汽车发动机原理（第5版）课件：内燃机的废气涡轮增压

汽车发动机原理

（第5版）内燃机的废气涡轮增压第一节内燃机增压概述第二节废气涡轮增压器的工作原理第三节废气涡轮增压系统的两种基本形式第四节柴油机废气涡轮增压第五节汽油机废气涡轮增压

第一节

内燃机增压概述

1.增压的基本概念第一节

内燃机增压概述2.增压的分类按增压比分类：增压比πｋ是指增压后气体压力PK与增压前气体压力P0之比,即πｋ＝PK/P0(１)低增压:πｋ

=1.3~1.6对应的Pe＝700~1000kPa(２)中增压::πｋ

=1.6~2.5对应的Pe＝1000~1500kPa

(３)高增压:πｋ>2.5对应的Pe＝1500以上(４)超高增压:πｋ>３.５第一节

内燃机增压概述2.增压的分类按增压系统的结构形式分类：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、气波增压系统等图7-1机械增压系统１

排气管

２

汽缸

３

曲轴

４

齿轮副

５

压气机

６

进气管图7-2废气涡轮增压系统图7-3复合式发动机图7-4组合式涡轮增压系统１

涡轮增压器

２

连接管

３

稳压箱

４

共振管

５

共振室

６

进气管

７

汽缸图7-5气波增压系统ａ

发动机

ｂ

转子

ｃ

传动带驱动

ｄ

高压排气

ｅ

高压空气

ｆ

低压空气

ｇ

低压排气第二节

废气涡轮增压器的工作原理废气涡轮增压器是利用内燃机的废气作为动力,推动单级轴流式(或径流式)涡轮机高速旋转,以带动安装在同一根轴上的离心式压气机,增大内燃机进气压力的工作机械。第二节

废气涡轮增压器的工作原理离心式压气机的工作原理与特性

基本工作原理和主要参数(１)空气的增压比πｋ＝PK/P0(２)流经压气机的空气每秒质量流量mk(kg/s)或容积流量V0(m3/s)(３)压气机转速nk(４)压气机的绝热效率ηad-k图7-7离心式压气机简图图7-8压气机中气流参数的变化图7-9压气机中的压缩过程第二节

废气涡轮增压器的工作原理压气机工作轮中的能量转换图7-10离心式压气机工作轮中的能量转换欧拉方程式该式确立了压缩功与工作轮外缘切向速度之间的联系,为工作轮的结构设计和工作轮转速的选择提供了理论依据.第二节

废气涡轮增压器的工作原理空气在扩压器中的流动

扩压器为截面逐渐增大的流道,空气流经扩压器时,它所具有的动能大部分在这里转变为压力能,因此气流的速度降低,而压力、温度升高。图7-11扩压器原理图第二节

废气涡轮增压器的工作原理压气机的流量特性流量特性的分析离心式压气机的喘振图7-12离心式压气机的特性曲线

图7-14在一定转速和不同流量下工作轮叶片前缘处的流动情况ａ)设计流量

ｂ)大于设计流量

ｃ)小于设计流量

图7-15在转速不变(C2U＝μu2＝常数)和不同空气流量下叶片扩压器中的空气流动ａ)设计流量

ｂ)大于设计流量

ｃ)小于设计流量第二节

废气涡轮增压器的工作原理压气机的通用特性曲线

由于增压比πｋ＝PK/P0和绝热效率ηad-k是无因次参数,故仍保持不变由这些无因次参数整理出的曲线称为通用特性曲线(图7-17),它具有广泛的实用性.图7-17通用特性曲线第二节

废气涡轮增压器的工作原理基本工作原理

径流式涡轮机主要由涡轮壳(涡壳)、喷嘴叶片环(喷嘴环)、工作轮(叶轮)及进、出气道等组成(图7-18),工作轮采用单级径流式向心涡轮。图7-18径流式涡轮机工作简图及进、出口速度三角形2.径流式涡轮机的工作原理与特性图7-19涡轮机中气流参数的变化第二节

废气涡轮增压器的工作原理径流式涡轮机特性

涡轮机特性同压气机特性一样，是废气涡轮增压器总体性能的重要组成部分。2.径流式涡轮机的工作原理与特性第三节

废气涡轮增压系统的两种基本形式径流式涡轮机特性

废气涡轮增压系统的两种基本形式是：图7-21涡轮增压系统的两种基本形式ａ)恒压系统

ｂ)脉冲系统第三节

废气涡轮增压系统的两种基本形式径流式涡轮机特性

为了说明柴油机废气能量的利用情况及考虑了燃烧室扫气的条件，将恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图表示在图7-22上。图7-21涡轮增压系统的两种基本形式ａ)恒压系统

ｂ)脉冲系统1.废气能量利用(１)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。(２)脉冲增压系统对汽缸中扫气有明显好处。(３)在脉冲系统中，由于排气管容积较小，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较好。(４)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。第三节

