第3章 发动机废气涡轮增压

1、第三章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压 Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging 主要内容主要内容 概述概述 废气能量的利用（废气能量的利用（自学自学） 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型 汽油机增压概述汽油机增压概述 车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能 第一节第一节 概述概述 增压增压: : 利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再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。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增压后，每

2、循环进入气缸内的新鲜充量密度增 大，使实际充气量增加大，使实际充气量增加, 提高发动机功率和改善经济提高发动机功率和改善经济 性。性。 增压分类增压分类: 按增压比（按增压比（增压后气体压力与增压前气体压力之比增压后气体压力与增压前气体压力之比 ） 低增压：低增压： 1.31.6， 700 1000kPa； 中增压：中增压： 1.62.5， 10001500kPa； 高增压：高增压： 2.5， 1500kPa； 超高增压超高增压 4.55.5， 25003500kPa。 k me p (1)机械增压机械增压系统系统 发动机输出轴直接驱发动机输出轴直接驱 动机械增压器，实现对进动机械增压器，实现

3、对进 气的压缩。气的压缩。 增压器有：离心式增压器有：离心式 压气机、罗茨式压气机、压气机、罗茨式压气机、 螺旋转子式压气机或滑片螺旋转子式压气机或滑片 转子式压气机等。转子式压气机等。 用于小功率发动机。用于小功率发动机。 图3-1 按增压系统的结构形式按增压系统的结构形式： 罗茨式压气机 (2)废气涡轮增压废气涡轮增压系系 统统 压气机与涡轮压气机与涡轮 同轴相连，构成涡同轴相连，构成涡 轮增压器。涡轮在轮增压器。涡轮在 排气能量的推动下排气能量的推动下 旋转，带动压气机旋转，带动压气机 工作，实现进气增工作，实现进气增 压。压。 广泛应用于柴广泛应用于柴 油机。油机。 涡轮增压的原理涡轮

4、增压的原理 红色为高温废气，蓝色为新鲜空气红色为高温废气，蓝色为新鲜空气 废气涡轮增压器废气涡轮增压器 ()复合增压复合增压 系统系统 将废气动将废气动 力涡轮与废气力涡轮与废气 涡轮增压器串涡轮增压器串 联起来工作，联起来工作， 称为复合式增称为复合式增 压系统。压系统。 (4)组合增压组合增压系统系统 组合式涡轮增压组合式涡轮增压 系统由废气涡轮增系统由废气涡轮增 压与进气惯性增压压与进气惯性增压 组合而成。在该增组合而成。在该增 压系统中，除废气压系统中，除废气 涡轮增压器外，还涡轮增压器外，还 有由稳压箱、共振有由稳压箱、共振 管、共振室等构成管、共振室等构成 的进气惯性增压系的进气惯

5、性增压系 统，利用压力峰值统，利用压力峰值, 进一步提高增压后进一步提高增压后 的进气压力。的进气压力。 ()气波增压系统气波增压系统 所谓气波增压，所谓气波增压， 是由曲轴驱动一个特是由曲轴驱动一个特 殊转子，在转子中废殊转子，在转子中废 气直接与空气接触，气直接与空气接触， 利用高压废气的脉冲利用高压废气的脉冲 气波迫使空气在互相气波迫使空气在互相 不混合的情况下受到不混合的情况下受到 压缩压缩利用进气及利用进气及 排气系统中的波动效排气系统中的波动效 应来压缩进气。从而应来压缩进气。从而 提高进气压力。提高进气压力。 增压的优点增压的优点 1. 比质量小、升功率大比质量小、升功率大 2.

