第四章内燃机的换气过程2

1、1第四章第四章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程2第五节第五节 内燃机的增压内燃机的增压 内燃机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧内燃机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧的燃料的限制，而燃料量又受到每个循环内气缸的燃料的限制，而燃料量又受到每个循环内气缸所能吸人空气量的限制。如果空气能在进入气缸所能吸人空气量的限制。如果空气能在进入气缸前得到压缩而使其密度增大、则同样的气缸工作前得到压缩而使其密度增大、则同样的气缸工作容积可以容纳更多的新鲜充量，从而就可以多供容积可以容纳更多的新鲜充量，从而就可以多供给燃料，得到更大的输出功率。这就是给燃料，得到更大的输出功率。这就是增压的基增压的基本目的

2、本目的。 内燃机的增压问题，涉及到增压器本身、增压器内燃机的增压问题，涉及到增压器本身、增压器与内燃机的匹配以及内燃机为适应增压需要而进与内燃机的匹配以及内燃机为适应增压需要而进行的必要调整等内容，行的必要调整等内容，34567内容提要 一、增压技术概述一、增压技术概述 二二 、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式 三、增压对经济性及动力性能的影响三、增压对经济性及动力性能的影响 四、发动机增压技术的优势与代价四、发动机增压技术的优势与代价 五、涡轮增压器的工作特性五、涡轮增压器的工作特性 六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介 七、涡轮增压器与发动机的匹配七、涡轮增压器与发动机的匹配

3、 八、内燃机的增压改造八、内燃机的增压改造 九、汽油机的增压技术九、汽油机的增压技术8 增压技术萌生于增压技术萌生于1919世纪，在世纪，在2020世纪初期得到世纪初期得到初步应用。随着材料科学及制造技术的进步，初步应用。随着材料科学及制造技术的进步，柴油机的涡轮增压技木在柴油机的涡轮增压技木在2020世纪中叶开始走世纪中叶开始走向大规模商业应用、并逐步推广到汽油机中。向大规模商业应用、并逐步推广到汽油机中。目前，大功率柴油机的绝大部分、车用柴油目前，大功率柴油机的绝大部分、车用柴油机的半数以上以及相当比例的高性能汽油机，机的半数以上以及相当比例的高性能汽油机，均采用了增压技术。均采用了增压技

4、术。 一般而言，增压后的功率可比原机提高一般而言，增压后的功率可比原机提高40%60%40%60%甚至更多。发动机的平均有效压力可甚至更多。发动机的平均有效压力可达到达到3MPa3MPa。事实上，增压已经成为发动机强。事实上，增压已经成为发动机强化的一个十分重要而有效的技术手段。化的一个十分重要而有效的技术手段。一、增压技术概述一、增压技术概述9二二 、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式 根据方式的不同，内燃机增压可以分成四种类型：根据方式的不同，内燃机增压可以分成四种类型： (1)(1)机械增压机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。这

5、种方式提出最早，但其优点与缺点同对进气的压缩。这种方式提出最早，但其优点与缺点同样突出。样突出。 (2)(2)排气涡轮增压排气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。实现进气增压。 (3)(3)气波增压气波增压 利用进气及排气系统中的波动效应来压缩利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，著名的气波增压器进气，著名的气波增压器(Comprex)(Comprex)就是其中之一。就是其中之一。 (4)(4)复合增压复合增压 由上述各种方式组合而成，如机

6、械增压与由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。涡轮增压的结合等。 从实际应用的情况来看，较为常见的是涡轮增压和从实际应用的情况来看，较为常见的是涡轮增压和机械增压，其中涡轮增压占了绝大部分，而机械增压则机械增压，其中涡轮增压占了绝大部分，而机械增压则在近年来重新得到重视，发展较快。在近年来重新得到重视，发展较快。10（一）机械增压系统（一）机械增压系统 增压器由增压器由柴油机直接驱动柴油机直接驱动的增压系统称为机械增压系的增压系统称为机械增压系统。此时驱动增压器所需的能量由统。此时驱动增压器所需的能量由柴油机本身柴油机本身提供。提供。 福特增压式6.8升V-10氢内燃发动机 1

