高等内燃机学结业论文

1、高等内燃机学结课论文姓名_ _ _ _ _ _学号_ _ _ _专业_ 动力机械及工程 电邮_ _成绩_ _ _日期_2013.12.01_ _涡轮增压器类型结构及其发展历程综述摘要 本文简要叙述了涡轮增压器的结构原理，回顾了柴油机涡轮增压器的发展历程，介绍了涡轮增压技术的现状，并展望了涡轮增压技术的发展趋势。关键字 涡轮增压技术 涡轮增压器 涡轮机 压气机 发展趋势引言自涡轮增压技术概念提出至今己有百年时间了，在这百年的时间里，涡轮增压技术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改进，其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率

2、和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发展和进步提供了广阔的空间和需求1-2。正文1回顾早在1905年，瑞士的Alfred J. Buchi博士就对涡轮机驱动压缩机这一装置申请了专利，并于1909-1912年设计开发了世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器，进而于1915年首先策划了将涡轮增压器应用于柴油动力机。但是，由于不能获得足够的压缩空气压力，这一创新并没有得到认可和重视。涡轮增压技术的实际应用最先在第一次世界大战期间的航空发动机上取得了一定的成功。随后在20世纪30 -40年代的欧洲和美国，涡轮增压技术进入了迅速发展和广泛应用的阶段。轴流式涡轮增压器被大量应用在航海、铁路、电

3、厂和航空领域3。特别是在美国，通用公司为军用飞机研制的涡轮增压器，被数以万计地应用在战斗机和轰炸机上。当时，涡轮增压技术的广泛应用也促进了许多新技术、新工艺的产生和发展，其中主要包括：1）对材料耐热性的研究和开发；2）对材料高温精确铸造技术的研究和开发；3）促使人们对径流式涡轮增压器的研发，并使之在小功率发动机上得到了应用。20世纪40年代末50年代初盖瑞特（Garret）公司开始从事20-90PS （15-67kW）的小功率引擎的涡轮增压器的研究，并取得了成功。盖瑞特公司开发出良好的涡轮增压器壳体的铸造技术、高速密封技术、径流式涡轮和离心式压缩机技术。1954年盖瑞特公司成立了空气学工业研发

4、部（Air-Research Industrial Division）也就是后来的盖瑞特引擎公司（Garrett Auto-motive ），专门设计和生产涡轮增压器，这对于现代涡轮引擎的产生和发展具有划时代意义。在这期间，小型涡轮增压器首先在赛车上取得了惊人的成功，涡轮增压器所提供的大功率、大扭矩满足了人们当时的需求。随后小型涡轮增压器大量应用于大型拖拉机、载重卡车和小型汽车上。时至今日，几乎所有的卡车都搭载了涡轮增压器的引擎4。在小型车领域，20世纪70年代是涡轮增压器一个重要的转折点。保时捷911 （带盖瑞特废气门的KKK涡轮增压器）轿车于1975年面世。1977年绅宝- 99通过一个带

5、涡轮增压器的2.1L汽油发动机获得了与无涡轮增压的3.0L发动机同样的性能，使更多的人认识和接受了涡轮增压技术。随后的奔驰推出了300 Turbo diesel涡轮增压柴油发动机轿车，其能为驾车者提供最大的燃油经济性和驾驶性。别克公司接着宣布1978年的别克君威和利蒙斯运动型双门跑车配置涡轮引擎。在近20年里，汽车生产厂家不断开发出具有涡轮增压技术的小型轿车。在卡车领域，盖瑞特T04涡轮增压器最早应用在迪尔农业机械上。随着发动机生产厂家逐渐认识到涡轮增压器对发动机工况、最大扭矩和燃油经济性提高的巨大贡献，T04型涡轮增压器具有了更加广泛的应用。20世纪70年代卡车涡轮增压时代正慢慢形成。今天，

6、中、重型车辆己经普遍选用柴油机作为动力。在西欧，轿车选用柴油机的比例逐年上升，其中柴油机轿车市场占有率己达30%-50%。现代柴油机己是高新技术产品的代表之一，现代柴油机具有节能、低污染的先天优势，能满足日益严格的排放法规要求，这得益于普遍采用了涡轮增压技术。通过采用涡轮增压及涡轮增压中冷技术可提高气缸充量容积效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不变，可降低废气烟度、废气温度和发动机的热负荷5。在内燃机的发展历程中，涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面发挥了重要的作用，被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。2涡轮增压器概述随着汽车运输行业的发展，采用大功率、低

