车用发动机的废气涡轮增压概述

1、 第一节 发动机增压概述 一、增压的基本概念一、增压的基本概念 v定义：利用增压器将空气或可燃混合气进行压定义：利用增压器将空气或可燃混合气进行压 缩，缩， 再送入发动机气缸的过程。再送入发动机气缸的过程。 v作用：增加每循环进入气缸的新鲜充量密度，使实作用：增加每循环进入气缸的新鲜充量密度，使实 际充量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济际充量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济 性的目的。性的目的。 v提高发动机单机功率的方法，根据提高发动机单机功率的方法，根据 v kw v1. 改变发动机结构参数改变发动机结构参数 缸数缸数i，缸径，缸径d，冲程，冲程s, 冲程数冲程数 ; （受安装

2、位置和自重的严格限制）（受安装位置和自重的严格限制） v2 提高转速提高转速n及活塞平均运行速度及活塞平均运行速度cm; （充气效率和机械效（充气效率和机械效 率下降、燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命、噪声率下降、燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命、噪声 限制）限制） v3 提高平均有效压力提高平均有效压力pe。（最经济有效的方法）（最经济有效的方法） v 增压增压 k pe ne 其中其中 k 充量密度。充量密度。 n p v in e eh 30 10 3 v特性参数 v（一） 增压比 k 3 10 30 eh e p vi n nkw vds h 4 2 c sn n c s

3、m m 30 30 由公式 因 为 增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比，即增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比，即 k=pk/p0。 nid pc e em 4 2 p h l e ui mv 0 0 nid h l c e ui mvm 4 1 2 0 0 代入上式 而平均有效压力 代入上式, 得未增压时发动机功率的分析式 0 k k k p rt n i r d h l p t c e k ui mv k k m 4 1 2 0 n p t e k k k 增压后, 空气密度由未增压时的大气密度 变为增压后的密度 代入上式, 得到增压后的发动机功率分析式 0000 ,ptv

4、kkkk ptv, p p v v k k n 0 0 kk n p p 00 1 增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。 增压后 增压前 p p k 0 4pk 2 0 p t r k kk p t r 0 00 k k k t t p p 0 0 0 tk 假定多变指数 n = 2, 则 时, 才 压力增长很多而密度增大不多。这主要是因为增压后温度 会升高的缘故, 若增压后温度不变, 则与p成线性关系。 则 若在整个增压过程中, 下降或保持为某一常数, 则 t tk 0 kk c p p 0 k 0 p p k 0 const， 此时 与成正比。 通常, 为了不使 过高, 在增 压器与

5、发动机之间设置一个中冷器, 对增压后的空气进行冷却, 称为中 间冷却。 tk v（二） 增压度 v增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的 功率之比。功率之比。 vne-0、ne-k分别为增压前、后的功率。分别为增压前、后的功率。 v目前车用：目前车用：10%-60%范围内，大部分范围内，大部分20%-30% 1 00 0 e ke e eke k n n n nn v二、增压的分类二、增压的分类 v1按增压比分类按增压比分类 k kpe（kp) 低增压1.31.67001000 中增压1.62.510001500 高增压2.51500 超高增压

6、3.5 v2按增压系统的机构分类 v1）机械增压系统 v2）废气涡轮增压系统 v3）复合式发动机 v4）组合式涡轮增压系统）组合式涡轮增压系统 v5）气波增压系统 第二节 废气涡轮增压器的工作原理 v一、离心式压气机的工作原理与特性 v1基本工作原理和主要参数 v离心式压气机一般由进气道1、工作轮2、扩 压器3及出气蜗壳所组成。 v压气机的主要参数为：压气机的主要参数为： v（1）空气的增压比）空气的增压比k k=p=pk k/p/p0 0； v（2 2）流经压气机的空气每秒质量）流经压气机的空气每秒质量m mk k（kg/skg/s）或容积）或容积 流量流量v v0 0（m m3 3/s/s

