第7章 发动机废气涡轮增压(2003版)

1、第二篇第二篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用 要求了解发动机增压的概念、衡量指标和发要求了解发动机增压的概念、衡量指标和发动机增压的种类；动机增压的种类； 了解废气涡轮增压器的结构、工作原理、了解废气涡轮增压器的结构、工作原理、废气涡轮增压的类型、废气能量的利用和对发废气涡轮增压的类型、废气能量的利用和对发动机性能的影响。动机性能的影响。提高发动机的有效功率和平均有效压力的途径提高发动机的有效功率和平均有效压力的途径 30smeeinVpP ,42SdVs30Sncm/me2me2epciDpSiDPmnscmaitmep(7-1)(7-2)（5-18）（5-21） 经分析，提高发动机的

2、单机功率有以下三条途径：经分析，提高发动机的单机功率有以下三条途径：（1 1）改变发动机的结构参数，如增加气缸数）改变发动机的结构参数，如增加气缸数i i、增大、增大气缸直径气缸直径D D、活塞行程、活塞行程S S 和减少行程数和减少行程数 等；等；（2 2）提高发动机转速或活塞平均速度）提高发动机转速或活塞平均速度 ；（3 3）提高发动机的平均有效压力）提高发动机的平均有效压力 。mepmC 用加大车用发动机结构参数来提高发动机功率，将受到安用加大车用发动机结构参数来提高发动机功率，将受到安装位置和自重的限制。装位置和自重的限制。 如提高发动机的转速，向高速发动机发展虽然可行，但发如提高发动

3、机的转速，向高速发动机发展虽然可行，但发动机转速的提高收到活塞平均速度动机转速的提高收到活塞平均速度C Cm m的限制。的限制。充量系数充量系数和和机械效率机械效率都随着活塞都随着活塞平均速度平均速度的提高显著下降。的提高显著下降。 燃料的经济性、发动机运转可靠性、机件寿命及噪声等因燃料的经济性、发动机运转可靠性、机件寿命及噪声等因素也限制了活塞平均速度的提高。素也限制了活塞平均速度的提高。 只有提高发动机的平均有效压力才是最经济的方法。只有提高发动机的平均有效压力才是最经济的方法。 可通过可通过减小过量空气系数减小过量空气系数 ，提高充量系数提高充量系数 等。等。aac发动机增压的概念发动机

4、增压的概念 增压增压 增压增压就是利用增压器将空气或可燃混合就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机汽缸的过程。增气进行压缩，再送入发动机汽缸的过程。增压后，每循环进入汽缸的新鲜充气压后，每循环进入汽缸的新鲜充气密度增大密度增大，使使充气量增多充气量增多，从而达到提高发动机功率和，从而达到提高发动机功率和改善经济性的目的。改善经济性的目的。 特点：特点：（1 1）功率相同时，尺寸减小，质量减轻）功率相同时，尺寸减小，质量减轻（2 2）在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小）在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小（3 3）可将扭矩特性改进为低速高扭矩）可将扭矩特性改进为低速高扭矩（

5、4 4）可进行高原功率补偿）可进行高原功率补偿（5 5）排放降低）排放降低（6 6）降低噪声）降低噪声 （7 7）机械损失减少，经济性得到改善）机械损失减少，经济性得到改善（8 8）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7.1.27.1.2增压发动机的特点增压发动机的特点7.1.3 7.1.3 增压增压的衡量指标的衡量指标增压的衡量指标增压的衡量指标增压度增压度增压比增压比7.1.3 7.1.3 增压的衡量指标增压的衡量指标 增压度增压度发动机在增压后增长的功率与增压发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比前的功率之比 10eke0e0ekekPPPPP 增压度增压度:

6、:小于小于1.91.9时，为时，为低增压低增压；在；在1.92.51.92.5范围范围内，为内，为中增压中增压；在；在2.53.52.53.5范围内，为范围内，为高增压高增压；大；大于于3.53.5时为时为超高增压。超高增压。(7-3) 增压比增压比-指增压后气体压力与增压前气体压力指增压后气体压力与增压前气体压力比。比。0kkpp增压的衡量指标增压的衡量指标 增压比增压比k k :小于小于1.61.6时为时为低增压低增压，k k为为1.62.51.62.5时为时为中增压中增压，当，当k k为为2.54.52.54.5时，时，为为高增压高增压。(7-4)7.1.4 7.1.4 增压增压的结构形

