汽车发动机原理课件-废气涡轮增压

1、27-1汽车发动机原理汽车发动机原理27-2本章要求：本章要求：了解：发动机增压方式。了解：发动机增压方式。理解：涡轮增压器的结构和工作原理。理解：涡轮增压器的结构和工作原理。掌握：离心式涡轮增压器的原理，增压发动掌握：离心式涡轮增压器的原理，增压发动机的特点。机的特点。 第三章 发动机废气涡轮增压27-3一、提高发动机功率的方法可由下列公式给出：一、提高发动机功率的方法可由下列公式给出：第一节 发动机增压概述31030 niVpPsmee /22memmeepCiDSnpiDP itmemvsap 而而 1 1、改变发动机的结构参数。如增加气缸数、改变发动机的结构参数。如增加气缸数i i，增

2、大气缸直径，增大气缸直径D D、活、活塞行程塞行程S S和减少冲程数和减少冲程数等。等。 受到重量、体积、安装等条件的限制。受到重量、体积、安装等条件的限制。 式中：式中： 为过量空气系数；为过量空气系数； 为进气密度。为进气密度。 a s 27-4 利用增压器将空气或可燃混合气压缩后送入发动机气缸。定义： 2、提高发动机转速n和活塞平均速度Cm。 3、提高发动机平均有效压力pme。 受到充量系数v、m和机械强度、使用寿命、噪音等的限制。 具体可通过减少过量空气系数a、提高充量系数v和进气密度s来实现。二、进气增压： 增大每循环进入气缸新鲜气体的密度，使实际充量增大，从而改善发动机的动力性和经

3、济性。作用：27-5 发动机增压后气体压力与增压前气体压力之比，用来表示增压强度。 发动机增压后增加的功率与增压前功率之比，用来表示增压后功率提高的程度。1、增压度 ：k k 1000 eekeeekkPPPPP 式中： 为增压后功率； 为增压前功率。 ekP0eP 一般车用发动机增压度在10%-60%的范围内。 2、增压比 ：0ppkk 式中： 为增压后气体压力； 为增压前气体压力。 kp0p27-6 （1）按增压度来分：3、增压的种类：低增压： 中增压：中增压：高增压：超高增压：超高增压：6 . 13 . 1 k 5 . 26 . 1 k 5 . 45 . 2 k 5 . 4 k 27-7

4、 （2）按增压系统结构来分：A、机械增压：特点：缺点： 压气机由曲轴通过传动装置来驱动。pk不宜过大（160-170kPa)，否则会使比油耗上升。27-8B、废气涡轮增压： 利用排气推动涡轮，带动压气机压缩空气。原理： 充分利用废气能量，可提高功率30%-50%，降低油耗5%（增压度通常在3-5，若要提高则需采用多级串联）。特点：27-9C、复合增压： Charge-Air CoolerExhaust ReservoirAir ReservoirAir restrictor resp. Valve TurbochargerInjection ValvesIntake ManifoldThrot

5、tleMechanical SuperchargerEnvironmentAir FilterMufflerCatalystWastegateExhaust ManifoldCylinderConnection27-10D、气波增压： 曲轴驱动一个特殊转子，利用高压废气脉冲迫使空气被压缩，从而提高进气压力。原理： 结构简单，加工方便，低速转矩性能好；但体积大、噪音大，且易受进、排气阻力的影响。特点：27-114、废气涡轮增压与其他增压方式相比优点有： （1）发动机结构无须做重大改变，且增压器体积小、重量轻，且易实现高增压； （2）由于驱动能量来自废气，相对减少了机械损失（泵气损失）和热损失，提

6、高了机械效率和热效率（油耗降低5%-10%）； （3）能降低排气噪音和烟度； （1）增加了进、排管路，使加速反应滞后； （2）热复合严重，对大气温度和排气背压敏感；缺点有：27-12第二节 废气涡轮增压器基本 结构和工作原理一、基本结构：后处理系统后处理系统废气涡轮废气涡轮27-13二、径流式废气涡轮：喷嘴叶片环工作叶轮涡轮壳废气入口废气出口1、涡轮的结构：喷嘴叶片环工作叶轮涡轮壳2、涡轮的作用： 将废气中的能量尽可能多的转变成推动涡轮转动的机械功。径流式废气涡轮结构27-143、涡轮的工作过程（原理）：径流式废气涡轮工作简图c c0 0c c1 1c c2 2c cr rp p0 0p p1