7、）（相应于压气机的进口状态）；）（相应于压气机的进口状态）； v（3 3）压气机转速）压气机转速n nk k； v（4 4）压气机的绝热效率）压气机的绝热效率ad ad-k-k； ； v ad ad-k-k： ：1kg1kg空气的绝热压缩功空气的绝热压缩功h had-k ad-k与实际压缩功 与实际压缩功h hk k 之比。之比。 v（5 5）压气机功率。）压气机功率。 v2压气机特性曲线 v（1）流量特性：表示在 压气机转速不变时，压气 机的增压比k和绝热效率 ad-k随空气流量mk（或v0） 的变化关系。 v（2）压气机的喘振与堵塞 v 在压气机的特性曲线上有一条喘振线，又称 为稳定工作边

8、界。含义：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，压气机的功作就变得不稳定甚 至有危险了。因此，把出现喘振的工作点称 为喘振点，对应的流量就是喘振流量。 v喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工 作现象。 v堵塞：在某一增压器转速下，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 （m=1）。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，它也是该转 速下压气机所对应的最大流量。 v3通用特性 v流量折合成标准大气状态下的参数值。 v二、径流式涡轮机的工作原理与特性 v1基本工作原理

9、v2涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线 v（1）涡轮效率）涡轮效率t t：涡轮将废气能量转换为机械功：涡轮将废气能量转换为机械功 的有效程度，即的有效程度，即 vt t v式中：式中： 涡轮机轴上的有用功（废涡轮机轴上的有用功（废 气）；气）； v 废气所具有的能量，可以用焓降表废气所具有的能量，可以用焓降表 示（废气）示（废气） v（）膨胀比（）膨胀比 v代表气体在涡轮中具有做功能力的重要参数，代表气体在涡轮中具有做功能力的重要参数， 定义为涡轮进口气滞止压力定义为涡轮进口气滞止压力 与涡轮出口气体 与涡轮出口气体 静压力静压力 之比，即 之比，即 v v（）气体质量流量（）气体质量流量 v单位时

10、间内通过涡轮的气体在涡轮的气体质量称为单位时间内通过涡轮的气体在涡轮的气体质量称为 涡轮的气体流量。涡轮的气体流量。 t m v（）涡轮转速（）涡轮转速 涡轮机所发出的功率为涡轮机所发出的功率为 现代废气涡轮增压器的涡轮机效率现代废气涡轮增压器的涡轮机效率 mtttt hmn 第三节废气涡轮增压对发动机功率 和经济性的影响 00000000v vk i ik m mkk m mk i ik e ek e ek p p p p n n kvm i e p h g mi e 6 106 . 3 v一、增压提高了空气的密度一、增压提高了空气的密度 v增压器的压气机把空气从状态“0”压缩到状态“k”所

11、发生 的密度变化，根据状态方程可写为 k kk t t p p 0 00 11 1 /1 0 0 kk k kad k p p tt 1 /1 000 1 1 1 kk k kad kk p p p p v二、对指示效率的影响二、对指示效率的影响 表示pk增加以后，供油系 统保持不变，供油提前角也 不变，保持=30的情况， 由于增压后要求增加每循环 的供油量，为此加大供油持 续角，使膨胀冲程后燃增加 ，传导给冷却水和废气中的 热量增大，从而使指示效率 下降。 保持供油系统不变，加大 供油提前角，使压力升高比 为常数是的试验结果，此时 指示效率随pk的增加而下降 ，但由于后燃减少，指示效 率下降

12、幅度较小。 改变供油系统的结构参数 ，如改变凸轮型线，加大柱塞 直径，增大供油速率等，使供 油持续角保持不变，并且调整 供油提前角，使压升比为常数 ，指示效率反而提高。 v三、对充气效率的影响三、对充气效率的影响 v充气效率随增压压力的增加略有提高，但不明显。充气效率随增压压力的增加略有提高，但不明显。 充气效率随充气效率随tk的增加而提高，可用下式近视计算：的增加而提高，可用下式近视计算： 25. 0 00 t tk v vk v四、对机械效率的影响 v发动机采用涡轮增压后，平均机械损失压力pm从绝 对值来看有所增大，但相对于因增压后而大幅度提 高平均指示压力pi而言，pm/pi比值却减小了