7、式及分类的结构形式及分类增压三种增压三种基本形式基本形式机械式增压机械式增压废气涡轮增压废气涡轮增压气波增压气波增压 按增压系统的结构形式和工作原理，发按增压系统的结构形式和工作原理，发动机增压可分为：动机增压可分为： 机械式增压机械式增压 在机械式增压系统中，增在机械式增压系统中，增压器的压器的压气机压气机由发动机曲由发动机曲轴通过齿轮变速箱或其他轴通过齿轮变速箱或其他类型传动装置来驱动，将类型传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机汽气体压缩并送入发动机汽缸中。缸中。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进气管进气管图图7.17.1

8、 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 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涡轮并涡轮并膨胀做功膨胀做功，废，废气涡轮的全部功率用气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶旋转的压气机工作叶轮，在压气机中将新轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入鲜空气压缩后再送入汽缸。汽缸。图图7.27.23 3气波增压气波增压 11发动机发动机 2 2转子转子 3 3带轮驱动带轮驱动 44高压排气高压排气 5 5高压空气高

9、压空气 6 6低压空低压空气气 7 7低压排气低压排气 气波增压，即由曲轴气波增压，即由曲轴 驱动一个特殊转子，在驱动一个特殊转子，在转子中废气直接与空气转子中废气直接与空气接触，利用高压废气的接触，利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气压压缩，从而提高进气压力。力。图图7.37.37.2 7.2 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 废气涡轮增压器是利用内燃机排出的部分废废气涡轮增压器是利用内燃机排出的部分废气能量，推动气能量，推动涡轮机涡轮机高速旋转，从而带动安装在高速旋转，从而带动安

10、装在同一根轴上的同一根轴上的离心式压气机离心式压气机，增大内燃机进气压，增大内燃机进气压力的工作机械。力的工作机械。 按废气在涡轮机中不同的流动方向，可分为按废气在涡轮机中不同的流动方向，可分为径流式废气涡轮增压器径流式废气涡轮增压器与与轴流式废气涡轮增压器轴流式废气涡轮增压器两类。一般车用发动机采用两类。一般车用发动机采用径流式径流式。径流式涡径流式涡轮增压器轮增压器离心式压气机离心式压气机密封装置密封装置径流式涡轮径流式涡轮支撑装置支撑装置冷却系统冷却系统润滑系统润滑系统压气机涡壳、压气机涡壳、压气机叶轮压气机叶轮涡轮叶轮、涡轮叶轮、涡轮蜗壳涡轮蜗壳中间体中间体7.2 7.2 废气涡轮增压

11、器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理11压气机蜗壳压气机蜗壳 22压气机叶轮压气机叶轮 33密封套密封套44推力轴承推力轴承 55挡油板挡油板66隔热板隔热板 77卡环卡环 88涡轮机叶轮涡轮机叶轮 99涡轮机蜗壳涡轮机蜗壳 径流式涡轮增压器径流式涡轮增压器图图7.57.5 径流式涡轮的工作原理：径流式涡轮的工作原理：1 1、燃气在涡轮机中的流动、燃气在涡轮机中的流动2 2、涡轮机特性曲线、涡轮机特性曲线 主要工作参数主要工作参数1 1）涡轮效率涡轮效率 涡轮将废气能量转换为机械功的有效程度。涡轮将废气能量转换为机械功的有效程度。2 2）膨胀比膨胀比 涡轮进口气体滞止压力涡

12、轮进口气体滞止压力 与涡轮出口气体静压与涡轮出口气体静压力力 之比。之比。3 3）气体流量气体流量 单位时间单位时间 通过涡轮的气体质量，通过涡轮的气体质量， 表示。表示。TTTHW（7-5）popoTTpp（7-6）mTq4 4）涡轮转速涡轮转速 涡轮与压气机同轴，统称涡轮增压器转速。涡轮与压气机同轴，统称涡轮增压器转速。涡轮机发出的功率涡轮机发出的功率： TTmTTHqP1000（7-7）滞止参数：滞止参数：认为在外界没有热、功交换的情况认为在外界没有热、功交换的情况下，气流速度被滞止到零时的气体参数，以下，气流速度被滞止到零时的气体参数，以 、 等表示。等表示。 气体动力计算中使用滞止参

13、数能使问题简化。气体动力计算中使用滞止参数能使问题简化。pT1kkTTpp21005CTT导风轮工作原理导风轮工作原理 为减少损失，使气流无冲击进入为减少损失，使气流无冲击进入工作轮，叶片前缘弯曲，使与气流进工作轮，叶片前缘弯曲，使与气流进入工作轮的相对速度的方向几乎重和。入工作轮的相对速度的方向几乎重和。 半开式工作轮半开式工作轮： 叶片弯曲部分称为：叶片弯曲部分称为：导风轮导风轮 半开式工作轮缺点：叶片和壳体间隙中半开式工作轮缺点：叶片和壳体间隙中气体的摩擦和潜流（气体越过叶片顶部由气体的摩擦和潜流（气体越过叶片顶部由一个顶部流道流至另一个流道）损失较大一个顶部流道流至另一个流道）损失较大

