第三章 (第8次课)《发动机原理》2

1、上次课内容回顾上次课内容回顾3.4 增压技术增压技术一、一、 增压的概念增压的概念 增压：以某种方式提高进气充量的密度，提高进入增压：以某种方式提高进气充量的密度，提高进入汽缸的新鲜空气量。汽缸的新鲜空气量。二、二、 增压的目的增压的目的 通过增加充气量，提升发动机动力发动机动力（功率，增大扭矩）和燃油经济性燃油经济性，同时减少发动机有害废气排废气排放量放量。3.4.1 增压器的分类及特点增压器的分类及特点上次课内容回顾上次课内容回顾三、三、 发动机增压的类型发动机增压的类型一）按照驱动压气机的方式不同分一）按照驱动压气机的方式不同分1 机械增压机械增压优点：优点：1 1 油门响应迅速油门响应

2、迅速-无无滞后滞后2 2加速流畅，无迟滞和突然爆发。加速流畅，无迟滞和突然爆发。3 3与废气涡轮增压相比，没有排气背压，泵气损失小，排与废气涡轮增压相比，没有排气背压，泵气损失小，排气温度高，可以提高催化转换器的转换效率；气温度高，可以提高催化转换器的转换效率；缺点：缺点： 由发动机曲轴带动，消耗了部分输出功，且功耗随着由发动机曲轴带动，消耗了部分输出功，且功耗随着增压比的升高而迅速提高。增压比的升高而迅速提高。 上次课内容回顾上次课内容回顾三、三、 发动机增压的类型发动机增压的类型一）按照驱动压气机的方式不同分一）按照驱动压气机的方式不同分2 2 废气涡轮增压废气涡轮增压 广泛应用于柴油机。

3、广泛应用于柴油机。优点：优点： 利用了废气的能量。增压效率高于机械增压。利用了废气的能量。增压效率高于机械增压。缺点缺点: :1 1 涡轮迟滞：启动时低速运转，废气排量小，增压不能同步涡轮迟滞：启动时低速运转，废气排量小，增压不能同步起效；起效；2 2 在低转速时，发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发在低转速时，发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱；动机还要弱；3 3 涡轮增压器突然介入，这个时候产生的动力将陡增。影响了涡轮增压器突然介入，这个时候产生的动力将陡增。影响了动力输出的平顺性，给驾驶舒适性带来一定影响。动力输出的平顺性，给驾驶舒适性带来一定影响。 上次课内容回顾上

4、次课内容回顾三、三、 发动机增压的类型发动机增压的类型二）按照增压器组合方式不同分二）按照增压器组合方式不同分1 1 复合增压复合增压涡轮和增压器复合方式：涡轮和增压器复合方式： 废气能量回收率，废气能量回收率， t 根据涡轮位置分三种：根据涡轮位置分三种：串联后复合增压串联后复合增压 串联前复合增压串联前复合增压 并联复合增压并联复合增压上次课内容回顾上次课内容回顾三、三、 发动机增压的类型发动机增压的类型二）按照增压器组合方式不同分二）按照增压器组合方式不同分 多（双）级增压联结方式：多（双）级增压联结方式：双级直列增压：小型双级直列增压：小型/大型增压器串联；大型增压器串联； 低速：小型

5、增压器工作低速：小型增压器工作 中高速：大型增压器中高速：大型增压器切换阀切换阀双级并列增压：双级并列增压：采用采用2个小型增压器兼顾高低速个小型增压器兼顾高低速避免各缸排气干涉避免各缸排气干涉上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.2 废气涡轮增压器的能量回收废气涡轮增压器的能量回收二二 涡轮增压系统的基本类型涡轮增压系统的基本类型根据排气能量的利用方式分：根据排气能量的利用方式分： 恒压涡轮增压系统、脉冲（变压）涡轮增压系统恒压涡轮增压系统、脉冲（变压）涡轮增压系统1、恒压涡轮增压系统：、恒压涡轮增压系统： 涡轮前的排气压力基本保持平衡。涡轮前的排气压力基本保持平衡。特点特点：能量传递效率较低