废气涡轮增压系统的两种基本形式2.恒压系统与脉冲系统的比较和选择主要参数的选取供油系统配气机构进、排气系统冷却增压空气图7-2４空-空中间冷却器１增压器２取气管３涡轮风扇４进气管５中冷器６进气歧管７发动机８排气歧管第四节

柴油机废气涡轮增压1.柴油机废气涡轮增压后采用的主要技术措施图7-25增压与非增压的转矩比较(nT/nH-最大转矩时转速/额定转速)第四节

柴油机废气涡轮增压2.废气涡轮增压柴油机的性能

车用柴油机沿外特性运行时要求低速的转矩储备高,可是一般涡轮增压柴油机在低速时转矩性能差,这正是早期车用增压柴油机发展的主要困难之一。图7-26

Sofim四缸增压柴油机外特性曲线(采用放气调节)低速转矩性能变化图7-27利用增压空气控制放掉一部分废气的方案第四节

柴油机废气涡轮增压2.废气涡轮增压柴油机的性能

废气涡轮增压器与内燃机动力没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压内燃机的加速性比非增压的差。图7-28增压柴油机带负荷加速时各参数变化情况加速性能变差第四节

柴油机废气涡轮增压2.废气涡轮增压柴油机的性能功率范围扩大高负荷的经济运行范扩大减少排量,降低油耗降低内燃机速度图7-31增压加中冷对经济性的影响经济性有所改善图7-32压气机效率对经济性的影响第四节

柴油机废气涡轮增压2.废气涡轮增压柴油机的性能过量空气下,冒烟、CO及HC等有害成分大为减少燃烧噪声减少进排气噪声图7-31增压对有害排放物的影响１

非增压,２

增压,３、４

增压中冷降低了排气污染及噪声第四节

柴油机废气涡轮增压2.废气涡轮增压柴油机的性能

柴油机起动时，因无高温排气，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。起动与制动有一定困难第四节

柴油机废气涡轮增压3.废气涡轮增压器与四冲程柴油机的特性配合

在涡轮增压器与柴油机联合工作的时候，彼此动力没有机械联系，它们是通过空气流或燃气流来传递能量的。一是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)。二是要解决柴油机在整个运行区实现良好的配合。第五节

汽油机废气涡轮增压1.降低压缩比

汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩比，使用高辛烷值燃料，采用中间冷却混合气和向汽缸喷水等技术措施。在燃料辛烷值保持不变时，增压后的许用压缩比可用下列公式估算其近似值：式中:ε０———非增压时的许用压缩比εｋ———在增压压力为ｐｋ时的许用压缩比第五节

汽油机废气涡轮增压2.增压压力控制系统简单又较为有效由于放气阀处于高温下工作，对阀的材料、结构、制造和装配均有较高要求。图7-37用增压压力或排气压力来控制排气放气阀的方案ａ)用增压

ｂ)用排气１

膜片

２

弹簧

３

阀门

４

涡轮第五节

汽油机废气涡轮增压2.增压压力控制系统

排气旁通阀的开闭由电控单元控制的电磁阀操纵，改变电磁阀的开启时间,进而改变排气旁通阀的开度,控制排气旁通量,借以精确地调节增压压力图7-38电控排气旁通阀的涡轮增压系统１-进气旁通阀，２-节气门，３-进气管压力(增压压力)传感器，４-电磁阀，５-ＥＣＵ，６-控制膜盒，７-排气旁通阀，８-催化转换器，９-涡轮机，１０-压气机，１１-空气流量计，１２-空气滤清器，１３-进气管，１４-排气管第五节

汽油机废气涡轮增压2.增压压力控制系统

在有叶径流式涡轮机中,可以采用转动喷管叶片的方法来改变喷管出口截面积.图７-３９通过转动喷管叶片改变径流式涡轮机有叶喷管出口截面积１-喷管叶片

２-齿轮

３-齿圈

４-执行机构第五节

汽油机废气涡轮增压2.增压压力控制系统图７-40用活动挡板来改变径流式涡轮机无叶喷管出口截面积１

活动挡板

２

涡轮机叶轮

３

无叶喷管图７-41用转动舌片来改变涡轮进口截面积ａ)低速时可动舌片关闭

ｂ)高速时可动舌片开启１

可动舌片

２

涡轮机叶轮第五节

汽油机废气涡轮增压3.减小增压后的“反应滞后”现象

本来汽油机的加速性比柴油机好,但增压后,当节气门突然开启时,要求混合气浓度迅速变化,但由于增压器叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓使供气往往跟不上,特别是从节气门关闭到全开,空气流量变化很大,促成涡轮机的“反应滞后”,从而汽油机增压后的“反应滞后”现象比柴油机更严重。