7、1图图1-l 机械增压系统图机械增压系统图 1-排气管；2-柴油机气缸；3-曲轴； 4-齿轮；5-压气机；6-进气管 系统中的增压器采用离心式，转瓣式（罗茨式）、或其它型式的机械泵，由柴油机曲轴通过齿轮等传动机构直接驱动或利用十字头往复运动来带动。 机械增压工作原理图 1213 优点：优点：机械增压的特征，除了在低转速便可获得增压外，增机械增压的特征，除了在低转速便可获得增压外，增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压引擎

8、的操作感觉与自然气极为相似，却能拥有较大的马增压引擎的操作感觉与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。力与扭力。 缺点：缺点：机械增压系统驱动增压器要消耗柴油机的有效功率，机械增压系统驱动增压器要消耗柴油机的有效功率，增压压力越高，驱动增压器所消耗的功率也越大。当达到一增压压力越高，驱动增压器所消耗的功率也越大。当达到一定增压压力后，增压器所消耗的功率将超过柴油机由于增压定增压压力后，增压器所消耗的功率将超过柴油机由于增压而提高的功率。而提高的功率。 因此机械增压系统只适用于低增压柴油机，一般单独机因此机械增压系统只适用于低增压柴油机，一般单独机械增压压力不超过械增压压力不超过0.150.

9、17。这种增压系统制造容易、成。这种增压系统制造容易、成本低，运转范围宽，柴油机加速和加载性能较好，且在启动本低，运转范围宽，柴油机加速和加载性能较好，且在启动与低速运转时也能获得一定的进气压力，因而机械增压在轿与低速运转时也能获得一定的进气压力，因而机械增压在轿车发动机上的应用重新受到关注。车发动机上的应用重新受到关注。 机械增压系统的优缺点机械增压系统的优缺点14（二）废气涡轮增压系统（二）废气涡轮增压系统 增压器由柴油机排气驱动的废气涡轮所带动的增压系统增压器由柴油机排气驱动的废气涡轮所带动的增压系统称为废气涡轮增压系统称为废气涡轮增压系统 。中冷涡轮增压涡轮增压kavachi发动机 1

10、5图图1-2 废气涡轮增压系统废气涡轮增压系统 1-排气管；排气管；2-柴油机气缸；柴油机气缸；3-压气机；压气机； 4-进气管；进气管；5-涡轮涡轮该系统中的增压器由废气涡轮和该系统中的增压器由废气涡轮和压气机两部分组成，称为废气涡压气机两部分组成，称为废气涡轮增压器。驱动增压器所需的功轮增压器。驱动增压器所需的功率由柴油机的排气能量来提供，率由柴油机的排气能量来提供，即柴油机的排气驱动涡轮增压器即柴油机的排气驱动涡轮增压器的涡轮，由涡轮带动同轴上的压的涡轮，由涡轮带动同轴上的压气机来压缩空气，经进气管送入气机来压缩空气，经进气管送入气缸。气缸。 16（三）复合增压系统compound-su

11、per-charged diesel engine 采用机械增压器和废气涡轮增压器联合工作的增压系统称为复合增压系统。 串联增压系统 并联增压系统 17串联增压系统图图1-3 串联增压系统串联增压系统 18（四）气波增压气波增压器是利用气体的压缩波气波增压器是利用气体的压缩波和膨张波来传递能量的一种增压和膨张波来传递能量的一种增压器。它由一个转子和两个定子组器。它由一个转子和两个定子组成成(图图16)。从发动机排出的高。从发动机排出的高压燃气流经定子，在转子中对空压燃气流经定子，在转子中对空气进行压缩。被压缩的空气压力、气进行压缩。被压缩的空气压力、温度升高后、从另一定子进入气温度升高后、从另

12、一定子进入气缸。同时，空气对高压燃气产生缸。同时，空气对高压燃气产生一个膨胀波、使燃气压力、温度一个膨胀波、使燃气压力、温度下降。低压燃气从原来的定子排下降。低压燃气从原来的定子排入大气。转子由发动机曲轴通过入大气。转子由发动机曲轴通过传动装置驱动，约消耗整机有效传动装置驱动，约消耗整机有效功率功率10一一15。 图图1-6 气波增压器工作原理图气波增压器工作原理图19与涡轮增压相比 优点：低速运行特性、经济性、加速性 结构简单，制造方便 缺点：结构尺寸较大，在发动机的安装位置受到一定的限制 躁声较大 20 从第二章中可知，内燃机的动力性指标(以有效功率Pe为代表)与经济性指标（以有效燃油消耗