6、、加速性差、转矩特性差。：能量传递效率较低、加速性差、转矩特性差。应用应用：大型柴油机：大型柴油机上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.2 废气涡轮增压器的能量回收废气涡轮增压器的能量回收二二 涡轮增压系统的基本类型涡轮增压系统的基本类型2、脉冲（变压）涡轮增压系统：、脉冲（变压）涡轮增压系统：结构：结构：排气歧管短而细排气歧管短而细 涡轮在进气压力波动较大的条件下工作。涡轮在进气压力波动较大的条件下工作。特点特点：对气缸扫气有利、加速性好、有局部气流的撞击：对气缸扫气有利、加速性好、有局部气流的撞击损失。损失。应用应用：中小型发动机：中小型发动机上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.2 废气涡轮

7、增压器的能量回收废气涡轮增压器的能量回收二二 涡轮增压系统的基本类型涡轮增压系统的基本类型脉冲增压较恒压增压比较：脉冲增压较恒压增压比较：由上述可见，在由上述可见，在低增压时采用脉冲涡轮增压低增压时采用脉冲涡轮增压较为有利。在较为有利。在高增压时高增压时，一般来说宜，一般来说宜采用恒定涡轮增压采用恒定涡轮增压。考虑到汽车发动机。考虑到汽车发动机大部分时间是在部分负荷下工作，为了获得良好的低速扭矩特大部分时间是在部分负荷下工作，为了获得良好的低速扭矩特性和加速性，即使在高增压时仍采用脉冲增压系统性和加速性，即使在高增压时仍采用脉冲增压系统 。上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.3 增压器的工作原

8、理及特性曲线增压器的工作原理及特性曲线一一 离心式压气机离心式压气机 原理：叶轮机械能原理：叶轮机械能气流的动能气流的动能离心力离心力流向叶轮周边流向叶轮周边扩压管扩压管减速增压。减速增压。 增压比：压气机出口增压比：压气机出口/入口压力之比，即入口压力之比，即02ppbp 提高提高 b的主要途径：的主要途径： 摩擦损失和撞击损失。摩擦损失和撞击损失。 合理设计叶片形状、安装角、扩压器及涡壳形状。合理设计叶片形状、安装角、扩压器及涡壳形状。上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.3 增压器的工作原理及特性曲线增压器的工作原理及特性曲线二二 径流式涡轮机：径流式涡轮机：将排气能量将排气能量机械能机械

9、能 原理：原理：喷管：排气能量喷管：排气能量动能动能叶片：将高速气流动能叶片：将高速气流动能机械能机械能推动叶轮旋转推动叶轮旋转增压：提高进气密度，提高单位气缸的工作能力增压：提高进气密度，提高单位气缸的工作能力 车用发动机的要求：低速时转矩要大车用发动机的要求：低速时转矩要大Ttqmax 高速时需大功率高速时需大功率Pemax 增压器的增压能力增压器的增压能力 nb 排气流量和温度。排气流量和温度。3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 矛盾矛盾如何匹配涡轮增压器和发动机。如何匹配涡轮增压器和发动机。1 1）增压比的选择）增压比的选择增压度：增压后增长的功率与增压前功率

10、之比增压度：增压后增长的功率与增压前功率之比 100eezeeezPPPPP3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 车用发动机增压车用发动机增压 ：兼顾动力性、经济性和排放性。：兼顾动力性、经济性和排放性。根据具体要求选择不同的增压方式，选择增压度。根据具体要求选择不同的增压方式，选择增压度。 增压比对发动机性能的影响：增压比对发动机性能的影响：%100iAiAiBiXXX：增增压压前前后后各各性性能能指指标标iBiAXX,NOxPeHC烟度烟度CO b1.4 b1.4区：区：随随 b ，排放明显排放明显改善改善2.5 bPe 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压

