003447_内燃机原理内燃机增压

1、 第七章第七章 内燃机增压内燃机增压 7.17.1增压技术和增压方式增压技术和增压方式 7.27.2涡轮增压系统涡轮增压系统 7.37.3涡轮增压柴油机的特点和性能涡轮增压柴油机的特点和性能 7.47.4汽油机增压技术汽油机增压技术 n奥迪奥迪A6 1.8T 发动机形式：发动机形式：1.8 升升/直列四缸直列四缸/5气门气门 电控多点燃油喷射电控多点燃油喷射 /双顶置凸轮轴双顶置凸轮轴/可可 变相位变相位/废气涡轮废气涡轮 增压增压 排放标准：欧排放标准：欧 最大功率最大功率(KW)： 120/5700 最大扭矩最大扭矩(N.m)： 220/1750-4600 发动机形式：发动机形式：1.8

2、升升/直列四缸直列四缸/5气气 门电控多点燃油门电控多点燃油 喷射喷射/双顶置凸轮双顶置凸轮 轴轴/可变相位可变相位/可变可变 长度进气歧管长度进气歧管 排放标准：欧排放标准：欧 最大功率最大功率(KW)： 92/5800 最大扭矩最大扭矩(N.m)： 168/3500 发动机形式：发动机形式：2.4升升 /V型六缸型六缸/5气门电气门电 控多点燃油喷射控多点燃油喷射/双双 顶置凸轮轴顶置凸轮轴/可变相可变相 位位/可变长度进气歧可变长度进气歧 管管 排放标准：欧排放标准：欧 最大功率最大功率(KW)： 130/6000 最大扭矩最大扭矩(N.m)： 230/30005000 7.17.1增压

3、技术和增压方式增压技术和增压方式 内燃机增压起源于内燃机的出现。内燃机增压起源于内燃机的出现。 在在2020世纪世纪3030年代至年代至6060年代才应用于车用内燃机上。年代才应用于车用内燃机上。 2020世纪世纪8080年代以来内燃机广泛地采用了增压技术，年代以来内燃机广泛地采用了增压技术， 使其成为内燃机的一个重要使其成为内燃机的一个重要“模块模块” ” 。 一、增压技术一、增压技术 所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混所谓内燃机增压就是利用增压器将空气或可燃混 合气进行预压缩，再送入气缸的过程。合气进行预压缩，再送入气缸的过程。 注意：注意：增压后，可以提高发动机功率和改善发动机经

4、增压后，可以提高发动机功率和改善发动机经 济性。济性。 根据内燃机有效功率的公式，分析提高内燃机功根据内燃机有效功率的公式，分析提高内燃机功 率的措施率的措施 : : )( 03. 0 2 kWicDpK Z niVp N mec se e 式中，式中，Kc常数。常数。 1 1、增加气缸排量、增加气缸排量Vs 2 2、增加转速、增加转速n 3 3、增加平均有效压力、增加平均有效压力pe 增压度增压度增压后与增压前的内燃机功率之比，增压后与增压前的内燃机功率之比， 即增压后与增压前标定工况下平均有效压力之比：即增压后与增压前标定工况下平均有效压力之比： e s eo e eo e p p N N

5、 式中，式中，s s增压后气缸进气密度；增压后气缸进气密度； e e增压前气缸进气密度。增压前气缸进气密度。 注意：注意：增压度表示增压后内燃机功率的增加程度。增压度表示增压后内燃机功率的增加程度。 目前，增压度的划分尚无统一标准，通常以增压目前，增压度的划分尚无统一标准，通常以增压 压力压力pk或增压比或增压比k的大小来划分增压范围：的大小来划分增压范围： 低增压低增压 p pk k0.17MPa0.17MPa或或k k 1.71.7（ p pe e0.80.8 1.0MPa1.0MPa； 中增压中增压 p pk k0.180.180.25MPa0.25MPa或或k k 1.81.82.52