7、污染的柴油机作为汽车动力源已成为一种趋势。废气涡轮增压是利用发动机排气中的剩余能量来工作的增压方式，不需要消耗发动机的功率，涡轮增压是目前发动机上普遍采用的增压技术。发动机排出的废气驱动增压器的涡轮，该涡轮与压气机叶轮安装在同一转轴上，因此压气机叶轮也以相同速度转动，从而将大量的空气压缩后输送到发动机的燃烧室里。由于涡轮增压器利用了废气的一部分能量，因而不仅可提高内燃机的功率，还可改善内燃机的燃料经济性。发动机的排气经过涡轮后，压力和温度会降低，因此使排气噪声降低，对改善发动机噪声也很有帮助。发动机采用涡轮增压有以下几点好处：a提高发动机功率、降低油耗。实践表明，在一般柴油机上通过改动进、排气

8、管，增大供油量，加装废气涡轮增压器，可明显增加柴油机功率。例如， 6135柴油机采用涡轮增压器后，功率由原来的118kw可提高到153 kw，功率增加近30，而油耗则降低57。b减小单位功率质量，缩小外形尺寸。c采用增压技术可以有效降低排放污染。由于涡轮增压发动机增大了进气量，使得燃烧比较完全，从而使废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也较少。d采用增压技术后，发动机燃烧压力升高率降低，工作较柔和，噪声比较小。e采用增压技术后，对于高原地区使用的发动机更显必要。由于高原地区气压低，单位质量的空气中含氧量较平原地区少，易导致发动机功率下降。一般认为，海拔每升高1 000 m，发动机功率下降8

9、10，燃油消耗率增加3855，加装涡轮增压器后，可以恢复功率，同时减少油耗。下面介绍几种主要增压器类型及结构：1、废气涡轮增压器废气涡轮增压器是目前汽车柴油机普遍采用的一种脉冲式增压器6-7，见图1。增压系统主要由增压器、增压器机油滤清器和相应的进出油管组成。其中，增压器主要由废气涡轮机和压气机两部分组成。其工作原理为：涡轮机与发动机排气管相连，发动机排出的高能量废气高速进入涡轮并推动涡轮高速运转，压气机与涡轮安装在同一轴上，使同一轴上的压气机叶轮工作，压气机与进气系统中空气滤清器相连。这样经空气滤清器滤清后的空气进人压气机，使空气的压力得以提高，进气密度得以增加，从而大大提高进气量，为提高柴

10、油机的功率创造必要的条件。图12、旁通涡轮增压器与废气涡轮增压器相比较，二者的工作原理基本相同，不同之处是涡轮增压器带有旁通阀。柴油机在大负荷高速运转时，由于排气流量大、能量大，将使涡轮增压器的转速随之升高，导致增压压力升高。但是，在发动机低速工作时，即使增加了负荷，废气流量也较小，这样会出现低速时发动机增压空气压力低，扭矩增量过小的缺点，旁通阀即为解决这一问题而设置。当发动机处于高速大负荷工况时旁通阀打开，一部分废气不经涡轮而直接排放到排气管中，这样可以降低增压器的转速，控制压比在一个合理的范围内，使增压器不至于因增压过高而导致转速过快。如图2所示，旁通涡轮增压器在涡轮进口处设置了一个受增压

11、压力控制其开启、关闭的执行机构。发动机工作时，旁通阀与曲柄整体转动，并通过推杆与固定在增压器壳体上的执行器中的弹簧一端相连，而执行器的另一端则通过软管与压气机出口的增压压力相通。当增压压力达到一定程度时，克服了弹簧预紧力，并推动推杆，让曲柄打开旁通阀，将进入涡轮的部分废气经旁通阀通道直接排人排气管中，从而将废气涡轮增压器的增压压力控制在一个合理的范围之内8-11。如何解决低速时扭矩不足的问题呢？其实，由于车用发动机转速范围很广，涡轮增压器受发动机及增压器特性的限制，很难在高、低速端均获得最佳匹配，而旁通涡轮增压器正是以低速端进行最佳匹配，使发动机低速时转矩大，排放污染低，同时，又通过旁通阀来解

