发动机废气涡轮增压技术资料.ppt

本章要求 了解 发动机增压方式 理解 涡轮增压器的结构和工作原理 第三章发动机废气涡轮增压 增压 为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方法 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的一切方法 都称为增压 目的 通过增加充气量 以提高功率 改善经济性和排放性提高发动机功率的途径 第一节概述 改变结构参数 增加i Vh D S 减少 但体积和重量增加提高转速 但充量系数和机械效率减少 机件寿命减少 噪音大提高平均有效压力Pme 提高平均有效压力Pme方法 减少过量空气系数 提高充量系数 增加充气密度 增压 增压度 k 发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比 k范围为10 60 大部分为20 30 增压比 k 进入气缸的气体压力Pk与大气压力P0之比增压的范围 低增压 k 1 3 1 6 内燃机平均有效压力pme 0 7 10MPa 中增压 k 1 6 2 5 pme 1 0 1 5MPa 高增压 k 2 5 pme 1 5MPa 超高增压 k 4 5 5 5 pme 2 5 3 5MPa 增压中冷技术 增压空气温度增加 在柴油机中引起增压条件下进气密度减小 即在保持不变过量空气系数下 意味着功率下降 不然需要进一步提高增压压力 但柴油机机械负荷又要增加 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热负荷增加 排温过高 NOx增加 汽油机中增压温度升高 除与柴油机一样功率下降外 最主要的是爆震倾向增加 一般 当增压空气的压力超过1 5MPa时 就值得采用中冷 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 增压空气温度每降低20K 涡轮前的废气温度约可降低20K 燃油消耗率可减少3g kW h 内燃机增压的优缺点 改善了发动机性能 提高了内燃机机械效率 提高了内燃机的指示热效率 改善了燃烧过程 增加了发动机的升功率 扩大了内燃机高原适应性 有利于降低有害气体排放和噪声 HC降低 高负荷的NOx降低 空气充足使碳烟有所降低 温度高使着火延迟期缩短 增加了柴油机的机械负荷 增加了柴油机的热负荷 增加了汽油机的爆燃倾向 优点 缺点 机械增压 由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机 机械增压增压压力高 压气机消耗的功率大 为使内燃机机械效率不要过分下降 增压压力Pk不能过高 Pk 160 170kPa主要用途 提高发动机低速转矩 机械增压器的种类 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 罗茨式 螺杆式 转子活塞式 废气涡轮增压 废气涡轮增压利用内燃机排气中能量来实现增压 油耗率可低5 10 质量功率和体积功率比非自然吸气内燃机明显改善 一般可提高功率20 50 易实现高增压 可降低排气噪声和烟度 废气涡轮增压的分类 废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮组成 压气机主要是离心式的 废气涡轮分 轴流式 径流式 斜流式 混流式 由于发动机排气能量利用的不同 有两种经典的 基本的增压形式 脉冲涡轮增压 等压涡轮增压 3 复合增压 4 气波增压 气波增压是通过气波增压器利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接的能量交换 以增大进气密度 气波增压对内燃机工况反应迅速 使气波增压的加速性好 且低速时空气的压缩程度高 低速转矩好 工作温度低 不需要耐高温材料 但体积大 噪声大 安装位置受到一定限值 匹配要求高 防止窜烟 谐波增压 ACIS 双增压器顺序增压 多缸发动机上使用两台增压器 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 在中高速时 使用两台增压器以保证发动机功率输出 第二节增压器 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轮 离心式压缩机工作原理 主要参数 压气机转速增压比 k pk p0质量流量mk或容积流量V0压气机转速nk每分钟可达几万转甚至十几万转压气机的绝热效率 压气机特性曲线 压气机转速不变时 各特性与空气流量间的关系 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 此现象称为压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧时 其工作是稳定的 而当处于喘振线左侧时 压气机的工作就变得不稳定甚至有危险了 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 在压气机的某一转速下 通过压气机的气体流量随增压比的降低而增加 当流量增加到一定数值后 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 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的最大流量 可变进气道增压器 低速时使用一个进气通道 高速时 进气量大 使用两个通道 可以改善增压发动机的过渡性能 可变进气道增压器性能 可变喷嘴环增压器 低速时 喷嘴角度小 流通截面小 高速时喷嘴角度大 流通截面能保证涡轮从废气中获取足够能量达到压气机的需求 各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上 再经传动杆3与喷嘴控制盘4相连 转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度 通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮流通截面 可变喷嘴环增压器特性 左图中 是喷嘴环角度以此减小的情况 随着内燃机转速下降 压气机的增压压力不但没有下降 反而提升到高转速水平 从而保证增压内燃机的低速性能 可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配 通过可调喷嘴环改善低速性能 