发动机涡轮增压技术详解

发动机涡轮增压技术详解演示文稿第1页，共18页。（优选）发动机涡轮增压技术第2页，共18页。一、概述为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方法，叫做增压。从广义上，凡是能够将发动机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。增压的目的是通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性。第3页，共18页。一、概述1905年，瑞士工程师AlfredBuchi首先提出了涡轮增压的概念。20世纪50年代初，涡轮增压技术由船舶领域应用的车用领域。1953年，美国Garrett公司将其涡轮增压器安装在Caterpillar（卡特彼勒）公司的D9发动机上，在提高柴油机功率和改善燃油经济性方面取得良好效果。从20世纪60年代起，国外开始在车用柴油机上大量采用涡轮增压技术。20世纪70年代末，汽油机涡轮增压技术取得突破性进展。20世纪80年代中期该技术大量应用和推广。第4页，共18页。一、概述涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器(Turbo)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。第5页，共18页。一、概述第6页，共18页。二、涡轮增压的基本原理基本概念发动机的有效功率为：式中：Pme——发动机的平均有效压力；Vs——发动机的气缸工作容积，Vs=SπD2/4

n——发动机工作转速i——气缸个数

т——冲程数第7页，共18页。二、涡轮增压的基本原理基本概念增压后发动机功率的增长程度常以增压度表示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

式中：ρs——增压后充气密度；ρ0——增压前充气密度；

Фk——范围为10%~60%，大部分为20%~30%

第8页，共18页。二、涡轮增压的基本原理涡轮增压器根据废气在涡轮机不同的流通方向，可分为径流式涡轮和轴流式涡轮两大类。大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而对于车用发动机则用径流式增压器。废气涡轮增压两种基本类型：定压增压系统；脉冲增压系统下图为径流式涡轮增压机的工作原理图，它是由离心式压气机和径流式涡轮机这两部分，以及支撑装置、密封装置、冷却系统、润滑系统所组成。第9页，共18页。二、涡轮增压的基本原理离心式压气机的工作原理。离心式压气机主要由进气道、工作轮、扩压器和出气涡流壳组成。空气沿收敛的轴向进气道流入时，气流略有加速。第10页，共18页。二、涡轮增压的基本原理径流式涡轮机主要由进气涡轮壳、喷嘴环、工作轮及出气道组成。进气涡轮壳的作用是引导发动机的排气均匀的进入涡轮。根据增压系统的要求，涡轮壳可以有1个、2个甚至更多的进气口。由发动机进气管中排出的气体以一定的速度经进气涡轮壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀地安装具有一定角度的许多叶片，这就使燃气经过叶片间的通道后更具有方向性，使气流更加均匀且有秩序的进入涡轮机工作轮。叶片间的通道面积是渐缩的，使部分压力势能转变为气体的动能，即气体的压力降低，温度降低，气体的流动速度增加；工作轮的轮周功完全有气体的绝对速度动能转化，工作轮的出口气体速度下降，同时，压力与温度也下降第11页，共18页。优点：发动机质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20%~50%。由于不像机械增压时压比受到限制，故进来高增压的趋势越来越明显。高增压时功率提高甚至可大于100%由于废气能量的回收，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%涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较强的适应力，涡轮增压除了用来提高发动机功率外还可用做高原高原发动机回复功率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第12页，共18页。缺点：迄今为止涡轮增压发动机的加速性已接近不增压或机械增压发动机，担仍有差距与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较为严重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第13页，共18页。三、可变涡轮增压技术普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观，但当发动机转速较低时，排气能量却小的可怜，此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速，这样造成的结果就是，在低转速时，涡轮增压器并不能发挥作用，这时候涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机，这就是我们经常说的“涡轮迟滞”现象。对于传统的涡轮增压发动机，解决涡轮迟滞现象常使用小尺寸的轻质涡轮，首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，因此在发动机低转速时，在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，从而有效改善涡轮迟滞的现象。不过，使用小涡轮也有它的缺点：当发动机高转速时，小涡轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加（产生排气回压），因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。第14页，共18页。三、可变涡轮增压技术双涡轮增压双涡轮增压一般称为Twinturbo或Biturbo,双涡轮增压是涡轮增压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。单涡轮双涡管

单涡轮双涡管可以说是宝马的独有技术，单涡轮双涡管就是将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流,每股气流负责3个缸.同时于双涡轮相比,单涡轮的设计也减低了排气脉冲相互干扰的情况。单涡轮双涡管发动机逐渐在宝马各个车系开始普及。第15页，共18页。三、可变涡轮增压技术为解决上述矛盾足，让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果，VGT(VariableGeometryTurbocharger）可变截面涡轮增压技术或者VNT（可变喷嘴环增压器）便应运而生。在柴油发动机领域，VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机，达到1000°C左右（柴油发动机为400°C左右），而VGT所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境，因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。近年来，博格华纳与保时捷联手克服了这个难题，使用了耐高温的航空材料技术，从而成功开发出了首