04910汽车拖拉机发动机第七章 车用发动机的废气涡轮增压

1、 第七章第七章 车用发动机的废气车用发动机的废气 涡轮增压涡轮增压 第一节第一节 概述概述 增压增压是将空气压缩并供入气缸，用以提高 充气密度、增加进气量的一项措施。 增压的目的增压的目的在于提高功率，伴随着空气量 增加，相应地增加循环供油量，即可增加 功率 发动机增压的优点发动机增压的优点 1)可以减少缸数或气缸直径，减少整机外形 尺寸和单位功率的重量，这对提高车辆使 用经济性很有意义。 2)提高了热效率，降低了发动机的油耗率。 3)减少了排气污染及噪声。 4)降低了单位功率的造价。 5)对补偿高原功率损失十分有利。 发动机增压技术上的困难发动机增压技术上的困难 1)采用增压使发动机主要零部

2、件的机械负荷 与热负荷增高。 2)适用的小型增压器发展较晚，而且小型涡 轮增压器的效率偏低。 3)长期以来增压发动机很难满足车辆对扭矩 适应性及瞬变工况的要求。 4)车用汽油机增压遇到的困难更多。 增压度增压度 ：是指发动机在增压后增长的功率与增压 前的功率之比。它反映发动机采用增压后使功率提高 的程度。 式中，Pe-0 、 Pe-k 分别为增压前后的功率 0 00 1 ekeek ee PPP PP 目前，多数车用发动机的增压度不高，大约在10- 60%的范围内，大部分为20-30%（而船用大型低速四 冲程柴油机的增压度可达 3.0以上）。这是因为车用发 动机增压不仅要求功率增加，而且还要在

3、较大的转速 和负荷范围内满足动力性能、经济性能、排放与成本 等多方面的要求，一般增压度不高。 增压比增压比 ：是指增压后气体压力 与增压前气 体压力 之比，即 通常，增压按两种方法分类： 一种是按增压系统的结构分类； 一种是按增压比分类。 k k P 0 P 0 PPk k 1）低增压： 2.5，对应的 1500kpa。 4）超高压： 4.55.5，对应的 =2500-3500kpa以 上。 按增压的结构形式分类按增压的结构形式分类： 机械增压系统、废气涡轮增压系统、复合式发动 机、组合式涡轮增压系统、气波增压系统等。 k me P k me P k me P k me P 按增压比分类按增压

4、比分类 废气涡轮增压系统废气涡轮增压系统 发动机排出的具有发动机排出的具有 一定能量的废气进入一定能量的废气进入 废气涡轮并膨胀做功。废气涡轮并膨胀做功。 废气涡轮的全部功率废气涡轮的全部功率 用于驱动与涡轮机同用于驱动与涡轮机同 轴旋转的压气机工作轴旋转的压气机工作 轮，在压气机中将新轮，在压气机中将新 鲜空气压缩后，再送鲜空气压缩后，再送 入气缸入气缸 废气涡轮增压与非增压性能比较废气涡轮增压与非增压性能比较 1由于利用了废气能量，有利于改善由于利用了废气能量，有利于改善 整机动力性及经济性整机动力性及经济性 2改善了排放品质改善了排放品质 3起动性、加速性变差起动性、加速性变差 4改善低

5、速扭矩特性有一定困难改善低速扭矩特性有一定困难 5热负荷及机械负荷增加热负荷及机械负荷增加 废气涡轮增压发动机优缺点废气涡轮增压发动机优缺点 1由于利用了废气能量，有利于改善整 机动力性及经济性 2改善了排放品质 3起动性、加速性变差 4改善低速扭矩特性有一定困难 5热负荷及机械负荷增加 复合式发动机复合式发动机 复合式发动机优缺点复合式发动机优缺点 1、能充分利用废气能量，使动力性、经济性大为 改善 2、由于排气经过两级祸轮，使噪声降低 3、结构复杂，成本高，技术难度大 4、加速性变差，柴油机绝热化+涡轮复合式是一种 很有效的方案 组合式涡轮增压组合式涡轮增压 组合式增压优缺点组合式增压优缺

