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1、第九章 发动机排气涡轮增压,顾宝兴,第一节 概述,增压是发动机提高功率最有效的方法。各种增压方法中，以废气涡轮增压技术最成熟，效率也高，应用最广。近年来汽车发动机采用废气涡轮增压日渐普遍。增压：利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增加,提高发动机功率和改善经济性。,本章重点介绍：1.汽车发动机增压系统常用的废气涡轮增压器的离心式压气机和径流式涡轮机的主要工作参数和流通特性；2.恒压增压系统和脉冲增压系统；3.增压发动机的性能。本章的目的是要在熟悉废气涡轮增压器的结构的前提下，掌握离心式压气机和径流式涡轮机的工作原
2、理，掌握废气涡轮增压器与柴油机的匹配特性及其调整。,为了提高发动机的输出功率Pe，由式：,可知，通过下列方法可提高功率：1）加大气缸总排量iVs，即增加气缸数i，增大气缸直径D和行程S；2）提高转速n或活塞平均速度Cm；3）提高平均有效压力pme；,显然，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。通过提高发动机转速，向高速发动机发展虽然是可行的，但发动机转度的提高受到活塞平均速度的限制，因为充气效率v和机械效率m都将随着活塞平均速度的提高而显著下降。此外，燃料经济性、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。只有提高发动机的平均有效压力才是最
3、经济有效的方法，它可通过减小过量空气系数a，提高充气效率v和增加进入气缸的充量密度k来实现。,因此，增大进气密度，即提高进入气缸空气的压力，降低进入气缸空气的温度Tk是提高平均有效压力pme最有效的方法。提高进入气缸空气的压力和降低进入气缸空气的温度的办法是采用增压和中冷技术。,涡轮增压的原理,红色为高温废气，蓝色为新鲜空气,涡轮增压套件,增压的衡量指标,增压度 为了说明发动机在采用增压后使功率得到提高的程度，提出增压度的概念。增压度是指发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比：式中、分别为发动机增压后和增压前的有效功率。增压度取决于所采用的增压系统，采用中冷可使增压度提高。汽油机的增压度受到
4、爆燃燃烧的限制。柴油机的增压度受到燃烧最高爆发压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。增压度小于1.9时，为低增压；在1.92.5范围内，为中增压；在2.53.5范围内，为高增压；大于3.5时为超高增压。,目前，车用发动机的增压度不高，在0.10.6的范围内，大部分为0.20.3，而船用大型低速四冲程柴油机的增压度可达到3.0以上。这是因为车用发动机增压不仅要求功率增加，而且还要在较大的转速和负荷范围内满足动力性、经济性、排放与成本等多方面的要求，因此增压度一般不宜过高。,增压比 增压比是指增压后空气压力pk与增压前的空气压力po之比 增压发动机按照增压比的大小可以分为：低增压，相应的pme=0.
5、71MPa；中增压 相应的pme=11.5MPa；高增压，相应的pme1.5MPa。,增压系统的分类,根据驱动增压器所用能量的来源不同，增压方法基本上可以分为以下几类：,机械增压 是一种通过发动机曲轴直接驱动压气机，以提高发动机进气压力的增压方式，如右图所示。机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动。机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是，由于驱动增压器需消耗发动机功率，因此燃油消耗率比非增压发动机略高。,废气涡轮增压,是车用发动机广泛采用的一种增压方式，主要由涡轮机和压气机构成。废气涡轮增压器与发动机无机械联系。这种增压方式能有效地利用排气的能量进行增压，所以经济性比机械增压和非增压
6、发动机好。并可大幅度地降低有害气体的排放和噪声水平。缺点:由于涡轮机是流体机械，而发动机是动力机械装置，因此增压发动机低速时的转矩增加不多；在发动机工况发生变化时，瞬态响应特性较差，从而使得低速加速性较差。,在大功率柴油机上采用比较多，其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容易。,将废气涡轮增压和机械增压组合使用。,复合式增压系统,气波增压利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力的方式。气波增压器设有一个特殊形状的气波增压器转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。气波
7、增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮增压相比，其低速转矩特性好；但其体积大，噪声水平高，安装位置受到一定的限制。,气波增压,增压技术的优、缺点,增压的优点有：1）在保证输出功率Pe不变的情况下，可以使气缸数减少或者气缸直径减小，从而可以减小发动机的比质量和外形尺寸。2）提高热效率，降低燃油消耗率。3）减少排气污染和噪声。4）降低发动机的单位功率造价。5）对补偿高原功率损失十分有利。,1）增压发动机的机械负荷和热负荷都较高。2）增压发动机很难满足车辆对转矩适应性及瞬变工况的要求。3）车用汽油机应用增压技术较困难。4）适用的小型涡轮增压器发展晚并且效率偏低。,