6、.5 （ p pe e0.90.91.5MPa 1.5MPa ）；）； 高增压高增压 p pk k0.260.260.35MPa0.35MPa或或k k 2.62.63.53.5 （ p pe e1.41.42.2MPa 2.2MPa ）；）； 超高增压超高增压 p pk k0.35MPa0.35MPa或或k k 3.53.5（ p pe e 2.2MPa 2.2MPa ）。）。 注意：注意： （1 1）增压压力较高时，通常要采取进气冷却措施，）增压压力较高时，通常要采取进气冷却措施， 即所谓中冷的方法；即所谓中冷的方法； （2 2）中冷可以提高充气密度、降低内燃机排气温度，）中冷可以提高充气

7、密度、降低内燃机排气温度， 并有利于降低内燃机的热负荷。并有利于降低内燃机的热负荷。 二、增压方式二、增压方式 车用发动机的增压方式很多，按实现增压所提供车用发动机的增压方式很多，按实现增压所提供 能量的方式可分为：能量的方式可分为： （一）机械增压（一）机械增压 （二）废气涡轮增压（二）废气涡轮增压 （三）复合增压（三）复合增压 （四）气波增压（四）气波增压 （一）机械增压（一）机械增压 内燃机采用机械增压时，增压器和内燃机用机械内燃机采用机械增压时，增压器和内燃机用机械 联接起来，通常由内燃机曲轴通过齿轮来驱动增压器，联接起来，通常由内燃机曲轴通过齿轮来驱动增压器， 将气体压缩并送入发动机

8、气缸。将气体压缩并送入发动机气缸。 注意：注意： （1 1）机械增压一般采用离心式压气机，在车用内燃）机械增压一般采用离心式压气机，在车用内燃 机上还常采用容积式压气机。机上还常采用容积式压气机。 （2 2）机械增压一般用于增压比不高时或某些特殊情）机械增压一般用于增压比不高时或某些特殊情 况下。况下。 （3 3）为使内燃机机械效率不至过分下降，增压压力）为使内燃机机械效率不至过分下降，增压压力 不宜超过不宜超过0.160.17MPa。 （4 4）机械增压结构紧凑，容易和内燃机匹配，内燃）机械增压结构紧凑，容易和内燃机匹配，内燃 机的加速性好，但传动复杂，燃油消耗率高。机的加速性好，但传动复杂

9、，燃油消耗率高。 （二）涡轮增压（二）涡轮增压 内燃机采用废气涡轮增压内燃机采用废气涡轮增压 时，涡轮增压器和内燃机之间时，涡轮增压器和内燃机之间 依靠气路相通，内燃机排出的依靠气路相通，内燃机排出的 燃气经涡轮膨胀作功后再排往燃气经涡轮膨胀作功后再排往 大气，而压气机是靠涡轮发出大气，而压气机是靠涡轮发出 的功率来驱动的。的功率来驱动的。 注意：注意：在涡轮增压内燃机工作在涡轮增压内燃机工作 时，涡轮和压气机二者的功率时，涡轮和压气机二者的功率 必须保持平衡，以保证内燃机必须保持平衡，以保证内燃机 发出预定功率时所需要的增压发出预定功率时所需要的增压 压力和空气流量。压力和空气流量。 与其他

10、增压方式相比，涡轮增压的主要优点有：与其他增压方式相比，涡轮增压的主要优点有： （1 1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的 情况下，一般可提高功率情况下，一般可提高功率2050，而且容易实现而且容易实现 高增压；高增压； （2 2）可以从排气中回收一部分能量，再加上相对地）可以从排气中回收一部分能量，再加上相对地 减少了机械损失和散热损失，其经济性有明显提高，减少了机械损失和散热损失，其经济性有明显提高， 油耗率可降低油耗率可降低510； （3 3）可降低排气噪声、烟度和排气中的有害成分，）可降低排气噪声、烟度和排气中的有害成分， 减少了对环境