7、 1p p2 2p pr rT T0 0T T1 1T T2 2T Tr r（1 1）废气进入涡轮壳道）废气进入涡轮壳道（2 2）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环）（3 3）动能转变为机械能（工作叶轮）动能转变为机械能（工作叶轮） 可见，经过涡轮后，废气中的部分能量转变为推动涡轮旋转的机械能。冲动力矩反动力矩27-154、涡轮特性： 废气能量转化为机械功的有效程度，即涡轮获得的轴功与废气总能量之比（一般为0.65-0.85）。（1）涡轮效率 ：T 废气从涡轮入口状态到出口状态的总焓降 涡轮进口气体滞止压力 与出口气体静压力 之比，反映废气在涡轮中作功能力的大小。（

8、2）膨胀比 ：T Tp0p TH表示流动工质所具有的能量中，取决于热力状态的那部分能量 H = U + pV 流动内能+推动功*滞止参数是指气流在某一断面的流速设想以无摩擦的绝热过程（即等熵过程）降低为零时，该断面上的其它参数所达到的数值 T / Tp0p 27-16与压气机转速相等与压气机转速相等（几万（几万- -十几万转）十几万转）。（4）涡轮转速n： TTn/相似转速： 式中： 为滞止温度。 TT（3）质量流量 ：mTq TTmTPTq/相似流量： 式中： 为滞止温度； 为滞止压力。 TT TP涡轮发出的功率：TTmTTHqP 1000 单位时间通过涡轮的气体质量。入口状态到出口状态的总

9、焓降入口状态到出口状态的总焓降27-17（5）涡轮特性曲线：T T TTmTPTq/0.60.81.06 . 0 TTn1.01.00.80.80 a、转速一定时，膨胀比，流量； b、膨胀比一定时，转速，效率； 膨胀比一定时，转速，流量； c、流量不变时，转速，膨胀比。涡轮特性曲线气阻：流速达到声速时，流量不再增加，易发生在喷嘴叶片环出口处。膨胀比相似转速以相似流量为横坐标，膨胀比为纵坐标，相似转速为参变量的一组曲线流量能否一直增加？膨胀比曲线效率曲线27-18三、离心式压气机：1、压气机结构：2、压气机作用：空气入口空气出口外壳扩压器工作轮外壳 利用涡轮产生的机械能压缩空气，使进气压力增大。

10、工作轮扩压器扩压器离心式压气机结构27-193、压气机的工作原理：C C空气流速c c1 1c c2 2c c3 3c ck kp p0 0p p1 1p p2 2p p3 3p pk kT T0 0T T1 1T T2 2T T3 3T Tk k离心式压气机工作过程离心式压气机工作过程（1）空气被吸入进气管（2）机械能转变为气体压能与动能（工作轮）（3）动能转变为压能（扩压器）（4）动能进一步转变为压能（壳道）进气道是渐缩流道27-20（1）增压比 4、压气机主要参数：0V0ppkk （2）质量流量 （kg/s)和容积流量 （m3/s)。km压气机入口状态下 1kg空气绝热压缩功与实际压缩功

11、之比，表明压气机轴功转变为有用压缩功的程度（一般为0.6-0.8）。（3）压气机绝热效率 ：k 入口出口伴随各种损失的熵增过程伴随摩擦和流动损失，转换成热量27-215、压气机特性曲线：（1）堵塞： k km 当 增大到一定程度时k极速下降kmkm不再增大,汽车什么工况下易发生堵塞？外特性运行线kmnkk 以增压比为纵坐标、流量为横坐标、转速为参变量，以等绝热效率曲线的形式绘制的压气机的特性曲线特性曲线的特点？两条边界问题同一转速下，流速达到声速原因？汽车外特性运行线如何画？27-225、压气机特性曲线（续）：（2）喘振： 流量（流速）过小，造成气流与壁面分离而产生涡流，引发强烈振荡和倒流，产

12、生振动和噪声，危害设备安全。 所以，离心式压气机的特点是：转速高堵塞，转速低喘振。汽车什么工况下易发生喘振？外特性运行线从外特性运行线观察27-23（1）迟滞问题6、废气涡轮增压器存在的其它问题theoretical potentialTorque Nm 2L - NA 1.4L - TCtime sVehicle Acceleration1500 kg, 2nd gear800 rpm - 50 km/hTurbolagTime s产生迟滞的原因？27-24（2）控制问题27-25压气机特性曲线决定了在增压发动机开发过程中要做什么工作？压气机过小产生什么问题？压气机过大产生什么问题？1.01

