发动机废气涡轮增压

1、车用发动机的废气涡轮增压车用发动机的废气涡轮增压 提高发动机的有效功率的主要途径提高发动机的有效功率的主要途径nLhiVPmissv0e111.在结构方面在结构方面 如增加气缸数、增大气缸直径、如增加气缸数、增大气缸直径、活塞行程；活塞行程；2.在工作过程方面在工作过程方面 采用二冲程工作过程，提高采用二冲程工作过程，提高充量系数，改善燃烧过程，提高指示效率，优化充量系数，改善燃烧过程，提高指示效率，优化空燃比。空燃比。3.提高机械效率方面提高机械效率方面 减少摩擦副的摩擦损失，减少摩擦副的摩擦损失，合理设计风扇、水泵、机油泵、电动机等辅助系合理设计风扇、水泵、机油泵、电动机等辅助系统。统。4

2、.在运行方面在运行方面 适当提高发动机转速或活塞平均适当提高发动机转速或活塞平均速度；速度；增压增压的概念的概念 增压是将空气压缩并供入气缸，用以提高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。充气密度、增加进气量的一项措施。 增压的目的在于提高功率，伴随着空气量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，即可增加增加，相应地增加循环供油量，即可增加功率功率发动机增压的特点发动机增压的特点 1)1)可以减少缸数或气缸直径，减少整机外形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，这对提高车辆使尺寸和单位功率的重量，这对提高车辆使用经济性很

3、有意义。用经济性很有意义。 2 2) )提高了热效率，降低了发动机的油耗率。提高了热效率，降低了发动机的油耗率。 3 3) )减少了排气污染及噪声。减少了排气污染及噪声。 4 4) )降低了单位功率的造价。降低了单位功率的造价。 5 5) )对补偿高原功率损失十分有利。对补偿高原功率损失十分有利。 6) 6)零部件的机械负荷和热负荷增加零部件的机械负荷和热负荷增加 概念概念： 增压度增压度发动机在增压后增长的功率发动机在增压后增长的功率与与 增压增压前的功率之比前的功率之比 10eke0e0ekekPPPPP 增压比增压比指指增压后气体压力与增压前气体增压后气体压力与增压前气体压力之比，简称压

4、比压力之比，简称压比 0kkpp 中冷度中冷度 增压后的空气先在中间冷却器中冷却后，再增压后的空气先在中间冷却器中冷却后，再进入气缸进入气缸增压中冷。用中冷度反映中间增压中冷。用中冷度反映中间冷却程度，定义中冷器前后空气温度差与中冷却程度，定义中冷器前后空气温度差与中冷器前空气温度的比值为中冷度：冷器前空气温度的比值为中冷度：bbbttt)(b增压的结构形式及分类 机机械械式式增增压压 1 1排气管排气管 2 2气缸气缸 3 3曲轴曲轴 4 4齿轮副齿轮副 5 5压气机压气机 6 6进气管进气管 废气涡轮增压废气涡轮增压 1 1排气管排气管 2 2涡轮壳体涡轮壳体 3 3涡轮涡轮 4 4转子轴

5、转子轴 5 5压气机压气机 6 6集气器集气器 7 7进气管进气管 单级涡轮增压单级涡轮增压恒压增压脉冲增压脉冲转换；多脉冲转换二级涡轮增压二级涡轮增压 复合式增压复合式增压 其他增压方式其他增压方式 惯性增压和气波增压惯性增压和气波增压 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直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波( (膨胀波膨胀波与压缩波与压缩波) )，迫使空气压缩，以提高进气压力，迫使空气压缩，以提高进气压力 优缺点：优缺点： 1 1与涡轮增压相比，可改善低速扭矩与涡轮增压相

6、比，可改善低速扭矩 2 2结构简单、加工方便、对主要件结构简单、加工方便、对主要件 （转子、轴承转子、轴承) )的材料及工艺要求不高的材料及工艺要求不高 3 3加速性好加速性好 4 4工况范围大工况范围大 5 5尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安装位置的限制装位置的限制 6 6噪声大噪声大中冷器中冷器 废气的温度可通过增压器的热传导提高进气的废气的温度可通过增压器的热传导提高进气的温度；空气在被压缩的过程中密度会升高，温温度；空气在被压缩的过程中密度会升高，温度也升高，从而影响发动机的充气效率。度也升高，从而影响发动机的充气效率。 有数据表明，