11、的污染。减少了对环境的污染。 涡轮增压的缺点是：涡轮增压的缺点是： （1 1）涡轮增压内燃机的加速性能稍差；）涡轮增压内燃机的加速性能稍差； （2 2）热负荷问题较严重；）热负荷问题较严重； （3 3）对大气温度和排气背压较敏感。）对大气温度和排气背压较敏感。 目前，涡轮增压向两个方向发展：目前，涡轮增压向两个方向发展： 一是向小功率柴油机和汽油机方向发展；一是向小功率柴油机和汽油机方向发展； 二是向高增压方向发展。二是向高增压方向发展。 （三）复合增压（三）复合增压 1 1、机械增压和涡轮增压组成的复合增压、机械增压和涡轮增压组成的复合增压 2 2、涡轮增压和谐振系统组成的复合增压、涡轮增压

12、和谐振系统组成的复合增压 1 1、机械增压和涡轮增压组成的复合增压、机械增压和涡轮增压组成的复合增压 机械增压和涡轮增压的适当组合可以构成串连复机械增压和涡轮增压的适当组合可以构成串连复 合增压，也可以构成并联复合增压。合增压，也可以构成并联复合增压。 串联复合增压是进入气缸的空气连续经过两级压串联复合增压是进入气缸的空气连续经过两级压 缩。缩。 注意：注意：用于高增压柴油机上，可以改善低速转矩特性用于高增压柴油机上，可以改善低速转矩特性 和加速性。和加速性。 并联复合增压是机械增压和涡轮增压并行向内燃并联复合增压是机械增压和涡轮增压并行向内燃 机气缸供给增压空气。机气缸供给增压空气。 注意：

13、注意：这种复合增压系统结构复杂，多用于实现纯涡这种复合增压系统结构复杂，多用于实现纯涡 轮增压有较多困难的二冲程柴油机。轮增压有较多困难的二冲程柴油机。 2 2、涡轮增压和谐振系统组成的复合增压、涡轮增压和谐振系统组成的复合增压 涡轮增压和进气动态效应相结合也可以构成复合涡轮增压和进气动态效应相结合也可以构成复合 增压系统，空气先在涡轮增压器增压系统，空气先在涡轮增压器1中压缩，经连接管中压缩，经连接管2 进入稳压箱进入稳压箱3，然后进入谐振系统，进一步压缩后流，然后进入谐振系统，进一步压缩后流 入内燃机进气管入内燃机进气管6。 注意：注意： （1 1）稳压箱的作用是使谐振系统的压力波动不致影

14、）稳压箱的作用是使谐振系统的压力波动不致影 响压气机的工作。响压气机的工作。 （2 2）为了更好地利用谐振系统的动能，应将进气相）为了更好地利用谐振系统的动能，应将进气相 位不重叠的气缸与一个谐振系统相连接。位不重叠的气缸与一个谐振系统相连接。 主要优点是：主要优点是：结构较简单，不需要专门的控制系统；结构较简单，不需要专门的控制系统； 内燃机的转矩特性可获得明显改善；内燃机的加速性内燃机的转矩特性可获得明显改善；内燃机的加速性 能也可得到改善。能也可得到改善。 主要缺点是：主要缺点是：进气系统尺寸较大，在内燃机上不易布进气系统尺寸较大，在内燃机上不易布 置；三个气缸一个谐振系统的效果明显，而

15、两个气缸置；三个气缸一个谐振系统的效果明显，而两个气缸 一个谐振系统的效果较差，较适合在一个谐振系统的效果较差，较适合在3 3、6 6缸内燃机上缸内燃机上 采用。采用。 （四）气波增压（四）气波增压 所谓气波增压，就是所谓气波增压，就是 由曲轴经传动带驱动一个由曲轴经传动带驱动一个 特殊形状的转子，在转子特殊形状的转子，在转子 中废气直接与空气接触，中废气直接与空气接触， 废气的脉冲气波使空气在废气的脉冲气波使空气在 互不混合的前提下受到压互不混合的前提下受到压 缩，从而提高进气压力。缩，从而提高进气压力。 7.27.2涡轮增压系统涡轮增压系统 一、涡轮增压系统的基本类型一、涡轮增压系统的基本