8、增压技术用于发动机上的困难有：,第二节 废气涡轮增压器的基本结构及原理,离心式压气机,离心式压气机由进气道、压气机叶轮、无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿相邻压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高，即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。,径流式涡轮机,径流式涡轮机由进气蜗壳、喷嘴环、工作轮及出气道等组成。蜗壳的进口与发动机排
9、气管相连，发动机的排气经蜗壳引导进入叶片式喷嘴环。喷嘴环是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷嘴环时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷嘴环流出的高速气流冲击叶轮，并在叶片所形成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮旋转。,涡轮机特性曲线,涡轮机的主要工作参数有涡轮效率、膨胀比、气体流量和涡轮转速等，并以这些参数及其相互关系来表示涡轮机的工作性能。,（1）涡轮效率,涡轮效率为涡轮机轴上的有用功 与废气所拥有的能量 的比,（2）膨胀比,膨胀比为涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口气体静压力之比,（3）气体流量,单位时间内通过涡轮的气体质量称为涡轮的气体流量，用 表示。,在分析各性能参数之间
10、的关系时，为使涡轮性能在不同入口气体状态下具有可比性，应采用量纲一致的相似流量 来表征涡轮的流量。,为气体质量流量，,为滞止温度，,为气体滞止压力。,（4）涡轮转速,由于涡轮与压气机同轴，涡轮转速（用n表示）与压气机转速相等，统称涡轮增压器转速。在分析各性能参数之间的关系时，应采用相似量纲。但涡轮的相似转速和压气机的相似转速并不相等。,有以上可得，涡轮机所发出的功率PT为：在涡轮机变工况运行时，上述参数之间的关系，就是涡轮机的特性。涡轮机特性曲线是以相似流量 为横坐标，以膨胀比/为纵坐标，以相似转速 为参变量的一组曲线。,压气机特性曲线,压气机主要参数：,1）增压比：,2）流经压气机的每秒质量
11、流量,或容积流量,3）压气机转速,4）压气机的绝热效率,定义为1kg 空气的绝热压缩功与实际压缩功之比。其物理意义可表述为转动压气机的功有多少转变为有用的压缩功。,第三节 废气涡轮增压的类型与废气能量的利用,一、废气涡轮增压的类型 在涡轮增压内燃机中，根据废气能量的利用方式，可以分为定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统两种基本类型。,1）定压涡轮增压系统 特点是涡轮前的废气压力基本上保持恒定。把各缸的排气管部通向一根排气总管上。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
12、由排气管导入涡轮机的喷嘴环。,2）脉冲涡轮增压系统 为了更好地利用内燃机废气的脉冲能量，可以采用脉冲涡轮增压系统。这种增压系统的特点是：把各缸的排气歧管做得短而细，涡轮增压器尽量靠近气缸，并且几个气缸（通常二个缸或三个缸）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不干扰的废气脉冲波（或称废气压力波）进入废气涡轮机中。同时把涡轮的喷嘴环根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。由于涡轮处在进气压力波动较大的条件下工作，所以该系统又称为变压式涡轮增压系统。,二、废气能量的利用 涡轮增压器是利用内燃机排出气缸的废气能量进行工作的。因此，提高废气能量的利用对改善涡轮增压发动机性能有重要意义
13、。燃料通过燃烧所释放出的总热量中，有25%以上被废气所带走。而废气中的可用能又约占废气总能量的60%。充分利用这部分废气能量，是提高内燃机热效率的重要途径。,1）定压涡轮增压系统 定压涡轮增压系统结构特点是有一根尺寸较大的排气总管，所有气缸的排气均流入总管。由于总管尺寸大，同时各缸排气相互交替补充，使排气管内压力波动很小，进入涡轮机前的压力基本稳定。,2）脉冲涡轮增压系统这种系统的特点是尽可能的将气缸中的废气直接而迅速的送到涡轮机中去。为此，涡轮机靠近气缸，排气管短而细，并且为了减少各缸排气相互干涉，用几根排气支管将相邻发火的气缸排气隔开。排气管中的压力pT在气缸排气不久，便可迅速升高并接近缸
14、内压力p1，随着气体流入涡轮，又迅速下降到pT，直到下一缸排气使压力重复上述情况，形成周期性脉动压力。,定压系统与脉冲系统的比较和选择,综上所述，可以得出这样的结论：在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；而在高增压时，则是两种系统同时存在、各有所长，应根据实际情况（如用途、气缸数目、行程数、在发动机上的安装方式）综合考虑。例如，车用发动机大部分时间都在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故在低增压的车用发动机上较多采用脉冲增压系统。,1.发动机的增压方式有哪几种，与其他方式相比涡轮增压的优点有哪些？2.增压为什么能够提高发动机的功率？3.发动机废气能量是如何利用的？4.汽油机涡轮增压的主要技术措施有哪些？,作业,