12、决由此而产生的高速端时增压压力过高的问题，从而解决了高速端和低速端同时兼顾的问题。图23、相继增压（STC）相继增压STC的基本原理是采用多个小流量的增压器，随着柴油机工况的提升，依次投人运行。它改变了增压系统在低工况时废气能量不足而引起的涡轮转速下降，增压压力不足，从而引起的增压器喘振、柴油机功率下降等问题。在柴油机额定工况下，每台增压器都在高效区运行；而在柴油机部分负荷时，减少投人使用的增压器数量，使得投人运行的增压器运行线仍处在高效区附近，从而改善柴油机的经济性及排放性能。4、可变截面涡轮增压可变截面涡轮增压是柴油机废气通过喷嘴环时，根据涡轮增压柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度

13、，使流人涡轮叶片的气流参数改变，通过涡轮焓降的变化实现涡轮做功的变化，进而让压气机出口的增压压力发生变化，从而使得柴油机与增压器在各工况下均有良好的匹配。3现状近20年，随着涡轮增压技术的普及、深入，有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。可以说，正是由于各种排放、噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿，车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期12-14。总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下5点特征：1）小型化在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大改变，即很容易提高功率20%-50%。由于不像机械增压

14、时压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时，功率提高甚至可大于100 %。因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下，大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及车辆的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。2）节能涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油率可降低5%-10%。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能的目的。一台1.65L排量的增压发动机的功率等于一台3.

15、78L排量的非增压发动机的功率15-16。3）环保涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机有害气体和CO2的排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，碳烟和CO的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，HC化合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效N0x的排放量增加。因增压柴油机能提

16、高燃油经济性，有时可放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。同时，提高了充量温度，缩短了滞燃期，降低了燃烧噪声。这可使重型柴油机NOx降低80%，微粒减少90 %，比油耗改善16%。4）高原功率补偿在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好地组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。5）涡轮增压器与发动机多种匹配方式为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求，人们研究出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷嘴

17、截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换系统和带电机的涡轮增压器。此外，还有超高增压系统（HYPERBAR）、扫气旁通系统（SCA-BY）及谐振复合增压系统等，这些在中、小功率车用柴油机上应用不多17-19。新型的废气涡轮增压器以提高可靠性、可维修性和经济性为重点，采用整体集成设计结合先进的材料使增压器提高了效率，减少了系统的零部件，简化了在机器上的安装，延长了大修间隔期，减少了维修工作量及维修工时，保证在整个寿命周期更低的运行成本。涡轮增压技术的发展与增压柴油机未来发展的要求密切相关，其主要服从于未来的排放法规要求和进一步降低燃油消耗，涡轮增压系统应有更高的热效率；在增压系统与发动机的匹

18、配上有可能采用电子控制系统，使增压系统与燃油系统在发动机全工况内实现最佳匹配；对车用涡轮增压器将要求尺寸更小，质量更轻，效率更高，同时要求增压器有良好的可靠性，并可按发动机工况要求进行调节。4展望20世纪90年代以来，排放法规日趋严格，根据我国等效采用欧洲排放法规计划，2003年执行欧标准，2010年与国际同步。要达到上述标准，就要综合应用电子控制技术、优化设计技术、废气增压技术和排气后处理技术等，才能极大地提高内燃机的综合性能。一般来说，在涡轮增压技术上有如下要求：欧标准要匹配良好的涡轮增压器并带放气阀；欧标准要采用可变喷嘴涡轮增压器；欧标准以上则要使用电控可变喷嘴涡轮增压器。参考文献1 伊

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21、2004 DOI: 10.1007/s11012-012-9569-7 NOV 201213 Tetsui, Toshimitsu (Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan) Source: Materials Science Forum, v 561-565, n PART 1, p 379-382, 2007, Selected, peer reviewed papers from The Sixth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing, PRICM 614 XinQian Zheng, YangJun Zhang,