发动机原理课件—第八章 内燃机增压及中冷技术

1、主要内容：主要内容：1. 内燃机增压的基本知识内燃机增压的基本知识2. 柴油机增压、中冷柴油机增压、中冷第八章第八章 内燃机增压及中冷技术内燃机增压及中冷技术v增压：增压：为提高平均有效压力以为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度增加气缸内封存气体密度的方法。的方法。（广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度（广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。）的一切方法，都称为增压。）v目的：目的：通过增加充气量，以通过增加充气量，以提高功率提高功率，改善经济性和排放性，改善经济性和排放性v提高发动机功率的途径：提高发动机功率的途径：3sm103

2、0PinVPee第一节第一节 发动机增压的基本知识发动机增压的基本知识改变结构参数。增加改变结构参数。增加i、Vs(D、S)，减少，减少，但体积和重量增加，但体积和重量增加提高转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命减少，噪音提高转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命减少，噪音大大提高平均有效压力提高平均有效压力Pme。提高平均有效压力提高平均有效压力Pme 方法：方法：减少过量系数减少过量系数提高充气效率提高充气效率增加充气密度增加充气密度（增压）（增压）v增压度增压度：发动机在增压后增长的功率与增压前功率：发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比之比范围：范围：10%60%。大部分为。大

3、部分为20%30%。v增压压比增压压比 k：进入气缸的气体压力：进入气缸的气体压力Pk与大气压力与大气压力P0之比之比v增压的范围增压的范围:低增压：低增压： k 1.31.6（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe0.71.0MPa）中增压：中增压： k 1.62.5（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe1.01.5MPa）高增压：高增压： k 2.5 （pe 1.5MPa）；）；超高增压：超高增压： k 3.5（pe2.0MPa）。）。内燃机增压的优缺点内燃机增压的优缺点v改善了发动机性能：改善了发动机性能：提高了内燃机机械效率；提高了内燃机机械效率；提高了内燃机的指示热效率；提

4、高了内燃机的指示热效率；改善了燃烧过程。改善了燃烧过程。v增加了发动机的比功率；增加了发动机的比功率；v扩大了内燃机高原适应性：扩大了内燃机高原适应性：v有利于降低有害气体排放和噪声。有利于降低有害气体排放和噪声。(汽油机汽油机HC降低，空气充足使柴油机碳烟有所降低；降低，空气充足使柴油机碳烟有所降低；温度高使着火延迟期缩短使柴油机柔和）温度高使着火延迟期缩短使柴油机柔和）v增加了柴油机的增加了柴油机的机械负荷；机械负荷；v增加了柴油机的增加了柴油机的热负荷。热负荷。优点：优点：缺点：缺点：v按照实现增压所提供的能量可分：按照实现增压所提供的能量可分：机械增压；机械增压；废气涡轮增压；废气涡轮

5、增压；气波增压；气波增压；复合增压复合增压谐波增压（汽油机）谐波增压（汽油机）第二节第二节 发动机增压的类型发动机增压的类型、机械增压、机械增压v由曲轴经过齿轮增速箱驱由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机。动压气机。v机械增压增压压力高，压机械增压增压压力高，压气机消耗的功率大。为使气机消耗的功率大。为使内燃机机械效率不要过分内燃机机械效率不要过分下降，增压压力下降，增压压力Pk不能过不能过高。高。 Pk 160170KPav主要用途：提高发动机低主要用途：提高发动机低速扭矩速扭矩机械增压器的种类机械增压器的种类v机械增压所用的压气机除机械增压所用的压气机除离心式离心式压气机外，在车用内压气机外，在

6、车用内燃机上常用容积式压气机：燃机上常用容积式压气机：罗茨式；螺杆式；转子活塞式罗茨式；螺杆式；转子活塞式。、废气涡轮增压、废气涡轮增压v废气涡轮增压利用废气涡轮增压利用内燃机排气中能量内燃机排气中能量来实现增压，比机来实现增压，比机械增压经济性好，械增压经济性好，比非增压自然吸气比非增压自然吸气式内燃机燃油耗率式内燃机燃油耗率可低可低5%10%。v质量功率和体积功质量功率和体积功率比非自然吸气内率比非自然吸气内燃机明显改善，因燃机明显改善，因而在内燃机上得到而在内燃机上得到广泛应用。广泛应用。废气涡轮增压的分类废气涡轮增压的分类v废气涡轮增压器主要由压废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮组成