7、在相同的空燃比条件下，增压有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降空气的温度每下降 ，发动机功率就能，发动机功率就能提高。提高。 如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会增加发动机废气中的的含量，造成空气增加发动机废气中的的含量，造成空气污染。污染。 中冷器常分为风冷式和水冷式中冷器常分为风冷式和水冷式 风冷式中冷器风冷式中冷器散热芯体散热芯体流通管和散热片流通管和散热片 利用外界空气对

8、通过中冷器的空气进行冷却。利用外界空气对通过中冷器的空气进行冷却。优点：组成部件少，结构相对简单。优点：组成部件少，结构相对简单。 缺点：冷却效率比水冷式低，一般需要较长的缺点：冷却效率比水冷式低，一般需要较长的连接管路，空气通过阻力较大。连接管路，空气通过阻力较大。 风冷式中冷器因其结构简单和制造成本低而得风冷式中冷器因其结构简单和制造成本低而得到了广泛应用，大部分涡轮增压发动机使用的到了广泛应用，大部分涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器，例如华泰特拉卡越都是风冷式中冷器，例如华泰特拉卡越野车和一汽大众宝来轿车搭载的发野车和一汽大众宝来轿车搭载的发动机都使用了风冷式中冷器。动机都使用了风冷

9、式中冷器。水冷式中冷器水冷式中冷器优点：冷却效率较高，安装位置比较灵活，无需使优点：冷却效率较高，安装位置比较灵活，无需使用很长的连接管路，使得整个进气管路更加顺畅。用很长的连接管路，使得整个进气管路更加顺畅。缺点：是需要个与发动机冷却系统相对独立的循缺点：是需要个与发动机冷却系统相对独立的循环水系统与之配合，故制造成本较高，且结构复杂。环水系统与之配合，故制造成本较高，且结构复杂。冷却液将压缩空气冷却后温度会升高，因此需要冷却液将压缩空气冷却后温度会升高，因此需要个独立的散热器个独立的散热器为冷却水降温。为冷却水降温。水冷式中冷器的应用比较少，一般用在发动机中置水冷式中冷器的应用比较少，一般

10、用在发动机中置或后置的车辆上，以及大排量发动机上，例如奔驰或后置的车辆上，以及大排量发动机上，例如奔驰S400CDI轿车和奥迪轿车和奥迪A8TDI轿车搭载的发动机都使轿车搭载的发动机都使用了水冷式中冷器。用了水冷式中冷器。废气涡轮增压废气涡轮增压器的基本结构和工作器的基本结构和工作原理原理1 1压气机蜗壳压气机蜗壳 2 2压气机叶轮压气机叶轮 3 3密封套密封套4 4推力轴承推力轴承 5 5挡油板挡油板 6 6隔热板隔热板 7 7卡环卡环 8 8涡轮机叶轮涡轮机叶轮 9 9涡轮机蜗壳涡轮机蜗壳 离心式压气机的工作原理离心式压气机的工作原理 压气机中气流参数的变化压气机中气流参数的变化 括压器的

11、工作括压器的工作压气机的绝热效率压气机的绝热效率 空气的压缩过程空气的压缩过程空气的压缩功空气的压缩功 耗功最小的是可逆绝热过程，所需的绝耗功最小的是可逆绝热过程，所需的绝热压缩功：热压缩功： 实际压缩是多变过程，所需的压缩功：实际压缩是多变过程，所需的压缩功：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压气机功率压气机功率压气机的特性曲线压气机的特性曲线 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

12、之间的关系关系压气机压比流量特性分析压气机压比流量特性分析 最高效率：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