6、点 原理原理：由废气涡轮增压废气涡轮增压与进气惯性增压进气惯性增压组合而成。 在该增压系统中除涡轮增压器外，还有由稳压箱、 共振管、共振室等构成的惯性增压系统 优缺点：优缺点： 1与涡轮增压相比，结构不算复杂 2对改善低速扭矩有益 3加速性变好 4，进气管路比较庞大 5采用三缸一管谐振效果明显，采用二缸一管谐 振效果较差 气波增压气波增压 气波增压优缺点气波增压优缺点 原理：原理：由曲轴驱动一个特殊的转子，在转子中废气 直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波(膨胀波 与压缩波)，迫使空气压缩，以提高进气压力 优缺点优缺点： 1与涡轮增压相比，可改善低速扭矩 2结构简单、加工方便、对主要件 （转

7、子、轴承) 的材料及工艺要求不高 3加速性好 4工况范围大 5尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安 装位置的限制 6噪声大 涡轮增压的主要优点涡轮增压的主要优点： 1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一 般可提高功率20-50%，而且容易实现高增压。 2）由于压气机消耗的功率是涡轮从废气中回收的一部分能量， 再加上相对地减少了机械损失和散热损失，提高了机械效率 和热效率，使内燃机增压后油耗率可降低5-10%，经济性能 有明显提高。 3）可降低排气噪声和烟度。废气在涡轮中实现充分膨胀，排 气噪声降低；废气中的有害成分也可减少，因而减少了对环 境的污染。 涡轮增压的缺点：涡轮

8、增压的缺点： 涡轮增压内燃机气体流路长，加速性能较差；热负荷问题较严 重（特别是高增压时），对大气温度和排气背压较敏感。 按废气在涡轮中不同的流动方向，可分为径流式径流式废气涡轮 增压器和轴流式轴流式废气涡轮增压器两类。一般车用发动机多采用 径流式，以适应高转速和较高响应性能的要求。而大、中型柴 油机多采用轴流式涡轮增压器。 径流式涡轮增压器由离心式压气机（包括压气机叶轮、压 气机蜗壳等）、径流式涡轮（包括涡轮叶轮、涡轮蜗壳等）和 中间体三个主要部分，以及支承装置、密封装置、冷却系统和 润滑系统等组成。 第二节废气涡轮增压器的工作原理第二节废气涡轮增压器的工作原理 径流式涡轮车用发动机 轴流式

9、涡轮大、中型柴油机 径流式涡轮增压器：离心式压气机+径流式涡轮机 其他组件： 支承装置 密封装置 冷却系统 润滑系统 径流式涡轮增压器的构成径流式涡轮增压器的构成 一、离心式压气机的工作原理一、离心式压气机的工作原理 （一）空气在压气机中的流动（一）空气在压气机中的流动 组成：组成：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4组成。 基本工作原理基本工作原理 ：空气沿收敛型的轴向进气道略有加速 地进入工作轮，并沿着工作轮上叶片所构成的通道 流动，由于工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工 作轮的机械能传递给气体，转变为气体的动能，使 气体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所受 径

10、向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运 动，达到了增压的目的。 总之总之，空气流经压气机的各个通道之后，完成了一系 列的能量转换，将涡轮机传给压气机工作轮的大部 分机械能转变为空气流的压力能。 扩压器的工作扩压器的工作 空气参数沿压气机通道的变化空气参数沿压气机通道的变化 （二）压气机的绝热效率（二）压气机的绝热效率 衡量压气机性能的基本指衡量压气机性能的基本指 标标 空气的压缩过程空气的压缩过程 1. 空气的压缩功空气的压缩功 理想状况，耗功最小的是可逆绝热过程，理想状况，耗功最小的是可逆绝热过程， 所需的绝热压缩功：所需的绝热压缩功： 实际压缩是多变过程，所需的压缩功：实际压缩是多变过

11、程，所需的压缩功： 2. 绝热效率绝热效率 压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空压缩到同一压力时，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气的绝热压缩功与在实际压气机中消耗的实 际压缩功之比际压缩功之比 目前涡轮增压器上应用的离心式压气机，绝目前涡轮增压器上应用的离心式压气机，绝 热效率为热效率为0.60-0.80.0.60-0.80. 3. 压气机功率压气机功率 （三）压气机的特性曲线（三）压气机的特性曲线 在不同转速下在不同转速下 压气机的压力压气机的压力 比及效率与空比及效率与空 气流量之间的气流量之间的 关系关系 1.压气机压比流量特性压气机压比流量特性 最高效率