13、，机械 效率得到了提高。 v现代增压柴油机的机械效率在以下范围： v增压四冲程柴油机 0.800.90 v非增压四冲程柴油机 0.750.85 v增压二冲程柴油机 0.750.85 v非增压二冲程柴油机 0.700.80 第四节 废气涡轮增压系统的两种基本 形式 v两种基本形式 v恒压系统和脉冲系统 v恒压系统与脉冲系统的比较和选择 v1）脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量， 所以系统的可用能量比恒压系统大。 v2）脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处。 v脉冲系统的pt正处于波谷，因此即使在低增压和高 增压的部分负荷工况，仍能保持有足够的扫气压力 差pk-pt，保证气缸内良好的扫气。而在恒压

14、系统中 由于pt波动小，扫气压力差就大为减小，不容易保 证气缸的扫气。 v3）在脉冲系统中，由于排气管容积小，当柴油机 负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速 传递到涡轮机，引起增压器转速较快的变动，所以 脉冲系统的加速性能好。 v）从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均 绝热效率比恒压系统的略低。 v）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的， 其瞬时最大流量比恒压系统的流量（相当于脉冲系 统的平均流量）大，因此，脉冲涡轮的尺寸较大。 其排气管的结构也复杂，受每根排气管联接气缸数 目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废 气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂， 柴油机的轮廓尺

15、寸加大。 v 综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压 较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮 增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部 分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩 特性、加速性能要求比较高，即使是在高增特性、加速性能要求比较高，即使是在高增 压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。 第五节 废气涡轮增压柴油机的特点和 性能 v一、特点 v1主要参数的选取 v适当降低压缩比 v适当加大过量空 气系数 v2供油

16、系统 v增加每循环的供油量： v 方法：增大柱塞直径，增加供油速率（喷油 泵凸轮轮廓线较陡），提高喷油压力以及加 大喷油嘴喷孔直径等。 v减小供油提前角： v供油系统材料、流通面积： v3配气机构 v采用较大的气门重叠角，即增加进气门的开 启提前角和排气门的关闭迟后角，利用活塞 在上止点附近pk和pt的压力差进行扫气。 v加大进排气门升程： v4进排气系统 v在脉冲系统中，为了使扫气期间各缸的排气不互相 干扰，因此排气管必须分支。分支的原则是一根排 气管所连各缸排气必须不相重叠（或重叠很少）。 v增压柴油机的排气管承受的热负荷很高，排气管开 裂是常见的故障。 v增压柴油机的进气管容积希望尽可能

17、大一些，以减 少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发 动机性能。空滤也应相应增大，以免压气机进口压 力损失过大，引起柴油机性能恶化。 v5冷却增压空气 v将增压器出口的增压空气加以冷却，一方面 可以提高充气密度，从而提高柴油机功率； 另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度 和整个循环的平均温度，从而降低柴油机的 热负荷和排气温度。 v冷却增压空气的方法，一般是用水和空气在 中间冷却气中进行间接冷却。 v在低增压时没有必要设置中间冷却器。 v二、性能 v1低速转矩性能变化 v2加速性能变差 v3经济性有所改善 v4降低了排气污染及噪声 v5起动和制动有一定困难 v柴油机起动时，无高温排气，

18、涡轮机无法工作， 压气机也不能供气。增压柴油机在起动瞬时的进 气压力及温度均不高，加之压缩比较低，起动时 压缩终点的温度降低，造成着火与起动的困难。 v非增压柴油机，其制动力与气缸排量成正比。但 增压柴油机的升功率高，因此按增压后功率配置 的制动力就不足。为此，使用内燃机制动时借助 自动装置，在活塞压缩行程终了时将排气门打开， 这样就减去了气体膨胀功，而增大了内燃机的制 动力。 第六节 废气涡轮增压器与四冲程柴油 机的特性配合 v一、柴油机用涡轮增压器型号的编制原则 （gb727-65） v6dj表示在标准大气压条件下，供气量 为600m3的低增压径流式增压器。 v二、涡轮增压器的选用特性匹配