6、 降低造价、提高材料利用率降低造价、提高材料利用率 3. 排气噪声降低、燃烧噪声降低排气噪声降低、燃烧噪声降低 4. 有利于高原等稀薄条件工作有利于高原等稀薄条件工作 5. 排放降低排放降低 6. 适用性广适用性广 增压的缺点增压的缺点 1. 热负荷与机械负荷大热负荷与机械负荷大 2. 低速时转矩受影响低速时转矩受影响 3. 加速响应性差加速响应性差 4. 增压器对发动机性能优化的限制增压器对发动机性能优化的限制 第三节第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理 一、径流式涡轮的工作原理一、径流式涡轮的工作原理 1燃气在涡轮机中的流动燃气在涡轮机中的流动 离心

7、式压 气机 径流式 涡轮 中间体 废气从工作叶轮转子的外缘由进废气从工作叶轮转子的外缘由进 气蜗壳流入，经过一系列工作路径后气蜗壳流入，经过一系列工作路径后 从涡轮中心轴向流出。从涡轮中心轴向流出。 在涡轮工作叶轮中，叶片之间的在涡轮工作叶轮中，叶片之间的 通道也是呈渐缩状，气体在通道中将通道也是呈渐缩状，气体在通道中将 继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片 时，气流转弯。由于离心力作用的结时，气流转弯。由于离心力作用的结 果，在叶面的凹面上压力得到提高，果，在叶面的凹面上压力得到提高， 而在凸面则降低。作用在叶片表面的而在凸面则降低。作用在叶片表面的 压力的合力，

8、产生了转矩。此时，压力的合力，产生了转矩。此时，在在 工作轮出口处压力、温度以及速度均工作轮出口处压力、温度以及速度均 下降，而出口处的气体速度已经大大下降，而出口处的气体速度已经大大 小于进口速度，气体膨胀所获得的动小于进口速度，气体膨胀所获得的动 能已大部分传给了工作叶轮。能已大部分传给了工作叶轮。 涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气 所拥有的能量的比所拥有的能量的比 2. 涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线 1) 涡轮机参数涡轮机参数 (1) 涡轮效率涡轮效率 T T T H W T W 膨胀比膨胀比为涡轮进口气体滞止压力与涡轮为涡轮进口气体滞止压力与涡轮 出

9、口气体静压力之比出口气体静压力之比 T H (2 )膨胀比膨胀比 T T 0 * ppT T 0 p * T p (4)相似转速相似转速 T TmT T Hq P 1000 (3 )相似流量相似流量 相似流量相似流量 * TTmT pTq 为气体质量流量，为气体质量流量， mT q * T T * T p 为滞止温度，为滞止温度， 为气体滞止压力。为气体滞止压力。 n为为涡轮涡轮转速转速 相似转速相似转速 * T Tn 涡轮机所发出的功率涡轮机所发出的功率 2） 涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线 图图39 涡轮机的特性涡轮机的特性 涡轮机特性曲线：涡轮机特性曲线：以相以相 似流量为横坐标，以膨似流

10、量为横坐标，以膨 胀比为纵坐标，以相似胀比为纵坐标，以相似 转速为参变量的一组曲转速为参变量的一组曲 线。线。 转速一定，相似流量随转速一定，相似流量随 膨胀比的增大而增大，膨胀比的增大而增大， 直到达到流量最大值，直到达到流量最大值， 即达到了当地声速，即即达到了当地声速，即 使再继续增大膨胀比，使再继续增大膨胀比， 该处的气流速度仍维持该处的气流速度仍维持 当地声速，涡轮流量也当地声速，涡轮流量也 不会再增加。不会再增加。 二、离心式压气机的工作原理与特性二、离心式压气机的工作原理与特性 图图310 离心式压气机简图离心式压气机简图 1进气道；进气道；2工作轮；工作轮；3扩压器；扩压器；4