可变涡轮喉口截面增压器 1 压气机 2 可变喉口截面调整板 3 调整板及调整机构 4 操纵机构 5 操纵机构控制电磁阀 6 涡轮 A 最小喉口截面 B 最大喉口截面 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能量的大小 小喉口截面将使进入涡轮的废气加速 作用在涡轮叶片上的冲击力增加 此时涡轮效率将有所降低 空气增压压力增加 从而满足内燃机在低速小负荷时的需要 内燃机在高速大负荷时 可以保证涡轮在高速范围运行 这时喉口截面处于最大位置 排气背压最小 涡轮效率最大 可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整 可变叶片增压器 可变喷嘴环技术类似 通过压气机结构 叶片角度 的变化 来调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系 多个可变叶片 效率高 但结构复杂 成本高 体积大 三菱多阀VG增压器 本田可变叶片增压器 废气放气增压器 车用增压内燃机为获得低速大转矩和良好的加速性能 涡轮增压器一般按内燃机低速 小流量设计 轿车用增压器设计转速为内燃机标定转速的40 左右 公共汽车 重型车用的增压器设计转速为内燃机标定转速的60 左右 高速时 将会使增压压力过高 增压器超速 柴油机爆发压力过大 汽油机容易引起爆震 为此 设计增压器常增加废气放气阀 在高速时将一部分废气旁通掉 加以控制增压压力 废气放气增压器工作原理 废气门3与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上 废气门的阀门固定在膜片上 膜片上部通大气 并受弹簧的作用 下部与压气机出口的增压空气相通 平时 弹簧将废气门的阀门压在阀座上 内燃机排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内 一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力 废气门打开 一部分废气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中 涡轮作功减小 空气的增压压力回落 以实现空气增压压力的自动调节 进气回流增压器 为避免由于负荷突变及环境变化而使压气机出现喘振而损坏增压器 在增压器的压气机进口装上整体式的回流阀 当进气管压力低于某一值时 作用在回流阀上的进气管压力 弹簧压力和压气机出口的空气增压压力不平衡 回流阀顶开 压气机出口的空气通过回流阀和回流通道进入压气机进口 以增加通过压气机的空气量 第三节汽油机增压技术 一 汽油机增压的特点1 爆燃混合气压缩后的压力 温度增高 将促使爆燃的发生 2 混合气的调节传统化油器使用增压技术后难以精确控制混合气的浓度 3 热负荷汽油机的过量空气系数小 燃烧温度高 增压后 汽油机的整体温度水平提高 热负荷问题加重 4 对增压器的特殊要求汽油机增压比低 流量范围广 热负荷高 最高转速高且转速变化范围大 要求增压器体积小 耐高温 转动惯量小 工作范围大 等 二 汽油机增压技术措施1 降低压缩比防止爆燃现象发生2 增压压力控制系统控制增压压力过大3 减小增压后的 反应滞后 现象4 燃料供给系统的调整汽油泵汽油泵供油压力随增压压力变化点火提前角调整可变点火正时 不只是涡轮增压按进气方式的不同 可以分为 机械增压 涡轮增压 复合增压和气波增压 工作原理废气顺着涡轮壳 冲击在涡轮 上 经过进气道后 速度迅速提高并将涡轮提高到约20万转 分 之后排入大气 在另一端压气机壳 内是同样高速运转着的压气机轮 它的转速跟涡轮一样 其作用是将高压新鲜空气供给发动机 小提示在高速行车后 不要突然熄火 因为此时涡轮的温度非常高 最好再怠速运转一两分钟 使增压装置有一个冷却的过程 增压器的作用增压主要是为了提高发动机的进气量 提高发动机的功率和扭矩 采用增压技术后发动机可以提高30 100 的功率 同时还能提高燃油经济性和降低尾气排放 不过也使引擎和增压器的工作温度快速增加 由于工作环境恶劣 每个涡轮增压器的寿命平均只有 十万公里 左右 涡轮增压 让 你 更强壮 第四章燃料与燃烧 第一节发动机燃料一 汽油1 蒸发性汽油的蒸发性用汽油蒸发量的10 50 90 100 时所对应的温度来评定 2 氧化安定性汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不发生长久性变化的能力 3 清净性汽油中不稳定的化合物在进气系统的器件上产生沉淀 可在汽油中加入汽油清净剂 以保持进气系统的清洁 4 抗爆性及汽油规格抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力 用辛烷值表示 在规定条件下的标准发动机试验中通过和标准燃料进行比较来测定 采用和被测定燃料具有相同的抗爆性的正庚烷中的异辛烷的体积百分比来表示 我国无铅车用汽油标准见表4 1 二 柴油1 自燃性柴油的自燃性用十六烷值来评定 规定正十六烷自燃性最好 100 甲基萘自燃性最差 0 一般柴油的十六烷值为40 652 雾化和蒸发性馏程 运动粘度 密度 闪点等闪点 燃油在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合 达到一定浓度时可被火星点燃时的燃油温度 燃点 燃料在规定条件下加热到开始着火的温度 3 硫含量4 安定性 5 低温流动性柴油失去流动性而开始凝固的温度为凝点 当柴油接近凝点时 流动性已很差 不但喷雾恶化 而且供油也很困难 柴油机无法工作 我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为10号 2号 10号 20号 35号和 50号 其凝点分别不高于10 0 10 20 35 和 50 第二节代用燃料一 天然气CNC天然气的主要成分是甲烷 约为83 99 天然气汽车的发动机功率会下降 一般为液体燃料的90 左右 改烧天然气时 点火正时需调整二 液化石油气 LPC 液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷 三 醇类 甲醇或乙醇 四 生物质五 氢气 第三节燃烧基本知识一 燃烧过程燃烧过程由着火和燃烧两个阶段组成 着火阶段是燃料燃烧的准备阶段 是燃料经过雾化 蒸发 与空气混合形成可燃混合气等项物理准备 和可燃混合气形成后 在自燃以前发生的焰前氧化过程的化学准备 燃烧阶段是在燃料着火后