19、 v）根据柴油机的特定工况（如额定工况或 最大转矩工况）确定其在压气机特性曲线上 的位置（即根据内燃机选用合适型号的增压 器）； v）解决柴油机在整个运行区实现良好的配 合。 v选用的依据：废气涡轮增压器制造厂均提供压气机 的特性和涡轮机的特性等技术资料。 v根据柴油机特定工况时所需的空气流量（包括扫气 空气量）及压比，就可以判断该工况在某一压气机 特性曲线上的位置，若该点落在压气机特性曲线的 高效率区，即可初步选定增压器型号。 v涡轮增压器有一个大致确定的工作范围 v根据与柴油机联合运行的位置，可以判断增 压器与柴油机的配合是否良好。 v如果联合运行线与压气机特性曲线配合不够 理想，则需要进

20、行局部调整。方法是改变涡 轮喷嘴环出口截面积，或改变压气机通道截 面积。减少喷嘴环出口截面积可以使联合运 行线从压气机低效率区移向高效率区。但调 整有限，如果相差很远，只能以更换增压器 型号为宜。 第七节汽油机增压 当前汽油机涡轮增压有两种发展类型 ）化油器式汽油机涡轮增压器。 ）电控汽油直接喷射涡轮增压型。 v一、汽油机涡轮增压的特点 v1增压度较低。 v2汽油机压缩比较低（6-9）、过量空气系数范围 也较窄（0.85-1.05），燃油经济性较差； v3汽油机不能用混合气扫气，故不能用加大扫气 来冷却受热零件，所以增压热负荷偏高； v4汽油机由于压缩比低，故燃烧后的膨胀做功也 不充分，所以汽

21、油机排温较高，对废气涡轮的耐热 强度就有更高要求； v5汽油机速度范围较宽，功率和废气能量差别也 很大，涡轮增压器与汽油机的匹配较柴油机困难， 对增压器的性能有更高的要求。 v布置方案： 前置方案： 优点：优点： 1）化油器安装位置不变，化油器喉管流通截面也不用改）化油器安装位置不变，化油器喉管流通截面也不用改 变，混合气流程短，原发动机改装不至于困难；变，混合气流程短，原发动机改装不至于困难； 2）空气在增压其中压缩后温度升高，有利于化油器中燃）空气在增压其中压缩后温度升高，有利于化油器中燃 料的汽化；料的汽化； 3）汽油机回火不易损坏压气机叶轮；）汽油机回火不易损坏压气机叶轮； 4）增压器

22、发生故障而不能运转时，容易与汽油机脱开，）增压器发生故障而不能运转时，容易与汽油机脱开， 恢复原机运行。恢复原机运行。 v缺点： v1）化油器处在增压压力状态下工作，必须严格密封， 否则向外泄漏燃油； v2）化油器的供油量对空气密度变化不敏感，因此，在 低增压时混合气过浓，而在高增压时，混合气又过稀。 混合气很难随工况变化而加以调整； v3）供油系统比较复杂，汽油泵的供油压力必须随增压 压力提高而增压，供油量才能适应增压的要求。 v后置： v优点：优点： v1）化油器处于大气状态下工作，不必过分考虑化油器）化油器处于大气状态下工作，不必过分考虑化油器 的密封问题；的密封问题； v2）混合气经过压气机搅动，雾化和混合更好。同时，）混合气经过压气机搅动，雾化和混合更好。同时， 进入压气机的混合气进一步汽化吸热，使混合气温度下进入压气机的混合气进一步汽化吸热，使混合气温度下 降，从而减少了压气机的耗功；降，从而减少了压气机的耗功； v3）化油器供油特性易于满足增压要求，但由于通过化）化油器供油特性易于满足增压要求，但由于通过化 油器