为体积不变。 ( 4 ) 排气过程( c d ) ：基元容积的压力不变，而体积随着叶轮的啮合而 逐渐减小。 根据以上分析可知，机械增压器具有以下工作特性： ( 1 ) 机械增压器的出口压力并不是通过内压缩来实现的，即所谓的等容积 压缩，因此与有内压缩的压缩机相比，要多耗压缩功； ( 2 ) 由于是定容积压缩，理论上机械增压器的流量仅与其几何尺寸、工作 转速有关，不存在余隙容积，属于强制输气； ( 3 ) 排气流量随回流均压作用呈周期性变化，且其频率与转速、转子叶数 有关。 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 2 2 机械增压对内燃机的影响 与无增压的自然吸气内燃机相比，采用机械增压会使内燃机的各方面性能发 生变化，其中最显著的是内燃机的有效功率及对应扭矩。本文以奇瑞s q r 3 7 2 内 燃机( 表2 1 ) 为例，对其采用机械增压器的性能变化情况进行计算分析。机械 增压器的设计增压压力比为以= 1 6 ，设计目标为：在转速不变的情况下，内燃 机最大功率提升2 0 。 表2 一ls q r 3 7 2 内燃机基本参数 2 2 1 空气消耗量 内燃机的空气消耗量足增压器设计的重要前提条件之一，一般可按内燃机的 功率和过量空气系数对其进行近似计算。燃油体积与充入气缸的空气体积相比极 小，可忽略不计。因此，空气消耗量可表达为： 砌= 哎e 3 6 0 0 ( 2 5 ) 睨一一空气消耗率，反映内燃机耗气特性与功率输出的关系，不计扫气量， 则对于四冲程汽油机为4 7 4 堙k w h 。 根据式( 2 5 ) 可以计算出在增压前后内燃机的空气消耗量分别为 r h = o 0 5 k g s 和r h = o 0 6 k g s o 2 2 2 燃油消耗率 随着充入气缸的空气量上升，缸内燃料要充分燃烧，也必需提高其供应流量， 以燃油消耗率来描述其油耗随功率变化而变化的情况： 厂：生：j 坠：旦( 2 6 ) 几 e织厶吮乇 、 痂，一一燃油流量，妇s ； 痧过量充气系数，一般对应气门重叠角= 0 - 3 0 0 曲轴转角时取0 9 ， = 5 0 7 0 0 曲轴转角时取1 0 ，沙= 1 0 0 1 4 0 。曲轴转角时取1 1 。本文中取为1 。 厶化学计量比，对于汽油为1 4 5 。 由上式容易看出，燃油消耗率与功率变化没有关系，增压前后燃油消耗率理 论上保持不变f e = o 3 2 7 k g k w h 。 1 2 硕士学位论文 第二章机械增压原理及匹配分析 2 2 3 增压器消耗功率 由2 1 的分析可推导出机械增压器的理论等熵压缩功即其多方压缩功： f = p o v o 寿【1 - ( 去) 亨却r 瓦寿【1 _ ( 拿叶嘲f ( 2 _ 7 ) r 气体常数，r = 0 2 8 7 ，k j ( k g k ) ； 7 绝热指数，对空气为1 4 。 由于压力比砰= 朋p o 一般均大于1 ，所以由上式计算所得的压缩功为负值， 表示机械增压器的工作过程为耗功过程。一般以其绝对值( = 所f 表示， 即其指示功。在理想状况下，机械增压器的分析是等熵过程，机械增压器与外部 没有热量交换，外部对气体所作功即增压器进气焓值与排气焓值之差，等熵效率 f 取l 。因此，可知机械增压器的实际功为 肜，：m a d d , c( 2 - 8 )肜，= ( ) n n r j d c c 一一绝热效率。 由2 1 中的分析还可得出机械增压器的理论( 指示) 功率为： 匕r = ( p l p o ) 矿 ( 2 - 9 ) 由上文的分析可以推导得机械增压器作为压气机单元的实际功率值： 譬：垫：亟士 ( 旦) 等一l 】：盟丑业( 2 - 1 0 ) q o d d cq d d d c7 一l p q a d d , c 计算中取仉删- ( = o 7 8 ，进气压力和温度分别为p o = 1 0 1 3 胁和t o = 2 0 。