11、出气蜗壳出气蜗壳 基本工作原理基本工作原理 ：空气沿：空气沿 收敛型的轴向进气道略收敛型的轴向进气道略 有加速地进入工作轮，有加速地进入工作轮， 并沿着工作轮上叶片所并沿着工作轮上叶片所 构成的通道流动，由于构成的通道流动，由于 工作轮中的空气随工作工作轮中的空气随工作 轮一起旋转，工作轮的轮一起旋转，工作轮的 机械能传递给气体，转机械能传递给气体，转 变为气体的动能，使气变为气体的动能，使气 体运动的线速度增大，体运动的线速度增大， 使之能克服气体微团所使之能克服气体微团所 受径向压差的作用，而受径向压差的作用，而 沿着螺旋线轨迹向轮缘沿着螺旋线轨迹向轮缘 方向运动，达到了增压方向运动，达到

12、了增压 的目的。的目的。 主要参数：主要参数： 1）增压比）增压比 0 p pk k k m 0 V 2）流经压气机的每秒质量流量）流经压气机的每秒质量流量 或容积流量或容积流量 3）压气机转速）压气机转速 k n kad 4）压气机的绝热效率）压气机的绝热效率 定义为定义为1kg 空气的绝热压缩功空气的绝热压缩功与实际压缩功与实际压缩功 之比。之比。 04 0 4 04 1 0 0 1 1 1 TT TT TTR k k p p RT k k h h k k k k kad kad 压气机特性曲线压气机特性曲线 ： 图图313 离心式压气机的流量特性离心式压气机的流量特性 () 压气机的流量

13、特性压气机的流量特性 压气机的流量特性是表示压气压气机的流量特性是表示压气 机转速机转速不变时，压气机的增压比和不变时，压气机的增压比和 绝热效率随空气流量的变化关系。绝热效率随空气流量的变化关系。 (1) 压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞 压气机的喘振压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧当压气机工作在喘振线右侧 时，其工作是稳定的；而当处于喘时，其工作是稳定的；而当处于喘 振线左侧时，压气机的工作就变得振线左侧时，压气机的工作就变得 不稳定甚至有危险了。不稳定甚至有危险了。 压气机的堵塞压气机的堵塞 当增压比继续降低时，气体当增压比继续降低时，气体 流量却不再增加，此时的气体流量流量却

14、不再增加，此时的气体流量 称为堵塞流量，它也是该转速下压称为堵塞流量，它也是该转速下压 气机所对应的最大流量。气机所对应的最大流量。 10ZJ型涡轮增压器 废气涡轮增压器结构废气涡轮增压器结构 涡轮增压器的结构 涡轮增压套件 半开式工作轮 第四节第四节 废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型 一、废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压的类型 图图314 涡轮增压系统的两种基本形式涡轮增压系统的两种基本形式 a）定压增压系统）定压增压系统 b）脉冲增压系统）脉冲增压系统 ）定压增压系统）定压增压系统把各缸的排气管部通向一根排气总管上。把各缸的排气管部通向一根排气总管上。 ）脉冲增压系统）脉冲增压系统几

15、个气缸连接一根排气管几个气缸连接一根排气管 。 ）定压增压系统和脉冲增压系统的比较）定压增压系统和脉冲增压系统的比较 1.废气能量利用的效果废气能量利用的效果 脉冲增压对废气能量的利用比定压增压要好。脉冲增压对废气能量的利用比定压增压要好。 .内燃机气缸内的扫气作用内燃机气缸内的扫气作用 脉冲增压扫气作用比定压增压要好。脉冲增压扫气作用比定压增压要好。 .内燃机的加速性能内燃机的加速性能 脉冲增压的加速性能比定压增压要好。脉冲增压的加速性能比定压增压要好。 .增压器效率与增压系统的结构增压器效率与增压系统的结构 定压增压系统的效率较高。定压增压系统的效率较高。 与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较

16、大，排气管的结与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管的结 构比较复杂。构比较复杂。 结论：结论：在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；而在在低增压时，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。高增压时，则是两种系统同时存在、各有所长。 二、改善车用增压发动机扭矩特性的途径二、改善车用增压发动机扭矩特性的途径 （一）排气旁通（一）排气旁通 （二）进气旁通（二）进气旁通 部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少进入气缸的空气量部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少进入气缸的空气量 使发动机进气压力适当降低，以适应发动机的要求。使发动机进气压力适当降低，以适