12、：最高效率：当等转速线从大流量向小流量变化时，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。 喘振：喘振：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，称为喘振。 喘振线：喘振线：将各种转速下的喘振点连接起来，就可以确 定一条不稳定工作的边界线，称为喘振线。 等效率曲线：等效率曲线：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。 提高高效率区的流量范围提高高效率区的流量范围 无叶扩无叶扩 压器的压器的 压气机压气机 提高高效

13、率区的流量范围提高高效率区的流量范围 后掠式工作轮后掠式工作轮 2. 通用特性曲线通用特性曲线 换算后的速度称为折合速度换算后的速度称为折合速度nk-np 通用特性曲线通用特性曲线 二、径流式涡轮机的工作原理二、径流式涡轮机的工作原理 涡轮的功用是将废气所拥有的能量尽可能多地 转化为涡轮旋转的机械功。 1、燃气在涡轮中的流动、燃气在涡轮中的流动 径流式涡轮机主要是由进气蜗壳，喷嘴叶片环，工作叶轮以及进、 出气道等组成。 进气蜗壳的作用是引导内燃机废气均匀地进入涡轮。根据增压系统 的要求，蜗壳可以有一个或两个甚至更多的进气口。 喷嘴叶片环是周向均匀安装、带有一定倾角的叶片所组成的多个减 缩通道。

14、 废气从工作叶轮转子的外缘由进气蜗壳流入，经过一系列工作路径 后从涡轮中心轴向流出。由内燃机中排出的气体具有一定的压力、温度 与速度，经进气蜗壳后直接流入喷嘴叶片环中。气流流过喷嘴叶片环时， 部分压力能转变为动能，气体得到加速而压力、温度下降，且具有很强 的方向性，便于均匀而有序地流入涡轮机的工作叶轮。 涡轮机中气流参数的变化涡轮机中气流参数的变化 在涡轮工作叶轮中，叶片之间的通道也呈渐缩状，气体在通道中将 继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时，气流转向。由于离心力作用的 结果，在叶片的凹面上压力得到提高，而在凸面则降低。作用在叶片表 面的压力的合力，产生转矩。此时，在工作叶轮出口处压力、温度以

15、及 速度均下降，而出口处速度已经大大小于进口速度，说明气体膨胀所获 得的动能已大部分传给了工作叶轮。但由于排放的气体仍然具有一定速 度，且该部分动能未能在涡轮中得到利用而直接进入排气管，故通常将 该部分动能称为余项损失。 图7-12可以看出，在废气涡轮的工作过程中，具有一定动能及压力 能的废气在喷嘴叶片环通道中仅部分地得到加速而转变为废气的动能， 而从喷嘴叶片环中流出的具有一定动能及压力能的废气，则在工作叶轮 中大部分转变为机械功，最终用来驱动压气机。 2. 涡轮机特性涡轮机特性 涡轮机效率涡轮机效率 可用焓降可用焓降可以理解为废气在涡轮入口处具有 的压力能与动能的总和。当可用焓降在涡轮 机中

16、绝热膨胀至涡轮出口背压时所做的功， 就是实际上废气可用能量转换为机械功的最 高限额。 据统计，涡轮效率为0.650.85。 （2）膨胀比膨胀比 涡轮膨胀比是代表气体在涡轮中具有作功能 力的重要参数，定义为涡轮进口气体滞止压力 与涡轮出 口气体静压力 之比，即 （3）气体质量流量气体质量流量 单位时间内通过涡轮的气体质量称为 涡轮的气体流量。在涡轮增压发动机中，无泄漏和放气时， 通过涡轮的气体流量等于压气机流量和发动机燃烧的燃料 流量之和。 在分析各性能参数之间的关系时，为使涡轮性能在不同入 口气体状态下具有可比性，采用相似流量 来表征涡轮的流量。其中 为滞止温度， 为气体滞止 压力。 0TT