7、。气机和废气涡轮组成。v压气机主要是离心式的。压气机主要是离心式的。v废气涡轮分：废气涡轮分：轴流式；轴流式；径流式；径流式；(小流量，车用小流量，车用)斜流式（混流式）。斜流式（混流式）。v由于内燃机排气能量利用由于内燃机排气能量利用的不同，有两种经典的、的不同，有两种经典的、基本的增压形式：基本的增压形式：脉冲涡轮增压脉冲涡轮增压变压系统变压系统(直接、响应快，排气管细直接、响应快，排气管细)等压涡轮增压等压涡轮增压恒压系统恒压系统(发动机背压大发动机背压大)、气波增压、气波增压v气波增压是通过气波增压器利气波增压是通过气波增压器利用气体质点和压力波的反射特用气体质点和压力波的反射特性，使

8、排气和进气之间进行直性，使排气和进气之间进行直接的能量交换，以增大进气密接的能量交换，以增大进气密度。度。v气波增压对内燃机工况反映迅气波增压对内燃机工况反映迅速，使气波增压的加速性好，速，使气波增压的加速性好，且低速时空气的压缩程度高，且低速时空气的压缩程度高，低速扭矩好。工作温度低，不低速扭矩好。工作温度低，不需要耐高温材料。但体积大，需要耐高温材料。但体积大，噪声大，安装位置受到一定限噪声大，安装位置受到一定限值。匹配要求高，防止窜烟。值。匹配要求高，防止窜烟。气波增压器转气波增压器转子展开图子展开图、复合增压、复合增压v机械增压与废气涡轮增压组合。机械增压与废气涡轮增压组合。v谐波增压

9、与废气涡轮增压组合。谐波增压与废气涡轮增压组合。、谐波增压、谐波增压ACIS双增压器顺序增压双增压器顺序增压v多缸发动机上使用两台增压器。多缸发动机上使用两台增压器。v在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反映性能。反映性能。v在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。第三节第三节 增压器增压器v可变进气道增压器；可变进气道增压器；v可变喷嘴环增压器；可变喷嘴环增压器；v可变涡轮喉口截面增压器；可变涡轮喉口截面增压器；v可变叶片增压器；可变叶片增压器；v废气放气增压器

10、；废气放气增压器；v进气回流增压器；进气回流增压器；v射流涡轮增压器；射流涡轮增压器；v斜流涡轮增压器；斜流涡轮增压器；可变进气道增压器可变进气道增压器v低速时使用一个进气低速时使用一个进气通道；高速时，进气通道；高速时，进气量大，使用两个通道，量大，使用两个通道，可以改善增压发动机可以改善增压发动机的过渡性能。的过渡性能。可变进气道增压器性能可变进气道增压器性能可变喷嘴环增压器可变喷嘴环增压器v低速时，喷嘴角低速时，喷嘴角度小，流通截面度小，流通截面小；高速时喷嘴小；高速时喷嘴角度大，流通截角度大，流通截面能保证涡轮从面能保证涡轮从废气中获取足够废气中获取足够能量达到压气机能量达到压气机的需

11、求。的需求。各喷嘴环各喷嘴环1通过轴销通过轴销2固定在涡壳固定在涡壳5上，再经传动杆上，再经传动杆3与喷嘴控制盘与喷嘴控制盘4相相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。通过调整涡壳通过调整涡壳5与涡与涡轮叶轮轮叶轮6之间的喷嘴之间的喷嘴环角度来调整涡轮流环角度来调整涡轮流通截面。通截面。可变喷嘴环增压器特性可变喷嘴环增压器特性v左图中左图中是喷嘴环角是喷嘴环角度以此减小的情况。随着度以此减小的情况。随着内燃机转速下降，压气机内燃机转速下降，压气机的增压压力不但没有下降，的增压压力不但没有下降，反而提升到高转速水平，反而提升到高转速水平，从而保证增压内燃