14、 优点优点：制造简单：制造简单 无叶扩压室（使流出工作无叶扩压室（使流出工作室的高速气流的速度变得室的高速气流的速度变得均匀、略降低）均匀、略降低）7.37.3废气涡轮增压的类型与废气能量的利用废气涡轮增压的类型与废气能量的利用 7.3.1 7.3.1 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型 根据废气能量的利用，可以分为根据废气能量的利用，可以分为定压涡轮增压定压涡轮增压系统系统和和脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统。 废气涡轮废气涡轮增压的类型增压的类型 定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统 ：涡轮前的废气压力基本上：涡轮前的废气压

15、力基本上保持恒定，把各缸的排气管部通向一根保持恒定，把各缸的排气管部通向一根排气总管排气总管上。上。且排气总管的容积要足够大，应能起稳定压力的作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异，压力波用。这时虽然各气缸的排气时间互有差异，压力波动较大，但汇集到排气总管后，互相混合减速和滞动较大，但汇集到排气总管后，互相混合减速和滞止，基本保持恒定压力，然后，废气按定压由排气止，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。总管导入涡轮机的喷嘴。 脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统特点：把各缸的排气歧管做得脉冲涡轮增压系统特点：把各

16、缸的排气歧管做得短短而而细细，涡轮增压器尽量靠近汽缸，并且几个汽缸连接一，涡轮增压器尽量靠近汽缸，并且几个汽缸连接一根排气管。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不干扰的废气脉冲波进入废气涡轮机中。废气脉冲波进入废气涡轮机中。7.3 7.3 废气涡轮增压的类型与废气能量的利用废气涡轮增压的类型与废气能量的利用 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型（根据废气的利用方式）（根据废气的利用方式） 1 1定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统 2 2脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 图图7.137.137.4 7.4 废气涡轮增压对发动机性能的影响废

17、气涡轮增压对发动机性能的影响 废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的影响废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的影响 nPsmcaitemite1b0mmk0ck0itk0sk0eekcitsppmk0mitkit00eekbb增压前后发动机参数对比增压前后发动机参数对比(7-21)(7-22)有效燃油有效燃油消耗率消耗率有效功率有效功率（7-23）（7-24） 机械效率变化（提高）机械效率变化（提高） 由于增压后由于增压后平均指示压力平均指示压力提高，而提高，而平均机械损失压力平均机械损失压力基本基本保持不变（在转速相同的前提下），那么保持不变（在转速相同的前提下），那么机械效率机械效率在增压后在

18、增压后将是将是增加增加的的 0mmiikpp 增压后充量系数变化增压后充量系数变化（增加增加） 25.00k0cckTT（7-27）okTTck是是增加增加的的，车用增压柴油机经济性运行特点车用增压柴油机经济性运行特点 指示功率指示功率和和有效功率有效功率都得到提高都得到提高 改善高负荷区的运行经济性改善高负荷区的运行经济性 在在低负荷区低负荷区，涡轮增压器的能量转换较差，柴，涡轮增压器的能量转换较差，柴油机进、排气阻力及换气损失增加，增压对经油机进、排气阻力及换气损失增加，增压对经济性没有明显的好处。济性没有明显的好处。7.4 7.4 废气涡轮增压对发动机其他性能的影响废气涡轮增压对发动机其

19、他性能的影响1 1降低排气污染和噪声降低排气污染和噪声 2 2低速转矩性能变差低速转矩性能变差3 3加速性能变差加速性能变差4 4起动与制动有一定困难起动与制动有一定困难（1）降低排气污染和噪声）降低排气污染和噪声 通常增压柴油机，有害气体通常增压柴油机，有害气体HC HC 和和CO CO 的排的排放量一般为非增压机的放量一般为非增压机的1/3-1/21/3-1/2，尤其在采用增，尤其在采用增压中冷以后，对减少有害排放物更为有利。压中冷以后，对减少有害排放物更为有利。（2）低速转矩性能变差）低速转矩性能变差 一般涡轮增压柴油机在一般涡轮增压柴油机在低速段低速段转矩性能很不理转矩性能很不理想，影响了车辆的加速性能及爬坡能力，其原因主要想，影响了车辆的加速性能及爬坡能力，其原因主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增压是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高速时低。速时低。（3）加速性能变差）加速性能变差 内燃机对负荷与转速的迅速响应，对车辆内燃机对负荷与转速的迅速响应，对车辆行驶的安全性、经济性都是有利的。由于废气行驶的安全性、经济性都是有利的。由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自自身的惯性使其对突变负