17、pp T T p 0 p mT q * TTmT pTq * T T * T p 涡轮机阻塞涡轮机阻塞 燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量 增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达 到最大值 涡轮机流量特性虽然受阻塞现象的限制，但涡 轮机的工作范围常比压气机大得多。一种涡轮 机可以和多种不同的压气机配套使用 第三节第三节 废气能量的利用废气能量的利用 自然吸气的活塞式内燃机，间断燃烧而 能做到从高温吸热，热效率高，但不能 做到完全膨胀。 涡轮式机械能完全膨胀，适应的转速高， 单位功率的体积与重量比较小。但工作 温度不可能太高。 两者合理结合，有利于能量的充分利用 四冲程涡轮增压发动机理论

18、示功图四冲程涡轮增压发动机理论示功图 废气涡轮增压的基本类型废气涡轮增压的基本类型 涡轮增压内燃机中，根据废气能量的利用方式， 可以分为恒压涡轮增压系统和脉冲（变压）涡轮增恒压涡轮增压系统和脉冲（变压）涡轮增 压系统压系统两种基本类型，其他增压系统大都是由这两种 系统演变而来。 恒压增压系统与脉冲增压系统恒压增压系统与脉冲增压系统 一、恒压涡轮增压系统一、恒压涡轮增压系统 恒压涡轮增压系统的特点是涡轮前的废气压力基 本上保持恒定。把各缸的排气管通向一根排气总管上。 且排气总管的容积要足够大，应能起稳定压力的作用。 这时虽然各气缸的排气时间互有差距，压力波动较大， 但汇集到排气总管后，互相混合减

19、速和滞止，基本保 持恒定压力，然后，废气按定压由排气总管导入涡轮 机的喷嘴环。 二、脉冲涡轮增压系统二、脉冲涡轮增压系统 为了更好地利用内燃机废气的脉冲能量，可以采 用脉冲涡轮增压系统，其特点是：把各缸的排气支管 做得短而细，涡轮增压器尽量靠近气缸，并且几个气 缸（通常有2到3个缸）连接一根排气管，这样在每一 根排气管中就形成几个连续的互不干扰的废气脉冲波 （或称废气压力波）进入废气涡轮中；同时把涡轮的 喷嘴环根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。 由于涡轮处在进气压力波动较大的条件下工作，所以 该系统又称为变压式涡轮增压系统。 定压和脉冲增压涡轮系统的不同点：定压和脉冲增压涡轮系统的不同

20、点： （1）废气能量利用效果 脉冲涡轮增压废气能量的损失比定压涡轮增压小，对废 气能量的利用比定压增压要好。但当增压比提高时，两种 系统对废气能量的利用效果将逐渐接近。一般增压比小于 2.5时，采用脉冲增压系统对于废气的利用是比较有利的。 （2）内燃机气缸内扫气作用 即使在部分负荷工况下，脉冲涡轮增压系统仍能保持 足够的扫气压力差，以保证气缸有良好的扫气，达到提高 充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。定压系 统则不容易保证气缸内的扫气。 （3）内燃机的加速性能 采用脉冲涡轮增压系统的内燃机加速性能较好，另外，在内燃机转速降低时， 脉冲涡轮增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，

21、有利于改善内燃机 的转矩特性。 （4）增压器效率 从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的平均绝热效率比定压系统略低。定压系统 的涡轮前压力恒定，且涡轮喷嘴环全周进气，涡轮的效率较高 （5）增压器系统的结构 脉冲涡轮增压系统的尺寸较大，排气管的结构也比较复杂。 1.1.废气能量利用的效果废气能量利用的效果 脉冲增压对废气能量的利用比恒压增压要脉冲增压对废气能量的利用比恒压增压要好好。 . .内燃机气缸内的扫气作用内燃机气缸内的扫气作用 脉冲增压扫气作用比恒压增压要脉冲增压扫气作用比恒压增压要好好。 . .内燃机的加速性能内燃机的加速性能 脉冲增压的加速性能比恒压增压要脉冲增压的加速性能比恒压增压要好好

