第三章发动机废气涡轮增压(4学时)

1、第三章,发动机废气涡轮增压,主要内容,第一节,概述,第二节,废气能量的利用,第三节,废气涡轮增压器的基本结构和,工作原理,第四节,废气涡轮增压的类型,第五节,汽油机增压概述,第六节,车用增压发动机的性能,第一节,概述,1.,增压是提高功率的有效途径,2.,增压度,3.,增压比,4.,增压系统的分类,按增压系统的结构形式分类,按增压比分类,1.,增压是提高功率的有效途径,大量实践证明，提高平均,有效压力,p,me,是提高有效功率,P,e,的主要方法。,p,me,?,iV,s,n,P,e,?,30,?,p,me,?,?,it,?,c,?,m,?,k,增压、中冷,?,增大工质密度,k,，,是提高平均

2、有效压力,p,me,的最有效方法。,2.,增压度,定义,:,发动机增压后增长的功率,(,P,k,-P,0,),与增,压前的功率,P,0,之比。,P,k,?,P,0,P,k,?,k,?,?,?,1,P,0,P,0,3.,增压比（,压比,）,定义,:,增压后气体压力,p,k,与增压前气体压力,p,0,之比,。,?,k,p,k,?,p,0,发动机增压的衡量指标：增压度和增压比,4.,增压系统的分类,低增压,?,按增压比,中增压,高增压,超高增压,机械增压系统,废气动力涡轮,?,按增压系统,的结构形式,废气涡轮增压系统,复合式增压系统,组合式涡轮增压系统,气波增压系统,组合增压,进气惯性增压系统,(1

3、),机械增压系统,?,压气机是由发动机的曲,轴通过机械传动系统直接,驱动的。,?,主要用于对增压度要求,不高的发动机。,?,缺点,:,消耗发动机的功率,，增大驱动附件损失，使,发动机机械效率下降，油,耗升高。,(2),废气涡轮增压系统,?,涡轮与压气机同轴,相连，从而构成涡轮,增压器。,?,涡轮在排气能量的,推动下旋转，带动压,气机工作，实现对进,气的压缩。,目前世界上最成熟、,应用最广泛的一项增,压技术。,(3),复合式增压系统,?,将废气动力涡轮,与废气涡轮增压器,串联起来,工作。,?,废气涡轮增压器,达到增压的目的，,废气动力涡轮将废,气能量又送回给曲,轴。,(4),组合式涡轮增压系统,

4、?,由废气涡轮增压与,进气惯性增压组成。,?,除了驱动涡轮增压,器外，借助进气惯性,增压系统，利用压力,峰值可进一步提高增,压后的进气压力。,(5),气波增压系统,由曲轴驱动一个特,殊转子，在转子中废气,直接与空气接触，利用,高压废气的脉冲气波迫,使空气在互不混合的情,况下受到压缩，从而提,高进气压力。,增压的优势,1.,比质量小、升功率大,2.,降低造价、提高材料利用率,3.,排气噪声降低、燃烧噪声降低,4.,有利于高原等稀薄条件工作,5.,排放降低,6.,适用性广,增压的代价,1.,热负荷与机械负荷大,2.,低速时转矩受影响,3.,加速响应性差,4.,增压器对发动机性能优化有限制作用,第二

5、节,废气能量的利用,1.,废气的最大可用能,2.,能量传递中的损失,3.,废气涡轮增压系统的基本形式,4.,影响脉冲能量利用的因素,1.,废气的最大可用能,柴油机,混合加热循环,进气过程,排气过程,压气机,压气机绝热压缩过程,压气机进气过程,涡轮,废气涡轮的,进气过程,废气涡轮的,排气过程,绝热膨胀过程,（,1,）图中曲线所代表过程,（总结）,1) aczzba,为柴油机的理论循环,；,2) 6a,为柴油机的进气过程，,47,为排气过程；,3) 12,为压气机的进气过程，,2a,为压气机绝热,压缩过程,；,4) 54T,为废气涡轮的进气过程，,K,21,涡轮,排气过程,。,柴油机指示功,柴油机

6、缸内气体,膨胀功,。,柴油机换气功,压气机耗功,进入发动机气缸并留,在气缸内的空气的压,缩耗功。,扫气空气的压,缩耗功，,E,s,。,柴油机排气能量,排气门打开时废,b,1,气等熵膨胀至大,气压力时所作的,功，,E,b,。,废气在涡轮中进一步,膨胀所回收的能量，,E,T,。,E,?,E,?,E,T,废气流经排气,门和排气支管,中自由膨胀所,能获得的能量,，,E,1,。,涡轮中废气的总能量,扫气空气进入涡轮后,具有的能量，,?,。,E,s,废气在涡轮中的膨,胀功，,E,T,。,E,2,?,E,s,?,?,E,c,?,E,T,?,E,q,加热废气，使焓增,加而得到的附加能,量，,E,q,。,活塞推

7、出废气使废,气增加的能量，,E,c,。,（,2,）各部分面积所代表能量,（总结）,1),面积,12a31,为压气机耗功；,2),面积,aczz,ba,为柴油机缸内气体膨胀功，面,积,6a476,为柴油机换气正功；,3),面积,b9Kb,为柴油机排气门打开时废气等熵膨,胀至大气压力时所作的功；,4),面积,1KT51,为涡轮中废气的总能量,。,排气门打开时废气,等熵膨胀至大气压,力时所作的功，,E,b,。,扫气空气所具有,的能量,，,E,。,s,活塞推出废气使废气,增加的能量，,E,c,。,（,3,）最大可用能,（总结）,1),柴油机排气门打开时废气等熵膨胀至大气压力时,所作的功，面积,b9Kb