12、机的低从而保证增压内燃机的低速性能。速性能。v可调喷嘴环用于增压器与可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配。通过内燃机的高速匹配。通过可调喷嘴环改善低速性能。可调喷嘴环改善低速性能。可变涡轮喉口截面增压器可变涡轮喉口截面增压器1.压气机；压气机；2.可变喉口截面调整板；可变喉口截面调整板；3.调整板及调整机构；调整板及调整机构；4.操纵操纵机构；机构；5.操纵机构控制电磁阀；操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；涡轮；A.最小喉口截面；最小喉口截面；B.最大最大喉口截面喉口截面低速高速可变涡轮喉口截面增压器工作原理可变涡轮喉口截面增压器工作原理v可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下可变涡轮喉口

13、截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大

14、。最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。v可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。可变叶片增压器可变叶片增压器v可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。v多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。三菱多阀VG增压器本田可变叶片增压器废气放气增压器废气放气增压器v车用增压内燃机为获得低速大车用增压内燃机为获得低速大扭矩和良好的加速性能，涡轮扭

15、矩和良好的加速性能，涡轮增压器一般按内燃机低速、小增压器一般按内燃机低速、小流量设计。流量设计。v轿车用增压器设计转速为内燃轿车用增压器设计转速为内燃机标定转速的机标定转速的40%左右。左右。v公共汽车、重型车用的增压器公共汽车、重型车用的增压器设计转速为内燃机标定转速的设计转速为内燃机标定转速的60%左右。左右。v高速时，将会使增压压力过高速时，将会使增压压力过高，增压器超速，柴油机爆高，增压器超速，柴油机爆发压力过大，汽油机容易引发压力过大，汽油机容易引起爆震。起爆震。v为此，设计增压器常增加废为此，设计增压器常增加废气放气阀，在高速时将一部气放气阀，在高速时将一部分废气旁通掉，加以控制增

16、分废气旁通掉，加以控制增压压力。压压力。废气废气放气放气增压增压器工器工作原作原理理v废气门废气门3与增压器与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上。废气门的阀门的排气管上。废气门的阀门固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。v一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，

17、废气门打开，一部分废气一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压力回不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压力回落，以实现空气增压压力的自动调节。落，以实现空气增压压力的自动调节。进气回流增压器进气回流增压器v为避免由于负荷突变及环境变为避免由于负荷突变及环境变化而使压气机出现喘振而损坏化而使压气机出现喘振而损坏增压器，在增压器的压气机进增压器，在增压器的压气机进口装上整体式的回流阀。口装上整体式的回流阀。v当进气管压力低于某一值时，当进气管压力低于某一值时，作用在回流阀上的进气管压力、作用在

18、回流阀上的进气管压力、弹簧压力和压气机出口的空气弹簧压力和压气机出口的空气增压压力不平衡，回流阀顶开，增压压力不平衡，回流阀顶开，压气机出口的空气通过回流阀压气机出口的空气通过回流阀和回流通道进入压气机进口，和回流通道进入压气机进口，以增加通过压气机的空气量。以增加通过压气机的空气量。第四节第四节 增压中冷技术（选）增压中冷技术（选）v增压空气增压空气温度增加温度增加，在柴油机中引起，在柴油机中引起增压条件下进气密增压条件下进气密度减小度减小，即在保持不变过量空气系数，即在保持不变过量空气系数下，意味着功率下下，意味着功率下降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机机械负荷降，不然需要进一步提高

19、增压压力，但柴油机机械负荷又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的烧，但却使燃烧室内受热零件的热负荷增加，排温过高，热负荷增加，排温过高，NOx增加增加。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。率下降外，最主要的是爆震倾向增加。v一般，当增压空气的压力超过一般，当增压空气的压力超过0.15MPa时，就值得采用时，就值得采用中冷。中冷。v解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。空气。v增压空气温度每降低增压空气温度每降低20K，涡轮前的废