c ， 代入式( 2 1 0 ) 可得p c = 3 2 5 k w 。 2 2 4 内燃机平均有效压力 内燃机的平均有效压力可e h _ e 述参数及充气压力n 描述如下： 见筲 p 乙气缸内充量( 空气或可燃混合气) 温度，k ； 仇内燃机的有效效率，仇= r , - ； 毛化学计量比，如= 鱼导，印为充气效率。 由1 1 1 的分析及式( 2 1 ) 可知，在内燃机基本结构和同工况转速不变的情况 下，平均有效压力与内燃机的有效功率成正比关系。因此，在内燃机的额定功率 1 3 硕士学位论文第二章机械增压原理及匹配分析 对应转速下，采用机械增压使最大功率提高2 0 ，平均有效压力也同比上升2 0 。 2 2 5 内燃机最大功率及扭矩 结合上文可得，在不考虑机械增压器的功率消耗及效率变化的情况下，内燃 机的有效功率近似为气缸内的充气压力的线性函数。但由于增压器的驱动功率来 源于内燃机，将机械增压器视作为内燃机的一部分时，考虑机械增压器的功率消 耗和传动摩擦损失，可得内燃机在经机械增压后的最大功率为： p - = 一只，编( 2 一1 2 ) 式中：巩一一带传动效率，取为o 8 。 结合式( 2 1 1 ) 容易算得增压后内燃机的有效功率为f = 4 1 5 4 k w ，实际功 率提升为9 3 1 ，在对应转速不变的情况下，扭矩也有同等的提高。可以看出， 虽然机械增压器在工作中消耗内燃机的输出功率，但通过增压供气使内燃机的功 率提升量大于这部分功率消耗，理论上可以在燃油消耗率不变的情况下，实现对 内燃机功率( 及扭矩) 的提升。 发动机转速r p m 图2 - 5 采用机械增压器的s q r 3 7 2 内燃机实验数据 根据实际应用情况可知，通过机械增压，可使自然吸气内燃机的功率、扭矩 均有所提高。以应用机械增压器的奇瑞s q r 3 7 2 内燃机( 图2 5 ，内燃机转速 3 0 0 0 r p m 以下为有效数据) 为例，通过采用机械增压，不仅提升了内燃机及汽车 的功率及扭矩输出，提高低速加速性能，还改善了内燃机的排放( h c 、c o 等成 份) 。实验数据表明：通过机械增压，不仅使内燃机的最大功率和最大扭矩得到 了提升( 2 5 7 ) ，还使最大扭矩对应转速下降( 5 0 0 1 0 0 0 r p m ) 。 1 4 硕士学位论文 第二章机械增压原理及匹配分析 2 3 机械增压器与内燃机的匹配 增压器与内燃机的匹配应满足的基本条件为：增压压力匹配和空气流量匹 配。对机械增压器而言，需要满足的条件是就是排气压力和流量等工作性能参数 满足匹配要求。 2 3 1 增压压力匹配 在不同的具体工况条件下，均将机械增压器的出口压力视为其稳定状态下的 平均值常量。机械增压器与内燃机匹配时要保证内燃机的功率达到一定值，或其 出口压力值a 使内燃机的平均有效压力j 断u p , ，由2 2 3 的分析日j 知： a 学 p | | ，i l 2 3 2 空气流量匹配 机械增压器的出v i 流量受内燃机的需气量( 理论空气流鼍) 决定，满足如下 方程： 瓯f = 揣 ( 2 - 1 4 ) 对于机械增压器的传动，可采用定传动比和变传动比两种传动方案。除极少 见的无级变速等场合外，机械增压器与内燃机的转速均为定比关系。图2 - 6 为机 械增压的四种程内燃机的流通特性图【8 】，其中内燃机等转速线( 即流通特性曲线) 与机械增压器等转速线的交点即不同负荷下的运行点。由这些运行点连接而成的 即内燃机运行线。 毒 u 逍 内燃机等转速线( 无气门重叠角) 内燃机运行线 机械增压器等转速线 内燃机等转速线( 有气门重叠角) 容积流量矿 图2 - 6 采用机械增压器的四冲程内燃机流通特性图 硕士学位论文 第二章机械增压原理及匹配分析 由图2 - 6 可见，当内燃机