11、器与发动机的匹配 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 1 1）增压比的选择）增压比的选择结论结论a.a.从排放角度选择低增压从排放角度选择低增压 b.b.从功率角度选择中高增压从功率角度选择中高增压( (同时必须采取措施降低同时必须采取措施降低NOXNOX的排放的排放) ) 2 2）涡轮增压器与发动机的匹配原理）涡轮增压器与发动机的匹配原理1. 1. 增压器流量特性的选择：增压器流量特性的选择：根据发动机匹配目的选择不同流量特性的增压器根据发动机匹配目的选择不同流量特性的增压器3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 匹配目的匹配目的a.a.保证发

12、动机性能达到预期目标；保证发动机性能达到预期目标； b.b.使发动机工作区尽可能落在压气机使发动机工作区尽可能落在压气机高效运行区。高效运行区。最求高速性：配入口面积较大涡轮增压器最求高速性：配入口面积较大涡轮增压器II型型 但低速转矩特性差。但低速转矩特性差。 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 改善低速特性：配入口截面较小涡轮增压器改善低速特性：配入口截面较小涡轮增压器I型；型；但高速流动损失但高速流动损失 ，高速性，高速性 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 折中考虑高低折中考虑高低速性能时，增速性能时，增压器按常用的压器按常用的中速范

13、围匹配。中速范围匹配。2. 2. 涡轮增压器与发动机的联合运行特性涡轮增压器与发动机的联合运行特性分析分析匹配效果匹配效果压气机特性曲线上，绘制发动机最低转速下的负荷压气机特性曲线上，绘制发动机最低转速下的负荷特性、全负荷速度特性和最高转速下的负荷特性。特性、全负荷速度特性和最高转速下的负荷特性。 分析内容：分析内容： b b符合设计要求符合设计要求? ? 发动机整个运行工况是否在高效率区发动机整个运行工况是否在高效率区? ? 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 流量范围偏流量范围偏小时小时流量范围流量范围偏大时偏大时3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发

14、动机的匹配 2. 2. 涡轮增压器与发动机的联合运行特性涡轮增压器与发动机的联合运行特性3. 3. 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配A AR R面径比：面径比： A A/ /R Rn nb b 喷入排气动量矩喷入排气动量矩 A A/ /R R。 增压器匹配时需要优化面径比增压器匹配时需要优化面径比A A/ /R R。 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 面径比面径比小：保证低速性能；（小：保证低速性能；（A A小流速高）小流速高）但高速性能差；但高速性能差； 大：保证高速性能；（大：保证高速性能；（A A大高速流动阻力减小）大高速流动阻力减小） 但低速

15、性能差；但低速性能差；3. 3. 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配A AR R压气机叶轮和涡壳：决定压气机特性曲线压气机叶轮和涡壳：决定压气机特性曲线改变叶片扩压器进口角、喉口面积改变叶片扩压器进口角、喉口面积可适当移动喘振线；可适当移动喘振线；增加叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积增加叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积可可 堵塞流量。堵塞流量。但发动机的联合运行区域但发动机的联合运行区域由由A/RA/R调节。调节。 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 A A/ /R R小小低速时动量低速时动量矩足够矩足够n nb b ，改善改善低速性能，低速性能， 随随

16、E/GE/G的的n n ，临界临界阻力阻力 ，高速，高速性性 ； A A/ /R R对性能的影响对性能的影响: : 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 A A/ /R R大大R R一定一定A A ，改善高速改善高速增压效果；增压效果； 但低速动量矩但低速动量矩 ，增压器做功能力增压器做功能力 ，低速性差。低速性差。 A A/ /R R对性能的影响对性能的影响: : p 普通废气涡轮增压普通废气涡轮增压器不能兼顾发动机高、器不能兼顾发动机高、低速性低速性 3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 4 4VGT/VNT (VGT/VNT (可变几何喷嘴

