废气涡轮增压器.docx

毕 业 设 计（论 文）设计题目：浅析发动机废气涡轮增压技术 姓 名 姚 伟 学院 （系） 交通与物流学院 专 业 交通运输 年 级 2011级 指 导 教 师 郭晋明 朱燃燃 2014年 12 月 25 日目录摘要关键字引言一发展历史二涡轮增压器概述2.1涡轮增压系统2.2增压作用和目的三涡轮增压器的结构及工作原理 3.1结构及组成部分3.2离心式压气机3.3径流式涡轮机3.4涡轮增压器基本工作原理四涡轮增压的优缺点4.1涡轮增压器的优点4.2涡轮增压器的缺点五涡轮增压器在汽油机上的应用六涡轮增压器的发展现状及前景七参考文献浅析发动机废气涡轮增压技术摘要：涡轮增压，英文名为Turbo，一般来说，如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了。当今时代，科学技术的迅猛发展，极大的促进了汽车技术和汽车工业的高速发展，汽车正日益广泛地深入到社会和人们的日常生活，为了满足驾驶者的驾驶需求，提高汽车的动力性和燃油经济性显得尤为重要，涡轮增压技术就是这么一项技术。本文主要研究发动机蜗轮增压技术的应用现状、工作原理、技术特点及发展前景，阐述了发动机蜗轮增压技术的作用和目的，介绍了涡轮增压系统中各组成部件的作用及工作原理，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，论述了发动机涡轮增压技术发展趋势及前景。 关键字：涡轮，废气，增压 引言随着现代科学技术的高速发展，对于发动机的功率要求也越来越高，因此就需要不断提高发动机的动力性。提高发动机升功率的最有效措施是提高发动机进气管中的冲量密度，即采用增压技术。增压按其定义是在增压器中压缩进入发动机进气管前的冲量，增加进气管中冲量的密度，使得进入汽缸的实际进气量比自然吸气发动机的近气量多，来达到增加发动机功率的目的。增压器所需能量来源的不同，一般可分为机械驱动式增压和废气涡轮增压两类。机械增压将使内燃机的机械效率降低，废气涡轮增压是最有效的增压方式。经过百年的不断发展，涡轮增压技术已经日趋成熟和完善。随着涡轮增压技术的普及、深入，有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。涡轮增压器根据废气在涡轮机内不同的流通方向，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采用径流式涡轮增压器。径流式涡轮增压器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。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。汽油机的过量空气系数比较小，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。随着新材料、新技术、新理念的出现，发动机增压技术正朝着高效率趋势不断发展。一发展历史涡轮增压器(Turbo Booster)的发明者是谁，比较公认的说法是瑞士工程师比希，他于1905年申报了此项专利。当时主要应用于飞机发动机和坦克发动机，直到1961年美国通用汽车公司才将涡轮增压器试探性的装在其生产的某种车型上。20世纪70年代成为了涡轮增压器的一个转折点，装配增压发动机的保时捷911问世。但让涡轮增压技术焕发青春的非瑞典SAAB萨博公司莫属，它于1977年推出的SAAB99车型将涡轮增压技术传播的更广泛，但那时的涡轮增压器仅限于装配在小车的汽油发动机上面。一直到80年代中期，欧美的卡车制造商才将涡轮增压技术应用在各自的柴油发动机上面，而国产车是在这10年才开始逐渐流行带涡轮增压器车型的。二涡轮增压器概述2.1涡轮增压系统涡轮增压系统分为单涡轮增压系统和双涡轮增压系统，只有一个涡轮增压器的增压系统为单涡轮增压系统，如图2.1。涡轮增压系统除涡轮增压器之外，还包括进气旁通阀，排气旁通阀和排气旁通阀控制装置等。图2.1 单涡轮增压系统2.2增压作用和目的所谓增压，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空气密度，增加进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应的增加循环供油量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲，可以得到驾驶员所期望的良好的加速性，同时，增压还可以改善燃油经济性。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够输出更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却并不比1.8L发动机高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。三涡轮增压器的结构和基本工作原理3.1结构及组成部分车用涡轮增压器一般由单级离心式压气机和单级轴式涡轮机或径流式涡轮机组成为机组，并分别称为轴流式涡轮增压器和径流式废气涡轮增压器。此处介绍径流式涡轮机。压气机和涡轮机二者的工作轮装在同一根轴上，称为转子，转子由发动机排出的废气驱动。这种涡轮增压器工作的条件，除压气机和涡轮机的转速相同外，在任何工况下其效率也是相同的。增压器轴通过两个浮动轴承支撑在中间体内，中间体有润滑和冷却轴承的油道，如图2.2所示。图2.2 涡轮增压器结构图3.2离心式压气机离心式压气机由进气道，压气机叶轮，无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成，如图3.1所示。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。图3.1 离心式压气机当压气机旋转式，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速，压力和温度均有较大的提高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高，即在扩压管中空气所具有的大部分动能转变为压力能。扩压管分叶片式和无叶式两种，无叶式扩压管实际上是由蜗壳和中间体侧壁所形成的环形空间。蜗壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出口，空气在蜗壳中继续减速增压，完成其由动能向压力能转变的过程。3.3径流式涡轮机蜗轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置，径流式涡轮机由蜗壳，喷管，叶轮和出气道等组成，如图3.2所示。