8、,；,2),活塞推出废气使废气增加的能量，面积,8-9-4-7-8,；,3),扫气空气所具有的能量，面积,1-8-6-3-1,。,E,?,E,b,?,E,c,?,E,s,?,E,1,?,E,T,?,E,c,?,E,s,活塞推出废气使废气,增加的能量，,E,c,。,排气门打开时废气,等熵膨胀至大气压,力时所作的功，,E,b,。,扫气空气所具有,的能量,，,E,。,s,废气流经排气,门和排气支管,中自由膨胀所,能获得的能量,，,E,1,。,2.,能量传递中的损失,约占总损失的,60%,70%,?,E,?,?,E,V,?,?,E,C,?,?,E,D,?,?,E,M,?,?,E,F,?,?,E,h,?

9、,E,V,流经排气门处的节流损失；,?,E,C,流经各种缩口处的节流损失；,?,E,D,管道面积突扩时的流动损失；,?,E,M,不同参数气流掺混和撞击形成的损失；,?,E,F,由于气体的粘性而形成的摩擦损失；,气流向外界散热所形成的能量损失。,?,E,h,3.,废气涡轮增压系统的基本形式,从对废气中可用能量,E,1,的利用,情况，增压系统可分为两种基本,形式：,定压,涡轮增压系统,脉冲,涡轮增压系统,3.,废气涡轮增压系统的基本形式,不利用,E,1,尽可能,利用,E,1,定压增压系统和脉冲增压系统的比较：,?,废气能量的利用效果,?,发动机气缸内的扫气作用,?,发动机的加速性能,?,增压器效率

10、,?,增压系统的结构,增压系统的选择原则,?,?,低,增压时，选择脉冲增压系统；,高,增压时，两种都可以选择，具体应根据实际,情况综合考虑（定压增压系统适用于高增压而,大部分时间在高负荷运转的发动机，脉冲增压,系统适用于变速、变负荷运行较多的场合）,。,4.,影响脉冲能量利用的因素,脉冲增压系统就是要,尽可能地利用,脉冲能量，而脉冲,能量的利用主要取决于排气管中,压力波,的合理组织。,排气门开启定时,排气门流通面积,排气门开启规律,了解！,因,素,排气管流通面积,排气管长度,涡轮当量流通面积,第三节,废气涡轮增压器,的基本结构和工作原理,种类：,按废气在涡轮中不同地流动方向分：,中间体,离心式

11、,压气机,径流式,涡轮,径流式涡,轮增压器,轴流式涡,轮增压器,主要内容,组成,?,径流式涡轮机,工作原理,特性曲线,组成,?,离心式压气机,工作原理,特性曲线,一、径流式涡轮,1.,作用,将排气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮,旋转的,机械功,，进而传给与之同轴的压气机，通,过压气机尽可能的增加新鲜充量所具有的能量。,2.,组成,进气蜗壳、喷嘴环、工作轮、出气道等。,将发动机与增压器连接起,来，把发动机排出的具有一,定能量的废气，以尽量小的,流动损失和尽量均匀的分布,引导到涡轮喷嘴环的入口。,截面按一定规律变化，,进口多个。,使具有一定压力和温度,的排气膨胀加速并按规定的,方向进入工作叶轮；

12、,流通截面呈渐缩形。,与压气机的工作轮同轴，,把从喷嘴环喷出的高速排气的,能量转化为机械能向压气机输,出。,将做功完了的废气引,出增压器。,3.,工作原理,1,2,（渐缩）,3,（渐缩）,4,4.,特性曲线,（,1,）涡轮效率,?,T,Def,：涡轮将废气能量转换为机械功的有效程度。,涡轮机轴上的有用功,W,T,?,T,?,H,T,废气所拥有的能量,（,2,）膨胀比,T,*,Def,：涡轮进口气体,滞止压力,T,与涡轮出口气体,?,?,之比,p,0,静压力,p,?,p,p,/,?,T,0,*,T,滞止过程：,气体在流动过程中，因受到某种物体的阻碍，流,速降低为零的过程称为滞止过程。气流滞止时的

13、压力和温度分,别称为,滞止压力,和,滞止温度,。,静压力,：空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力。,q,mT,（,3,）气体质量流量,Def,：单位时间内通过涡轮的气体质量。,相似流量：,q,mT,T,/,p,*,T,*,T,n,（,4,）涡轮转速,相似转速：,n,/,T,*,T,（,5,）涡轮的特性曲线,涡轮的特性：涡轮,在变工况运行时，气,流参数之间的关系。,涡轮的阻塞现象。,二、离心式压气机,1.,组成,进气道,工作轮,扩压器,出气蜗壳,2.,工作原理,1,（,n,高）,2,（渐扩）,3,（渐扩）,4,3.,特性曲线,（,1,）主要参数,增压比,?,k,流经压气机的单位流量,压气机转速,n,k,质量流量,m,k,容积流量,V,0,压气机的绝热效率,ad,?,k,Def,：,1kg,空气的绝热压缩功与实际压缩功之比,。,?,（,2,）特性曲线,Def,：在