17、截面积涡轮增压器可变几何喷嘴截面积涡轮增压器) )兼顾高低速性能的重要措施兼顾高低速性能的重要措施可变可变A/RA/R技术。技术。 典型：典型：VGT (Variable Geometry Turbocharger)VGT (Variable Geometry Turbocharger)或或VNT (Variable Nozzle Turbocharger)VNT (Variable Nozzle Turbocharger)。特点：特点：R R一定条件下，一定条件下，根据根据E/GE/G不同不同n n 通过可通过可动翼片调节涡轮入口截动翼片调节涡轮入口截面积面积A A实现面径比可变。实现面径比

18、可变。3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 4 4VGT/VNT (VGT/VNT (可变几何喷嘴截面积涡轮增压器可变几何喷嘴截面积涡轮增压器) )3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 VGS控制效果：控制效果：控制效果控制效果3.4.4 涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）EGR(EGR(废弃再循环废弃再循环) )：换气过程中，将已经排出气缸换气过程中，将已经排出气缸的废气的一部分再次引入进气管与新鲜气体一起进的废气的一部分再次引入进气管与新鲜气体一起进入气缸的过程

19、。入气缸的过程。 排气废气排气废气进气管、汽缸进气管、汽缸阀阀ECUNOX一定条件一定条件 NOX是空气中的氮气与氧气在高温、高压条件下形成的，发动是空气中的氮气与氧气在高温、高压条件下形成的，发动机排出的机排出的NOX量主要与气缸内的最高温度有关，气缸内最高温度量主要与气缸内的最高温度有关，气缸内最高温度越高，排出的越高，排出的NOX量越多。（如图）量越多。（如图） 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环） EGR对NOx的生成以及燃烧过程的影响主要体现在以下几个方面：主要体现在以下几个方面： 1 1）稀释效应）稀释效应: : 再循环废气替代了一部分新鲜空气，使得原

20、有的新再循环废气替代了一部分新鲜空气，使得原有的新鲜充量减少的氧气浓度降低。氧气浓度降低后，一鲜充量减少的氧气浓度降低。氧气浓度降低后，一方面，燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度都将降方面，燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度都将降低，也就是着火滞燃期和燃烧持续期延长低，也就是着火滞燃期和燃烧持续期延长;另一方面另一方面，氮气与氧气接触的机会也减小，这样可以极大地，氮气与氧气接触的机会也减小，这样可以极大地降低降低NOx的生成量的生成量 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环） 2)2)热效应热效应: : 再循环废气中的再循环废气中的C02和和H20是三原子分子，具有较是三

21、原子分子，具有较高的比热容，能比空气吸收更多的热量高的比热容，能比空气吸收更多的热量;工质总热容工质总热容增加后吸收等量的燃烧放热时工质的温度变化较小增加后吸收等量的燃烧放热时工质的温度变化较小，这有助于解决在，这有助于解决在EGR量较大时控制燃烧速度、防量较大时控制燃烧速度、防止压升率过高等问题。止压升率过高等问题。 3)3)化学效应化学效应: : 在高温下，废气中在高温下，废气中CO、水蒸气会发生裂解，裂解、水蒸气会发生裂解，裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得缸内峰值温度降低，这样会减少因峰值温度过高得缸内峰值温度降低，这样会减少

22、因峰值温度过高而造成对而造成对NOx排放的影响。排放的影响。 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环） 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）残余废气系数：评价气缸换气的完善程度残余废气系数：评价气缸换气的完善程度 EGREGR：调节混合气成分，：调节混合气成分，混合气总热容混合气总热容控制控制燃烧速率，燃烧速率， TzTz，有效降低，有效降低NOxNOx。 注意比较：注意比较： 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）一、一、EGR率定义：率定义：%100EGRVaVEGRqq率无无EGR时进入气缸时进入气缸的空

