汽车发动机原理课件：废气涡轮增压器的工作原理与特性

废气涡轮增压器根据废气在涡轮机中不同的流通方向，可分为径流式涡轮与轴流式涡轮两类。大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而车用发动机则采用径流式涡轮增压器，以适应高转速及较快响应的要求。图8-3为径流式涡轮增压器的结构图。它主要由同轴的离心式压气机和径流式涡轮机，以及支撑装置、密封装置、冷却系统、润滑系统等组成。目前，各国绝大多数径流式涡轮增压器均具有大同小异的结构，即两叶轮悬臂布置，总布置呈哑铃形，轴承体为油冷，采用径向进油、双列全浮动轴承和活塞式密封装置，压气机端采用后弯叶轮和无叶扩压器，蜗牛形压气机壳，涡轮端采用星形盘式涡轮和双梨形，360°全进气无叶涡轮。为适应增压器与车用发动机匹配，在增压器上常设置放气阀。部分小型径流式废气涡轮增压器的主要参数见表8-1。一、离心式压气机的工作原理１.增压器的工作过程如图8-4所示，离心式压气机主要由进气管1、工作轮2、扩压器3和出气蜗壳4等组成。在图8-5中，发动机排气经过涡轮机后，废气的热能、压力能和动能转换成为涡轮机轴的机械能，涡轮机与压气机同轴，从而涡轮机的机械能传递给压气机，在压气机中，压气机的机械能转化为气体的压力能，从而提高新鲜气体的压力。通过压气机后，气体的温度T、压力p和速度c均有所提高，为降低气体温度，进一步提高气体的密度，可加装中冷器。２.空气在压气机中的流动１)空气在进气管中的流动进气管前端的大气参数为温度T0、压力p0、速度c0，进气管后端的大气参数为温度T1、压力p1、速度c1。空气沿收敛的轴向进气管流入，速度升高。根据伯努利定理:所以进气管内空气压力降低，并且根据状态方程:式中:V——气体体积，R——气体常数。所以进气管内空气温度略有降低。因此，c1>c0，p1<p0，T1<T0２)空气在工作轮中的流动工作轮出口端气体参数为温度T2、压力p2、速度c2。工作轮高速旋转，空气进入工作轮叶片流道后，受离心力压缩甩向工作轮外缘。空气在工作轮上获得能量，将工作轮的机械能转换为气体的动能、压力能和势能。因此，c2≫c1，p2>p1，T2>T1３)空气在扩压器中的流动扩压器出口端气体参数为温度T3、压力p3、速度c3。扩压器流通截面逐渐增大，导致气体流速迅速降低，压力急剧升高，温度相应升高，气流的大部分动能转变为压力能。因此，c3≪c2，p3≫p2，T3>T2４)空气在出气蜗壳中的流动出气蜗壳出口端气体参数为温度T4、压力p4、速度c4。蜗壳流通截面增大，导致气体流速进一步降低，压力和温度升高。因此，c4<c3，p4>p3，T4>T3如图8-6所示，有以下结论:(１)通过压气机后，气体的压力升高，p4>p0，pK=p4>p0，达到增加气体压力的目的。气体压力升高，则密度增加，所以经过压气机压缩的气体进入发动机进气道后压力升高，进气密度增加，达到增压的目的。(２)TK=T4>T0，压气机出口的气体温度升高，不利于气体密度的提高，故需降低进入发动机进气道的气体温度，所以在压气机出口到发动机进气道间可加装中冷器，冷却气体。３.扩压器的工作原理扩压器通常由无叶扩压器与叶片扩压器组成(图8-7)。无叶扩压器实际是工作轮与蜗壳两侧壁形成的环形空间，高速气流在此环形空间中沿对数螺线运动，气流速度与圆周切线之间的夹角α2总是保持不变，它的流动轨迹较长，扩压比较缓慢。为此，在无叶扩压器外侧设置叶片扩压器，这时空气的流动轨迹是由叶片所限定的。叶片的存在迫使空气不能沿对数螺线直线运动，而使其沿着比α2角向增大的方向偏移，因而在相同的直径下，可以获得较大的扩压比，减小了气流运动轨迹的长度和摩擦损失，提高了扩压器效率。４.压气机的热效率压气机的绝热效率是评价压气机性能的基本指标。图8-8为压气机的压缩过程。途中的0点(p0，T0)表示压气机进口处的空气状态，点4′(p′4=pK，T′4)表示空气按绝热过程压缩后压气机出口处的状态，点4表示(p4

=pk，T4)空气按多变过程压缩后压气机出口处的状态。１)压缩功按理想情况，将1kg空气从压力p0压缩到压力p4(pk

)耗功最小的为可逆绝热过程，所需的绝热压缩功(J/kg)为:式中:K——绝热指数，Cp——等压热容，J/(K·kg)。绝热压缩功在p-V图上相当于面积a04′ba，在T-s图上相当于1kg气体在等压下从温度Ｔ′加热到Ｔ′４所需的热量，相当于面积a4″4′ba。实际压缩是个多变过程，伴随有摩擦及流动损失，所以将1kg空气从p0压缩到pk消耗的实际压缩功(J/kg)为:

实际压缩功在T-s图上相当于面积a4″4ca，也可以理解为1kg空气在等压下从温度T0加热到T4所需的热量。２)绝热效率实际压气机工作过程完善的程度是通过与理想压气机相比较来评定的。通常以绝热效率ηad-k来评定，也即压缩到同一压力时，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际压缩功之比:

目前在涡轮增压器上应用的离心式压气机，其绝热效率为:３)压气机功率如果已知1kg空气的绝热压缩功为had-k(J/kg)，空气的质量流量为qmk(kg/s)，压气机的绝热效率是ηad-k，则压气机功率Pk(W)为:５.压气机的特性曲线１)定义压气机流量特性指压气机的转速不变时，压气机增压比πk和绝热效率ηk随空气流量的变化关系。将压气机不同转速的流量特性表示在同一幅图面上，并将效率线转换成等效率线，可得到压气机的特性曲线。２)压气机特性曲线分析从图8-9可以看出，随着空气流量的减小，初始阶段增压比增加，达到某一最大值以后，增压比便下降，当流量减小到低于一定数值时，压气机工作开始变得不稳定，流过压气机的气流开始出现强烈的脉动，引起压气机产生强烈的振动，并有可能导致压气机的破坏，这个现象称为压气机的喘振。将各种转速下的喘振点连接起来就可确定一条压气机不稳定的工作边界线，称为喘振线。在增压发动机上，如果遇到压气机喘振，发动进气管压力便不稳定，发动机转速也不稳定，并在进气管中发出“轰隆”的响声。因此，增压发动机绝对不允许在压气机喘振的条件下工作。压气机只能在喘振线右边的范围内工作，左边为非工作区。从特性曲线的等效率曲线看，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，特别是在大流量及低压比区，效率下降很多。通过采用具有无叶扩压器的压气机或后弯式叶片工作轮(又称后掠式工作轮)，使之更符合气流在工作轮流道中的流动规律，可以增大压气机高效率的工作范围。当压气机工作轮转速nk升高时，流量与压比均有增加，但转速受到材料机械应力及轴承可靠工作的限制，最高转速只能在某个允许的范围之内。３)通用特性曲线上述压气机特性曲线中的参数(pk

/p0，ηad-k，ηk及qmk

)都是在实验条件的外界大气状况下测得的。当大气状况变化时，这些参数以及由这些参数作出的压气机特性曲线也跟随变化。为了使实验曲线与实践应用一致，引进了相对的折合参数的概念，就是把实验测得的上述参数根据气流动力相似理论来换算成标准大气状况(标准大气p=101.33kPa，标准大气温度T=293K)下的参数值，换算后的质量流量称为折合流量:换算后的转速称为折合速度，即:式中:p0——试验测量时的大气压力，kPa。T0——试验测量时的温度，K。至于增压比πk和绝热效率ηad-k是无因次参数，仍保持不变。由这些无因次参数整理的曲线称为通用特性曲线(图8-10)。二、径流式涡轮机的工作原理１.燃气在涡轮机中的流动径流式涡轮机主要由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作轮3以及出气道4等组成，如图8-11所示。进气蜗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，蜗壳可以有一个、两个甚至更多进气口。由发动机排气管中排出的气体具有压力pT、温度TT、并以速度cT

经进气蜗壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀的安装了具有一定角度的叶片，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流入涡轮机工作轮。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，即气体的压力降低到p1，温度降低到T1，气体流动的速度增加到c1(图8-12)。由于气流在工作轮中是向心流动的，所以在工作轮叶片之间的通道也是呈渐缩的形状，气体在通道中继续膨胀，在工作轮出口处压力下降到p2，温度降低到T2，此时气体的绝对速度下降到c2，工作轮后气体的绝对速度c2远小于c1，这说明燃气在喷嘴中膨胀所获得的动能已大部分传给了工作轮。燃气离开工作轮时还具有一定的速度c2，即还有一部分动能未能在涡轮机中得到充分利用，这部分动能损失称为余速损失c22/2。由图8-12看出，具有一定热能及压力能的燃气，在喷嘴环通道中仅部分得到加速而转变为燃气的动能，而从喷嘴环中流出的具有一定动能及压力能的燃气，在工作轮中将所具有的能量大部分转变为机械能。２.涡轮机的特性增压器的涡轮机是利用发动机排出的废气能量转换为机械功的一种动力机械。将废气能量转换为机械功的有效程度便是涡轮机效率，即:式中:WT——涡轮机轴上的有用功，J/kg，HT——1kg废气所具有的能量(以可用焓降表示)，J/kg。可用焓降HT可理解为1kg废气在涡轮机入口处具有的状态内能的总和。当它在涡轮机中绝热膨胀至出口背压时所做之功，实际上是废气可用能量转换为机械功的最高限额。涡轮机效率一般很少直接测定，而是通过测定涡轮增压器总效率来确定的，涡轮增压器的总效率为:现代废气涡轮增压器的涡轮机效率为:如果已知1kg废气的可用焓降为HT，废气的质量流量为qmT，涡轮机效率为ηT，机械效率为ηm，则涡轮机发出的功率是:燃气可用焓降的转换是通过在涡轮机中的膨胀过程来实现的，因此，膨胀比也是涡轮机特性中的一个重要参数。膨胀比是指燃气在涡轮机前后压力之比。涡轮机作变工况运行时，燃气在涡轮机中流动