图3.2 径流式涡轮机蜗壳的进口与发动机排气管相连，发动机排气经蜗壳引导进入叶片式喷管，喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压，降温，增速，膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击叶轮，并在叶片所形成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮旋转。与压气机的扩压管类似，蜗轮机的喷管也有叶片式和无叶式之分，涡轮机的蜗壳除具有引导发动机排气以一定的角度进入涡轮机叶轮的功能外，还有将排气的压力能和热能部分的转变为动能的作用。3.4涡轮增压器的基本工作原理涡轮增压器连接到发动机的排气歧管，将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连，此时带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸，当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了，并且可以大幅度降低有害气体的排放和噪声水平，如图3.3图3.3 涡轮增压示意图四涡轮增压器的特点4.1涡轮增压器的优点（1）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和扭矩。（2）降低油耗。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%-10%。（3）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非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。（4）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。4.2涡轮增压器的缺点（1）低速时转矩增加不多，而且在发动机工况发生变化时，瞬态响应差，致使汽车加速性，特别是低速加速性较差。（2）与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。（3）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。五涡轮增压器在汽油机上的应用在柴油机上采用涡轮增压已经有半个多世纪了，但在1980年以前，一直没有广泛的应用于汽油机，汽油机增压比柴油机要困难的多，其主要原应是：（1） 汽油机增压后爆燃倾向增加。（2） 由于汽油机混合气的过量空气系数小，燃烧温度高，因此增压后汽油机和涡轮增压器的热负荷大。（3） 车用汽油机工况变化频繁，转速和功率范围宽广，致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当困难。（4） 涡轮增压汽油机的加速性差。当节气门突然开大要求混合气量迅速增加时，却由于增压器转子的惯性，使增压器加速迟缓，发动机进气量的增加将滞后一段时间。完全消除涡轮增压器对发动机工况变化的响应滞后现象比较困难。但是，近些年来，车用汽油机，特别是轿车汽油机的涡轮增压得到了较大的普及和发展。这是因为随着高速公路的发展，车主对汽车高动力性能的追求日益强烈，另外，汽油喷射式发动机和电控技术的发展，以及小型增压器性能的改善，都为普及和发展汽油机增压技术创造了有利条件。为了克服汽油增压的困难，在汽油机增压系统中采取了许多措施，其中有：（1） 在电控汽油喷射式发动机上实行汽油机增压。电控技术的应用，可以极其方便的对汽油机增压系统进行爆燃控制，放气控制和排放控制等。（2） 应用点火提前角自适应控制，来克服由于增压而增加的爆燃倾向。利用装在发动机上的爆燃传感器监测爆燃信息，并将其传给电控单元（ECU），电控单元则发出指令推迟点火时刻以消除爆燃，带爆燃消除后，自适应的逐步加大点火提前角，使发动机在比较理想的状况下工作。（3） 对增压后的空气进行冷却。应为空气增压后温度升高，密度减小，如果温度过高，不仅会减少进气量，消弱增压效果，还可以引起发动机爆燃。实践证明，对增压空气进行中冷，对提高功率，降低油耗，降低热负荷和减轻爆燃都十分有利，因此，不仅在汽油机增压系统中设置中冷器，而且在高增压柴油机增压系统中也设有中冷器。（4） 采用增压压力调节装置。增压压力与涡轮增压器的转速有关，而增压器转速又取决于废气能量。发动机在高转速，大负荷工作时，废气能量多，增压压力高；相反，低转速，小负荷时，废气能量少，增压压力低。因此涡轮增压发动机的低速转矩小，加速性差。为了获得低速，大转矩和良好的加速性，轿车用涡轮增压器的设计转速常为标定转速的40%。但在高转速时增压压力将会过高，增压器可能超速。过高的增压压力使汽油机热负荷过大并发生爆燃，为此必须采用增压压力调节装置，以控制增压压力。最为简单而又十分有效的这类装置是进，排气旁通阀或放气阀。六涡轮增压器的发展现状及前景经过80多年的不断发展，特别是20世纪90年代以来，由于CAD/CAM，电控、材料和制造技术等科学技术的迅速发展，许多相关学科领域的成果被用于增压技术领域，从而出现多种增压方式。针对不同的车用发动机，使用不同的增压方式才能达到最佳的匹配。由于废气涡轮增压器结构简单，而目前对提升发动机性能效果很好，当1台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多，或者说1台小排量的发动机经增压后，可以产生较排量发动机相同的功率，试验证明由于涡轮增压发动机的燃烧比较完全，排烟浓度降低，废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也大为改观，对减少汽车排气污染有利。此外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声比较小，而且在高原地区也可以恢复功率减少油耗。由于装在汽油机上爆震倾向大大增强，而且汽油机的转速和功率范围宽，系统比较复杂，所以目前应用较少，只有少数高级轿车安装，但是随着技术的不断提高，应用会越来越广。装在柴油机上不存在什么大难题所以普及很广，在重型柴油机上已经达到了100%，而且目前已向小型柴油机迅速发展。涡轮增压是目前全世界汽车厂商运用最为广泛的发动机增压技术。国内非常常见的国产的奥迪、帕萨特、宝来的1.8T发动机就是采用的这种技术。这种技术的优势很明显，它可以利用发动机排出废气产生的能量，来大幅度提高发动机的动力输出。最早的汽油涡轮增压发动机运用在量产车型是在60年代。当时，这个车有一个让人很难容忍的缺点，那就是在低转速的时候动力非常差，甚至还比不上一台同等排量的自然吸气式发动机，这种强烈的涡轮迟滞使得这台发动机的动力输出很不流畅。近些年来，由于计算机辅助设计的广泛应用和