16、类型 二、定压式和脉冲式涡轮增压系统的比较和选择二、定压式和脉冲式涡轮增压系统的比较和选择 一、涡轮增压系统的基本类型一、涡轮增压系统的基本类型 在涡轮增压内燃机中，根据排气能量的利用方式，在涡轮增压内燃机中，根据排气能量的利用方式， 可以分为可以分为: : 1 1、定压涡轮增压系统、定压涡轮增压系统 2 2、脉冲涡轮增压系统、脉冲涡轮增压系统 1 1、定压涡轮增压系统、定压涡轮增压系统 定压涡轮增压系统的特点是，定压涡轮增压系统的特点是，涡轮前的排气压力涡轮前的排气压力 基本上保持恒定基本上保持恒定，把各缸的排气管都通向一根排气总，把各缸的排气管都通向一根排气总 管，且排气总管的容积要足够大

17、，应能起稳定压力的管，且排气总管的容积要足够大，应能起稳定压力的 作用。作用。 主要优点是：主要优点是：涡轮在定压条件下全周进气，效率较高，涡轮在定压条件下全周进气，效率较高， 气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气管系气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气管系 统简单，成本较低，易于布置和维护。统简单，成本较低，易于布置和维护。 主要缺点是：主要缺点是：脉冲能量的利用率低，内燃机的低速转脉冲能量的利用率低，内燃机的低速转 矩特性和加速性能较差。矩特性和加速性能较差。 2 2、脉冲涡轮增压系统、脉冲涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统的特点是，脉冲涡轮增压系统的特点是，整个排气管系的容整个排

18、气管系的容 积较小且压力波动较大积较小且压力波动较大，把各缸的排气歧管做得细而，把各缸的排气歧管做得细而 短，通常是三个气缸或两个气缸连接一根排气管，每短，通常是三个气缸或两个气缸连接一根排气管，每 一根排气管均和涡轮一个进气口相连接，这样在每一一根排气管均和涡轮一个进气口相连接，这样在每一 根排气管中就形成几个连续的互不干扰的排气脉冲波根排气管中就形成几个连续的互不干扰的排气脉冲波 进入废气涡轮机。进入废气涡轮机。 注意：注意： 在多缸机上，各缸之间的发火间隔角应小于排气在多缸机上，各缸之间的发火间隔角应小于排气 持续角，为了避免相邻气缸排气的互相干扰，需要对持续角，为了避免相邻气缸排气的互

19、相干扰，需要对 排气管进行分支。排气管进行分支。 分支原则是，一根排气管所连各缸的排气相位必分支原则是，一根排气管所连各缸的排气相位必 须互不重叠，或者重叠很小。须互不重叠，或者重叠很小。 二、定压式和脉冲式涡轮增压系统的比较和选择二、定压式和脉冲式涡轮增压系统的比较和选择 1 1、排气能量利用的效果、排气能量利用的效果 2 2、对柴油机性能的影响、对柴油机性能的影响 3 3、增压系统的结构、增压系统的结构 1 1、排气能量利用的效果、排气能量利用的效果 （1 1）排气能量传递效率）排气能量传递效率E 在定压涡轮增压系统中，排能量传递效率较低。在定压涡轮增压系统中，排能量传递效率较低。 在脉冲

20、涡轮增压系统中，排气能量传递效率较高。在脉冲涡轮增压系统中，排气能量传递效率较高。 （2 2）涡轮效率）涡轮效率T 在定压涡轮增压系统中，涡轮效率较高。在定压涡轮增压系统中，涡轮效率较高。 在脉冲涡轮增压系统中，涡轮效率较低。在脉冲涡轮增压系统中，涡轮效率较低。 2 2、对柴油机性能的影响、对柴油机性能的影响 （1 1）加速性）加速性 脉冲涡轮增压系统响应快，加速性能较好。脉冲涡轮增压系统响应快，加速性能较好。 定压涡轮增压系统响应慢，加速性能较差。定压涡轮增压系统响应慢，加速性能较差。 （2 2）低速转矩特性）低速转矩特性 定压涡轮增压系统低速转矩较小。定压涡轮增压系统低速转矩较小。 脉冲涡