22、。 5.5.增压系统的废气瞬时流量增压系统的废气瞬时流量 （周期性变化）（周期性变化） 脉冲系统的瞬时最大流量比恒压系统的流量脉冲系统的瞬时最大流量比恒压系统的流量大大。脉冲涡轮的尺寸较大，其。脉冲涡轮的尺寸较大，其 排气管的结构复杂排气管的结构复杂 结论：结论：在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的； 在高增压时，则宜采用恒压涡轮增压。在高增压时，则宜采用恒压涡轮增压。 . .废气涡轮的效率废气涡轮的效率 脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低低。 恒压与脉冲增压系统比较恒压与脉冲增压系统比较 第四节第四节 车用

23、增压发动机的性能车用增压发动机的性能 一、涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点一、涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点 一是根据发动机的特定工况一是根据发动机的特定工况( (如额定工况如额定工况 或最大扭矩工况或最大扭矩工况) )，确定其在压气机特，确定其在压气机特 性曲线上的位置性曲线上的位置( (即根据发动机选用合即根据发动机选用合 适型号的增压器适型号的增压器) )； 二是要解决发动机在整个运行区与增压器二是要解决发动机在整个运行区与增压器 实现良好的配合。实现良好的配合。 增压器选用增压器选用 根据发动机特定工况时所需的空气流量空气流量(包括 扫气空气量)及压比，判断该工况在某一压气

24、机特性曲线上的位置，使该点落在压气机特 性曲线的高效率区 叶片机的高效率高效率窄，不可能使发动机所有工 况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及 到柴油机的某些特定的工况 车用柴油机选配增压器时，常以最大扭矩工 况作为设计工况，把最大扭矩点的工况放在 高效率区 最大扭矩点的匹配最大扭矩点的匹配 确定涡轮增压器的工作范围确定涡轮增压器的工作范围 小流量小流量压气机受喘振限制压气机受喘振限制 大流量大流量效率下降过多，受限效率下降过多，受限 高速、高负荷高速、高负荷机械强度允许转速，机械强度允许转速， 涡轮机叶片承受的温度涡轮机叶片承受的温度 涡轮增压器的工作范围涡轮增压器的工作范围 涡轮增压器与柴

25、油机联合运行区涡轮增压器与柴油机联合运行区 二、增压发动机在结构上的变动二、增压发动机在结构上的变动 （1）增大供油量、调整供油系 （2）改变配气相位 合理地增加气阀重叠角。 （3）减小压缩比、增大过量空气系数 （4）设置分支排气管 （5）冷却增压空气 （6）其他改动部分 设置分支排气管设置分支排气管 三、车用增压发动机性能三、车用增压发动机性能 （1）低速扭矩性能）低速扭矩性能: 一般涡轮增压柴油机在低速时扭矩性能差： 低速时增压压力不足，致使循环供气量不足 增压发动机的扭矩储备不好，也可以说是因 为高速、高负荷区的废气能量过高，或压气 机供气量过多 解决措施解决措施 采用脉冲增压，充分利用

26、低速时的脉冲能量，采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量， 使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配 合以及采用低速气门定时合以及采用低速气门定时 车用增压发动机性能车用增压发动机性能 车用增压发动机性能车用增压发动机性能 解决措施解决措施 放气调节：放气调节：高速运行时放掉涡轮机前一部分废 气，或者放掉压气机 后一部分增压空气。 （2）加速性能变差）加速性能变差 涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器 自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差 解决措施解决措施 脉冲增压脉冲增压 减少进、排气管道容积；减少进、排气管道容积； 放气调节或可变喷嘴环；放气调节或可变喷嘴环； 减少转子的转动惯量；减少转子的转动惯量； 采用较小的气阀重叠角采用较小的气阀重叠角 利用车辆上的制动空气系统的高压空气利用车辆上的制动空气系统的高压空气 向压气机工作轮进行喷射，可以起到帮向压气机工作轮进行喷射，可以起到帮 助增压器加速的作用助增压器加速的作用 （3）经济性改善）经济性改善 影响经济性改善的因素影响经济性改善的因素 负荷率负荷率：增压使功率范围扩大，高负荷的经 济运行范围扩大了；而在低负荷区，增压器 的能量转换不好，进、排