23、气流量的空气流量 有有EGR时进入气缸时进入气缸的空气流量的空气流量 EGRVEGRaVaqqqEGR流量流量 %100COCOCOCOEGRO, 2EGR, 2O, 2mix, 2率 定义定义2： EGR混合后的混合后的CO2浓度浓度 流经流经EGR管气体管气体的度的度 CO2浓度浓度 大气中的大气中的CO2浓度浓度 专用测专用测试设备试设备 定义定义1： 简单常用简单常用但不严密但不严密 二、二、EGREGR对发动机性能的影响对发动机性能的影响 汽油机实施汽油机实施EGREGR：进气流量：进气流量 ，但喷油量也，但喷油量也 ， A/F(A/F(空燃比空燃比) )保持不变。保持不变。 p E

24、GR EGR的作用：的作用：加热混合气，与残余废气一起加热混合气，与残余废气一起稀释混合气，稀释混合气， 工质工质的总热容，的总热容， 燃烧速度，燃烧速度，i(i(着火落后期着火落后期) ) ，Tz(Tz(最高燃烧温度最高燃烧温度) ) ，NOxNOx p 汽油机实施汽油机实施EGREGR率率=0%25%=0%25%时，时，NOxNOx排放量可降低排放量可降低50%70%50%70%左右。左右。 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）柴油机实施柴油机实施EGREGR： 进入气缸的空气量进入气缸的空气量喷油量不喷油量不变变混合气变浓；混合气变浓；结果结果缸内氧和氮浓度

25、；同时废气的惰性作用缸内氧和氮浓度；同时废气的惰性作用混合气热容混合气热容 ，抑制燃烧，抑制燃烧，TzTz。 柴油机废气中含氧量柴油机废气中含氧量汽油汽油机，而机，而CO2CO2含量少，含量少，可实施可实施较大较大EGREGR率率=40%50%=40%50%。柴油机实施柴油机实施EGREGR后，在保持经后，在保持经济性的前提下，可有效降低济性的前提下，可有效降低NOxNOx排放量。排放量。 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）三、三、EGREGR系统系统 1 1）汽油机的）汽油机的EGREGR系统：机械式和电控式两种系统：机械式和电控式两种 机械式机械式EGREG

26、R系统：进气压力和排气压力来调节系统：进气压力和排气压力来调节EGREGR阀开度阀开度控制控制EGREGR率。率。缺点：所能控制的缺点：所能控制的EGREGR率较小率较小515%515%，且控制自，且控制自由度受限制。由度受限制。 电控电控EGREGR系统：由系统：由ECUECU控制电磁阀控制电磁阀任意控制任意控制EGREGR率；结构简单，且可精确地实施较大的率；结构简单，且可精确地实施较大的EGREGR率率（1520%1520%）。）。系统组成：由系统组成：由EGREGR阀及其控制系统构成阀及其控制系统构成 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）EGREGR阀结构

27、：与机械式基本相同；将阀结构：与机械式基本相同；将EGREGR阀的负压控制阀的负压控制系统系统电控式电控式用专用电磁阀控制负压室真空度用专用电磁阀控制负压室真空度安安装在发电机上的真空泵提供装在发电机上的真空泵提供 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）大气压力室大气压力室进气压力室进气压力室排气压力室排气压力室进气管进气管控制方式：控制方式：ECUEGR电磁阀电磁阀真空真空EGR阀阀部分部分废气进入进气歧管废气进入进气歧管组成：组成：EGR阀、EGR电磁阀等ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和起动等信号来控制EGR电磁阀的通电或断电。1 1EGREGR开环控制系统开环控制系统 3.5 EGR 3.5 EGR系统（废气再循环）系统（废气再循环）1 1EGREGR开环控制系统开环控制系统 有三种：简单开关式；有三种：简单开关式； EGR率可变式；