21、轮增压系统低速转矩特性比定压涡轮增压系脉冲涡轮增压系统低速转矩特性比定压涡轮增压系 统的好。统的好。 （3 3）柴油机的油耗率）柴油机的油耗率 采用脉冲涡轮增压系统时，在增压压力较低，并处采用脉冲涡轮增压系统时，在增压压力较低，并处 于部分负荷时具有较小的油耗率；于部分负荷时具有较小的油耗率； 采用定压涡轮增压系统时，在高增压满负荷时才具采用定压涡轮增压系统时，在高增压满负荷时才具 有较小的油耗率。有较小的油耗率。 （4 4）柴油机扫气质量）柴油机扫气质量 脉冲涡轮增压系统气缸扫气效果较好。而在定压脉冲涡轮增压系统气缸扫气效果较好。而在定压 涡轮增压系统中由于涡轮增压系统中由于pk波动小，扫气

22、压力差就大为减波动小，扫气压力差就大为减 小，不容易保证气缸的扫气。小，不容易保证气缸的扫气。 3 3、增压系统的结构、增压系统的结构 定压涡轮增压系统的排气管结构较为简单，布置定压涡轮增压系统的排气管结构较为简单，布置 方便。方便。 脉冲涡轮增压系统的排气管结构较为复杂，还受脉冲涡轮增压系统的排气管结构较为复杂，还受 到每根排气管连接气缸数目的限制，有时在一台柴油到每根排气管连接气缸数目的限制，有时在一台柴油 机上不得不采用几个废气涡轮增压器，使得柴油机的机上不得不采用几个废气涡轮增压器，使得柴油机的 轮廓尺寸加大。轮廓尺寸加大。 综上所述，中、小型发动机多为低增压，采用脉综上所述，中、小型

23、发动机多为低增压，采用脉 冲涡轮增压较为有利；大型柴油机增压比较高，则宜冲涡轮增压较为有利；大型柴油机增压比较高，则宜 采用定压涡轮增压。采用定压涡轮增压。 但是，考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷但是，考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷 （此时增压压力较低）下工作，对其转矩特性和加速（此时增压压力较低）下工作，对其转矩特性和加速 性能要求比较高，即便是在高增压的车用柴油机上仍性能要求比较高，即便是在高增压的车用柴油机上仍 常采用脉冲涡轮增压系统。常采用脉冲涡轮增压系统。 7.37.3涡轮增压柴油机的特点和性能涡轮增压柴油机的特点和性能 一、涡轮增压柴油机的特点一、涡轮增压柴油机的特点 二

24、、涡轮增压柴油机的性能二、涡轮增压柴油机的性能 一、涡轮增压柴油机的特点一、涡轮增压柴油机的特点 增压柴油机相对于非增压柴油机的特点：增压柴油机相对于非增压柴油机的特点： 为了保证增压柴油机在较高的机械负荷、热负荷为了保证增压柴油机在较高的机械负荷、热负荷 的条件下，能可靠耐久地工作，而在发动机主要热力的条件下，能可靠耐久地工作，而在发动机主要热力 参数的选取、结构设计、材料、工艺等方面所采取的参数的选取、结构设计、材料、工艺等方面所采取的 措施。措施。 1 1、主要参数的选取、主要参数的选取 n适当降低压缩比；适当降低压缩比； n适当加大过量空气系数。适当加大过量空气系数。 2 2、供油系统

25、、供油系统 n增加每循环的供油量；增加每循环的供油量； n高压油管及喷嘴进油孔处要保证具有足够大的流通高压油管及喷嘴进油孔处要保证具有足够大的流通 截面，以适应供油量加大的需要截面，以适应供油量加大的需要。 3 3、配气机构、配气机构 n一般采用较大的气门重叠角：一般采用较大的气门重叠角： 定压涡轮增压系统可以采用较小的气门重叠角；定压涡轮增压系统可以采用较小的气门重叠角； 脉冲涡轮增压系统可以采用较大的气门重叠角。脉冲涡轮增压系统可以采用较大的气门重叠角。 4 4、进排气系统、进排气系统 n在脉冲涡轮增压系统中，排气管必须分支；在脉冲涡轮增压系统中，排气管必须分支； n分支的原则是一根排气管

