汽车发动机原理课件：车用发动机废气涡轮增压概述

一、发动机增压技术简介发动机所能发出的最大功率主要是由汽缸内燃料有效燃烧所放出的热量决定的，而这受到每循环吸入汽缸内实际空气量的限制。如果空气在进入汽缸前得到压缩，发动机的进气密度会增大，则在相同汽缸工作容积的条件下，可以有更多的新鲜空气进入汽缸，增加循环供油量，就能获得更大的发动机输出功率。所谓增压就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入汽缸的过程。增压技术可以提高发动机的动力性能和经济性能。目前，绝大部分的大功率柴油机、半数以上的车用柴油机以及相当比例的高性能汽油机均采用了增压技术。一般而言，增压后的功率可比原机提高40％~60％，甚至更多，发动机的平均有效压力最高可达3MPa。例如，一台6缸的柴油机采用增压技术以后，有效功率比原机提高了58％，燃油消耗率下降了4.3％。相比较而言，燃油消耗率降低的幅度比有效功率提高的幅度要小。发动机增压主要具有以下优点:(１)增压后增大了进气密度，提高了升功率，降低了单位功率成本，提高了材料的利用率，功率相同时，发动机的空间尺寸减小，质量减轻。(２)排气能量得到回收利用，热效率显著提高。由于平均有效压力提高，机械损失相对值小，且在相同结构的前提下，增压发动机在达到额定输出功率时，摩擦损失相对更小。因而，效率提高，经济性改善。(３)发动机和排气噪声降低。柴油机增压后，缸内压力和温度都提高，滞燃期缩短，因此压力升高率和燃烧噪声降低。排放废气冲击增压器的涡轮机产生能量损耗，使排气噪声显著降低。(４)使有害排放物降低。增压后，缸内压力升高率降低使NOx排放量降低，废气在涡轮机内的后燃使HC、CO值降低，对于增压柴油机，由于空气更加过量，使HC、CO和烟度有所下降。(５)对补偿高原功率损失十分有利。发动机随海拔升高而导致的功率下降(海拔每上升1000m，功率约下降10％)可通过增压来弥补。但是车用发动机增压仍然存在着一些缺点和需要解决的问题，主要表现为:(１)增压后汽缸压力和温度明显提高，机械负荷和热负荷加大，影响发动机工作可靠性和耐久性，所以必须限制缸内最大爆发压力。(２)废气涡轮增压发动机在低速时，由于排气能量不足，造成增压效果差。须通过增压器的合理设计与匹配，将发动机转矩特性改进为低速高转矩，以适应车用发动机的要求。(３)废气涡轮增压从排气能量的变化到进气压力的建立需要一定的时间，所以加速响应特性不如自然吸气式。二、基本概念１.增压度ϕ增压度是指发动机在增压后增加的功率与增压前的功率之比。增压度反映了发动机增压后功率提高的程度。其计算公式为:式中:Pe-k——增压后的功率，Pe-o——增压前的功率。四冲程柴油机可高达ϕ=3.0，车用柴油机ϕ=0.1~0.6。２.增压比增压比πk是指增压后气体压力与增压前气体压力之比，增压比反映了气体在压气机中的压缩程度。即:式中:pk——压气机后的空气压力，po——压气机前的空气压力。三、发动机的增压方式及特点增压分类的方法有两种:一种是按增压比分类，将πk<1.6的称为低增压，πk=1.6~2.5的称为中增压，πk>2.5的称为高增压。另一种是根据压气机能量的来源分类，可以分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压和复合增压(图8-1)。１.机械增压发动机曲轴直接驱动增压器实现对进气充量的压缩(图8-1a)。车用发动机增压器一般是挤压式的压气机，有螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等结构，其工作原理都是通过工作容积的减少对空气进行压缩。机械增压的优点是响应速度快、低速增压效果好、增压器与发动机匹配容易、结构比较紧凑。主要缺点是要消耗发动机的部分功率，维护成本也高。近年来，机械增压重新得到了重视和发展，主要用于实现小排量发动机的增压，其压气机出口压力一般不超过170kPa。２.废气涡轮增压压气机与涡轮机同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在发动机排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压(图8-1b)。发动机废气涡轮增压系统包含压气机、涡轮机、中冷器等部件。按排气能量利用方式又可分为定压和脉冲涡轮增压两种。废气涡轮增压的特点是回收了原具有一定热能、压力能以及噪声的废气能量，缺点是在发动机起动和低速时响应性差、能量回收率低。废气涡轮增压目前已经在车用发动机上获得了较广泛的应用。为了更好地利用废气能量，出现了二级涡轮增压方式，其主要是利用两个废气涡轮增压器来提高增压效果，一般用于大排气柴油车上。根据两个增压器的连接方式不同，二级增压又分为二级直列增压(图8-1c)和二级并列增压两种系统。二级直列增压系统一般由一个小型增压器和一个大型增压器组成，并根据发动机的转速通过切换电磁阀的控制分别使用:低速时小型增压器工作，以改善低速转矩特性，中高速时大型增压器工作。二级并列增压系统主要用在多缸发动机中，如六缸发动机１、２、3缸和４、５、６缸分别采用一个相同的增压器。与六缸采用一个增压器相比，二级并列增压通过废气涡轮机的排气量减少了一半，因此可以使用小型增压器，达到兼顾低速转矩特性和中高速在高效率区的良好匹配，并可避免各缸排气干扰现象。近年来还发展了一种电动机驱动耦合涡轮增压方式，当发动机低速排气能量不足时，电动机带动增压器工作，当排气能量超过涡轮增压器正常工作范围时，涡轮机带动电动机发电，避免了增压器超速或增压压力过高。３.气波增压利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气以提高进气压力的一种增压方式(图8-1e)。气波增压器(comprex)内设特殊形状的转子，由发动机曲轴直接驱动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气气波使空气受到压缩，以提高进气压力。气波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无须冷却。与废气涡轮增压相比，其低速转矩性能好，但体积大，噪声水平高，安装位置受到一定的限制，所以车用发动机上不常用。４.复合增压复合增压是指不同增压方式的组合，如机械增压和废气涡轮增压的组合(图8-1d)，或涡轮机与废气涡轮增压的组合(图8-2)。机械增压和废气涡轮增压的组合又称为机械辅助增压废气涡轮增压系统。废气涡轮增压可以使发动机具有高的比功率，机械增压可以在低转速区使用，机械辅助增压废气涡轮增压系统可以使两者的优点都充分发挥。机械增压器由曲轴通过带传动装置驱动。在低转速区，当涡轮增压器需要得到支持时机械增压器参与工作。在高转速区，涡轮增压器能单独提供足够的增压压力，机械增压器就会脱离曲轴带传动装置不转。根据涡轮回收废气量的方式不同，废气涡轮复合增压系统又可分为串联前复合增压、串联后复合增压及并联复合增压等三种方式(图8-2)。串联前复合增压是在废气涡轮增压器前串联一个