17、应发动机的要求。 （三）可变截面涡轮（三）可变截面涡轮 .双蜗壳通道涡轮；双蜗壳通道涡轮；.可变蜗壳通道流通截面涡轮可变蜗壳通道流通截面涡轮 ；.变喷嘴变喷嘴 环流通截面涡轮环流通截面涡轮 第五节第五节 汽油机增压概述汽油机增压概述 一、汽油机增压的特点一、汽油机增压的特点 从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与 柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压 技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用 外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。外，在其

18、他应用领域，其普及性远不如柴油机。 限制汽油机压的主要技术障碍：限制汽油机压的主要技术障碍： . 爆燃爆燃 汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温 度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将 促使爆燃的发生，限制汽油机增压。促使爆燃的发生，限制汽油机增压。 采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决。 带中冷器的废所涡轮增压系统 图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。 . 混合气的调节混合气的调节 汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增汽油机采用变量调节，化

19、油器式发动机进行增 压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难 于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增 压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新 问题。问题。 . 热负荷热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀 比小，废气温度也比柴油机高比小，废气温度也比柴油机高200300。增压。增压 后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。 . 对增压器的特殊要求对

20、增压器的特殊要求 汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、 转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内， 还要求有还要求有增压调节装置增压调节装置，这就造成它的成本比柴油，这就造成它的成本比柴油 机用增压器要高。机用增压器要高。 二、汽油机涡轮增压的主要技术措施二、汽油机涡轮增压的主要技术措施 . 降低压缩比降低压缩比 汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩 比比 。 . 增压压力控制系统增压压力控制系统 汽油机运行转速范围比柴油机宽，从低速到高速汽油机运行转速

21、范围比柴油机宽，从低速到高速 进气流量变化范围大，涡轮增压器的特性很难完全满进气流量变化范围大，涡轮增压器的特性很难完全满 足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足，足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足， 高速对增压压力过高的情况，出现爆燃，为此，必须高速对增压压力过高的情况，出现爆燃，为此，必须 对汽油机增压压力进行控制。对汽油机增压压力进行控制。 . 减小增压后的减小增压后的“反应滞后反应滞后”现象现象 采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案、带旁通阀采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案、带旁通阀 的控制系统、减小进排气管长度及容积、提高压缩比的控制系统、减小进排气管长度及容积、提高压缩

22、比 及可变点火正时等措施，来减小及可变点火正时等措施，来减小“反应滞后反应滞后”现象。现象。 . 燃料供给系统的调整燃料供给系统的调整 汽油泵汽油泵 采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的 方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。 点火提前角的调整点火提前角的调整 采用了电子控制装置来自动推迟点火提前角。采用了电子控制装置来自动推迟点火提前角。 三、汽油机废气涡轮增压器的布置三、汽油机废气涡轮增压器的布置 在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增压在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增压 器之后喷入，也有的在压

23、气机前吸入一小部分燃油。器之后喷入，也有的在压气机前吸入一小部分燃油。 第六节第六节 车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能 一、增压前后发动机动力性及经济性的变化一、增压前后发动机动力性及经济性的变化 增压后平均指示压力提高。增压后平均指示压力提高。 增压后机械效率提高。增压后机械效率提高。 增压后内燃机的充量系数是增大的。增压后内燃机的充量系数是增大的。 二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响 . 降低排气污染和噪声降低排气污染和噪声 通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体HC和和 CO的排放量一般为非增压机的的排放量一

24、般为非增压机的13l2，如果措，如果措 施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NOx 排放量也显著降低。排放量也显著降低。 2. 低速转矩性能变差低速转矩性能变差 主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器 增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高 速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使 增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低 速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。 3. 加速性能变差加速性能