26、所连各缸排气相位必须互分支的原则是一根排气管所连各缸排气相位必须互 不重叠（或重叠很少）；不重叠（或重叠很少）； n排气管一般均采用耐热铸铁制造；排气管一般均采用耐热铸铁制造； n进气管容积尽可能大一些；进气管容积尽可能大一些； n空气滤清器相应增大空气滤清器相应增大 n压气机不能受到排气管加热的影响压气机不能受到排气管加热的影响。 5 5、冷却增压空气、冷却增压空气 n一是可以提高进气密度，从而提高功率；一是可以提高进气密度，从而提高功率； n二是可以降低压缩始点的温度和整个循环的平均温二是可以降低压缩始点的温度和整个循环的平均温 度，从而降低热负荷和排气温度。度，从而降低热负荷和排气温度。

27、 空空中间冷却器空空中间冷却器 1 1增压器增压器 2 2取气管取气管 3 3涡轮风扇涡轮风扇 4 4进气管进气管 5 5中冷器中冷器 6 6进气歧管进气歧管 7 7发动机发动机 8 8排气歧管排气歧管 二、涡轮增压柴油机的性能二、涡轮增压柴油机的性能 从车辆应用的角度，增压柴油机具有：从车辆应用的角度，增压柴油机具有： n经济性改善；经济性改善； n降低排气污染和噪声；降低排气污染和噪声； n低速转矩性能变差；低速转矩性能变差； n加速性能变差；加速性能变差； n起动与制动有一定困难。起动与制动有一定困难。 7.47.4汽油机增压技术汽油机增压技术 汽油机增压，在增压原理上与柴油机增压基本相

28、汽油机增压，在增压原理上与柴油机增压基本相 同，但在技术上要比柴油机增压困难得多。同，但在技术上要比柴油机增压困难得多。 原因：原因：汽油机增压后爆震的倾向增大，热负荷增高，汽油机增压后爆震的倾向增大，热负荷增高， 且增压系统较为复杂。且增压系统较为复杂。 目前，汽油机涡轮增压有两种发展类型：目前，汽油机涡轮增压有两种发展类型： （1 1）化油器式汽油机涡轮增压。）化油器式汽油机涡轮增压。 （2 2）直接喷射式汽油机涡轮增压。）直接喷射式汽油机涡轮增压。 注意：注意：在电控汽油喷射、电子点火式的汽油机上进行在电控汽油喷射、电子点火式的汽油机上进行 涡轮增压，将是一次内燃机的技术革命，其燃料经济

29、涡轮增压，将是一次内燃机的技术革命，其燃料经济 性可以与柴油机相媲美。性可以与柴油机相媲美。 一、汽油机涡轮增压的特点一、汽油机涡轮增压的特点 （1 1）汽油机的增压度受限于爆燃和热负荷，故增压）汽油机的增压度受限于爆燃和热负荷，故增压 度较低；度较低； （2 2）汽油机压缩比较低，过量空气系数范围也较窄，）汽油机压缩比较低，过量空气系数范围也较窄， 燃料经济性较差；燃料经济性较差； （3 3）汽油机不能用加大扫气量来冷却受热零件，故）汽油机不能用加大扫气量来冷却受热零件，故 增压后热负荷偏高；增压后热负荷偏高； （4 4）汽油机排温较高，对废气涡轮的耐热强度要求）汽油机排温较高，对废气涡轮的耐热强度要求 更高；更高； （5 5）汽油机的速度和功率范围较宽，工况变化频繁，）汽油机的速度和功率范围较宽，工况变化频繁， 转矩储备较大，致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当转矩储备较大，致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当 困难。困难。 二、汽油机涡轮增