13、.52.02.53.00.000.020.040.060.080.100.120.140.16Volume flow rate m3/sPressure ratio p2/p1 -Turbo DISITurbo PFISurge LineCompressor Speed Limit离喘振线太近（增压器太大）离喘振线太近（增压器太大）性能不达标性能不达标喘振、迟滞喘振、迟滞增压器与发动机的匹配工作增压器与发动机的匹配工作27-26第三节 废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压系统的基本类型：定压增压系统定压增压系统脉冲增压系统脉冲增压系统27-27定压增压与脉冲增压的特点： 1、废气能量利用率： 2

14、、扫气效果： 3、加速性： 脉冲式排气容积小，因而废气压力能迅速建立，响应负荷的变化； 脉冲式可利用排气动力效应提高扫气效果，增加充量； 脉冲式利用率高，但随着增压比提高，两者的差别逐渐缩小； 4、结构： 脉冲式结构较为复杂。车用脉冲增压管路连接车用脉冲增压管路连接定压增压定压增压管路连接管路连接27-28二、改善车用增压发动机转矩特性的途径： 改善的目标：1、进气旁通： 原理：将部分压缩空气回流，重新排到大气中去，适当降低进气压力，使发动机负荷不致过高。 低速要有较高增压压力，确保良好的低速扭矩特性；高速防止超速，避免热负荷过高。27-29 2、排气旁通：带旁通阀的涡轮增压系统带旁通阀的涡轮

15、增压系统 原理：将部分废气直接排入大气，适当降低涡轮及压气机转速，使增压压力控制在允许范围内。排气旁通阀排气旁通阀27-30 3 3、双涡壳通道涡轮：、双涡壳通道涡轮： 原理：原理：低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两个低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两个通道，适当降低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。通道，适当降低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。27-314 4、可变截面涡轮：、可变截面涡轮：截面调节板（舌片）截面调节板（舌片）低速低速高速高速 原理：原理：低速、低负荷时使涡轮流通截面变小，增大气流速度；高速、低速、低负荷时使涡轮流通截面变

16、小，增大气流速度；高速、大负荷时增大涡轮流通截面，适当降低废气流流速。大负荷时增大涡轮流通截面，适当降低废气流流速。27-32 5 5、可变喷嘴环：、可变喷嘴环： 原理：低速、低负荷时使喷嘴叶片环流通截面变小，增大气流速度；高速、高负荷时增大流通截面，适当降低废气流流速。导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流速度，低转速时开度小（左图），提高空气流速，高转速时开度大（右图），减小排气负压 27-33第四节 汽油机增压概述一、汽油机增压需考虑的关键性问题：一、汽油机增压需考虑的关键性问题： 1、爆燃（爆震）： 2、热负荷： 3、苛刻要求： 随着压缩终点压力、温度以及零件热负荷的升高，爆震倾向加

17、大。 汽油机燃烧温度高、排气温度高，进气增压后又不能像柴油机那样利用大的气门重叠角来加强扫气效果，因而热负荷将更加严重。 要有宽广的工作范围；耐热性要好、转动惯量要小（体积小、质量轻）。27-34二、改善汽油机增压性能的主要措施：二、改善汽油机增压性能的主要措施： 1、降低压缩终点的压力和温度： 2、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高） 进气中冷、缸内喷水、降低压缩比。00/ ppkk 式中： 为增压前压缩比； 为增压后进气压力； 为增压前进气压力。 0 kP 增压后的压缩比可按下式进行计算：0P27-35 3、增加增压压力控制系统： 使其在宽广的转速和流量变化范围内稳定工作（如进、排气旁通等）。

18、4、减小增压后的“加速滞后”现象： 采用脉冲增压、减小进排气管长度、增压器前置（节气门之前）、提高压缩比等措施。 5、点火提前角的调整： 根据爆震传感器信号，适当推迟点火提前角。 6、燃油供给的调整： 供油压力要能随增压压力变化而自动调整（增压压力过高时能适当减少供油量）。27-36 提高废气能量的利用对改善涡轮增压发动机性能有重要意义。燃料燃烧所释的总热量中，废气占25%以上，废气能量可用度达到60% 。充分利用废气能量，是提高发动机热效率的重要途径。第五节 废气能量的利用 废气涡轮增压系统就是通过柴油机的废气来驱动涡轮增压器工作。下面以四冲程增压柴油机的理论示功图分析柴油机废气中涡轮增压器