13、围 无叶扩无叶扩压器的压器的压气机压气机提高高效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通用特性曲线通用特性曲线通用特性曲线通用特性曲线径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理涡轮机中气流参数的变化涡轮机中气流参数的变化涡轮机效率、功率及涡轮增压器总效率涡轮机效率、功率及涡轮增压器总效率涡轮机效率涡轮机效率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

14、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示功图四冲程涡轮增压发动机理论示功图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恒压与脉冲增压系统比较恒压与脉冲增压系统比较 脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用能量比恒压系统大能量比恒压系统大 脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处 脉冲系统的加速性能较好脉冲系统的加速性能

15、较好排气管容积小，负荷排气管容积小，负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递改变时，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地变动到涡轮机，引起增压器转速较快地变动 脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低 脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂第四节第四节 车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点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

16、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根据发动机特定工况时所需的空气流量( (包括包括扫气空气量扫气空气量) )及压比，判断该工况在某一压气及压比，判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，使该点落在压气机特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性曲线的高效率区 叶片机的高效率窄，不可能使发动机所有工叶片机的高效率窄，不可能使

17、发动机所有工况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及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况作为设计工况，把最大扭矩点的工况放在高效率区高效率区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压气机受喘振 大流量大流量效率下降过多，效率下降过多， 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最大扭矩点的匹配最大扭矩点的匹配 涡轮增压器的工作范围涡轮增压

18、器的工作范围涡轮增压器与柴油机联合运行区涡轮增压器与柴油机联合运行区增压发动机在结构上的变动增压发动机在结构上的变动 增大供油量、调整供油系 改变配气相位 合理地增加气阀重叠角。 减小压缩比、增大过量空气系数 设置分支排气管 冷却增压空气设置分支排气管设置分支排气管车用增压发动机性能车用增压发动机性能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

19、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。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

20、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、排气阻力及换气损失增加，对低负荷经济性没有明显作用。 转速：转速：保持原有功率和较高扭矩的情况下，适当降低发动机转速 与车辆参数合理配合与车辆参数合理配合 增压中冷增压中冷 压气机效

21、率压气机效率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影响经济性改善的因素影响经济性改善的因素增压中冷增压中冷影响经济性改善的因素影响经济性改善的因素压气机效率压气机效率降低了排气污染及噪声降低了排气污染及噪声起动与制动有一定困难起动与制动有一定困难 起动时，无高温排气，使涡轮机无法工作，压气机也不能供气。这时增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高，加上增压柴油机的压 缩比较低，使起动时压缩终点的温度降低，造成着火与起动的困难 按增压后的功率配置的载货汽车发动机的制动力不足采用排气制动废气涡轮增压废气涡轮增压的的类型类型 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型 a a恒压恒压涡轮增

22、压系统涡轮增压系统 b b脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 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恒压与脉冲增压系统比较恒压与脉冲增压系统比较 脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用能量比恒压系统大能量比恒压系统大 脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处 脉冲系统的加速性能较好脉冲系统的加速性能较好排气管容积小，负荷排气管容积小，负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递改变时，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地变动到涡轮机，引起增压器转速较快地变动 脉冲系统

23、的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低 脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂废气能量的利用废气能量的利用 1 1废气的最大可用能废气的最大可用能 四四冲程增压柴油机冲程增压柴油机理论示功图理论示功图 涡轮增压器与柴油机联合运行的基本涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点特点一是根据发动机的特定工况(如额定工况或最大扭矩工况)，确定其在压气机特性曲线上的位置(即根据发动机选用合适型号的增压器)；二是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。增压发动机在结构上的变动增压发动机在结构上的变动 增大供油量、调整供油系 改

24、变配气相位 合理地增加气阀重叠角。 减小压缩比、增大过量空气系数 设置分支排气管 冷却增压空气设置分支排气管设置分支排气管 废气涡轮增压对发动机性能的影响 1低速转矩性能变差 2加速性能变差 3.经济性改善 3降低排气污染和噪声 4起动与制动有一定困难 增压对发动机性能的影响增压对发动机性能的影响1.低速低速扭矩性能扭矩性能: 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。2.2.加速加速性能变差性能变差 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