19、可利用的能量。一、废气的最大可用能27-371-2为压气机的进气过程2-a为压气机绝热压缩过程a-c为柴油机绝热压缩过程c-z为柴油机等容燃烧过程z-z为等压燃烧过程z-b为柴油机绝热膨胀过程b-4为等容排气过程4-5为等压排气过程5-4-T为废气涡轮的进气过程k-2-1为涡轮排气过程。 进气压力排气压力大气压力压气机进气过程压气机绝热压缩过程柴油机绝热压缩过程柴油机燃烧过程柴油机膨胀过程等压排气过程废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力Pb膨胀到PT的膨胀能E1，是一种脉冲能，在排气管中以压力波的形式出现；另一部分是废气由压力PT膨胀到P0的膨胀能ET，称为定压能定压增压系统：涡轮入口处的

20、压力基本不变27-381-2-a-3-1压气机耗功，压气机消耗的总能量 8-2-a-6-8为进入发动机气缸并留在气缸内的空气压缩耗功 1-8-6-3-1为扫气压缩耗功6-7-4-a-6为柴油机泵吸正功b-9-K-b为排气门打开时废气等熵膨胀至大气压力时所作的功，Eb表示b-4-T-b为废气经排气门节流和排气支管中自由膨胀损失能量，用E1表示4-9-K-T-4为废气在涡轮中膨胀回收的能量，用ET表示。TbEEE1进气压力排气压力大气压力压气机进气过程压气机绝热压缩过程柴油机绝热压缩过程柴油机燃烧过程柴油机膨胀过程等压排气过程T恒压涡轮前的燃气参数，气缸中的燃气经排气阀节流和排气支管中自由膨胀大P

21、T所产生的结果27-391-K-T-5-l为涡轮中废气总能量，用E2表示，由四部分组成： l-8-7-5-1为扫气空气进入涡轮后具有的能量，用Es表示； 8-9-4-7-8为活塞废气推出功，用Ec表示； 还有ET废气在涡轮中的膨胀功 K-K-T-T为E1中的一小部分，用Eq表示。qTcsEEEEE2进气压力排气压力大气压力压气机进气过程压气机绝热压缩过程柴油机绝热压缩过程柴油机燃烧过程柴油机膨胀过程等压排气过程4-b-T中回收的一小部分热能，加热排气，排气温度从T提高至T27-40 废气的最大可用能E：进气压力排气压力大气压力压气机进气过程压气机绝热压缩过程柴油机绝热压缩过程柴油机燃烧过程柴油

22、机膨胀过程等压排气过程E=Eb+EC+ES=E1+ET+EC+ES 废气的最大可用能E由三部分组成：sssEEE排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力P0所作的功，即Eb=E1+ET活塞推出废气，废气得到的能量Ec扫气空气所具有的能量为ES ES为面积5-7-6-3-5所代表的扫气空气经进、排气门的节流损失。 27-41式中，EV为流经排气门处的节流损失， EC、 EF、 FM和ED为气体各种流动损失，Eh为气体散热损失：这些损失直接影响废气能量可利用度。 EV约占总损失E的60%70%。 EV主要是强制排气阶段的超临界流动节流损失，加大排气门通流面积、开启速度尽可能快，使废气很快流出，排

23、气管要细而短(形成堵塞）、减小排气门前后压差，减少节流损失，同时又要保持气体的动能并传送到涡轮，提高废气动能利用率。在自由排气阶段，排气门后的压力又能很快下降，减少活塞的自由排气损失，并有利于扫气。hFMDCVEEEEEEE废气总能量E到达涡轮存在能量损失E：缩口的节流损失 面积突扩的流动损失掺混和撞击损失摩擦损失散热能量损失27-42减少节流损失Ec应管道光顺和避免缩口。减小ED应避免突扩损失。EM应力求避免气流撞击，故排气支管都用顺着气流的斜向接头。摩擦损失EF是由气流与管壁的摩擦形成的。减小传热面积、加大传热热阻、缩短传热时间都能降低传热损失Eh。 CTEEEET为涡轮进口处气体的可用能量；EC为排气门前气体的可用能量。E为废气传递效率通常，反映能量传递过程中的损失多以废气能量传递效率E来表示 27-43第六节 增压发动机的性能一、增压后发动机动力性与经济性：一、增压后发动机动力性与经济性： 假设假设过量空气系数过量空气系数a a和和转速转速n n基本不变：基本不变： 进气压力增大进气压力增大 （进气量多）（进气量多） 喷油量增加喷油量增加 功率增大功率增大 （动