13、率be为代表）可以表示为 (47) (48)nPsmcaitemiteb1三、增压对经济性及动力性能的影响21nPsmcaitemiteb1假设增压后发动机转速假设增压后发动机转速n和过量空气系数和过量空气系数a保持不变保持不变增压后增压后换气过程形成正的泵气功，换气过程形成正的泵气功，指示热效率指示热效率it增加增加增压度增加，增压度增加， m增加增加增压度增加，增压度增加， a增加增加增压度增加，增压度增加， c增加增加所以所以Pebe22四、发动机增压技术的优势与四、发动机增压技术的优势与代价代价优势优势代价代价2324优势优势 1) 1)增压器的质量与尺寸都较小，内燃机增压器的质量与尺

14、寸都较小，内燃机的总体质量增加不大，而输出功率可以的总体质量增加不大，而输出功率可以以得到大幅度的提高，整机的比质量减以得到大幅度的提高，整机的比质量减小、升功率相应增大。采用增压技术可小、升功率相应增大。采用增压技术可降低内燃机单位功率的造价，提高材料降低内燃机单位功率的造价，提高材料的利用率。对于大型柴油机而言，经济的利用率。对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。效益更加突出。25优势优势 2)2)由于与非增压内燃机相比，排气可由于与非增压内燃机相比，排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀，的排以在涡轮中获得进一步的膨胀，的排气噪声有所降低。气噪声有所降低。26优势优势 3)3)增压后，有利于内

15、燃机在高原稀增压后，有利于内燃机在高原稀薄空气条件下恢复功率，以达到或薄空气条件下恢复功率，以达到或接近平原性能。接近平原性能。27优势优势 4)4)增压后，由于压缩终点温度与压增压后，由于压缩终点温度与压力提高，滞燃期缩短，压力升高比力提高，滞燃期缩短，压力升高比有所降低。燃烧柔和，燃烧噪声有有所降低。燃烧柔和，燃烧噪声有所降低。所降低。28优势优势 5)5)过量空气系数较大，过量空气系数较大，HCHC、COCO和烟度排放降低和烟度排放降低29优势优势 6 )6 )技术适用性广，从低速到高速、技术适用性广，从低速到高速、二冲程到四冲程、大缸径到小缸二冲程到四冲程、大缸径到小缸径都有应用径都有

16、应用30代价代价 1) 1)增压后缸内工作压力以及温度提高，机械负荷及热增压后缸内工作压力以及温度提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性受到严峻的考验。负荷加大，内燃机的可靠性受到严峻的考验。 2)2)低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到影响以及车用发动机十分不利。转矩受到影响以及车用发动机十分不利。 3)3)由于在涡轮增压器中，从排气能量的传递到进气压由于在涡轮增压器中，从排气能量的传递到进气压力的建立需要内燃机的加速响应性能较非增压机型差。力的建立需要内燃机的加速响应性能较非增压机型差。 4)4)增压发动机性能的进一步优化受到

17、增压器及中冷增压发动机性能的进一步优化受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料、耐热性能、器的限制，其中增压器的问题集中在材料、耐热性能、润滑、效率等方面，而中冷器则要求体积小、效率高、润滑、效率等方面，而中冷器则要求体积小、效率高、质量轻。质量轻。31采用增压发动机的利弊： 利： 有效功率 30%50% 燃油消耗率 10% 排气净化、降低躁声，使在高原工作 的内燃机恢复功率 弊： 机械负荷 热负荷 排温要650度 压缩空气温度高，要采用中冷器 发动机要做相应的改造32内容提要 一、增压技术概述一、增压技术概述 二二 、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式 三、增压对经济性及动力性能

18、的影响三、增压对经济性及动力性能的影响 四、发动机增压技术的优势与代价四、发动机增压技术的优势与代价 五、涡轮增压器的工作特性五、涡轮增压器的工作特性 六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介 七、涡轮增压器与发动机的匹配七、涡轮增压器与发动机的匹配 八、内燃机的增压改造八、内燃机的增压改造 九、汽油机的增压技术九、汽油机的增压技术33 涡轮增压器由压气机和涡轮两大部分组成。根据排气在涡轮中流动方向的不同，排气涡轮增压器可以分为两大类，即径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。一般大型柴油机多采用轴流式，以满足大流量、高效率的要求；而车用发动机多采用径流式，以适应高转速及较高响应性能的要求

19、。增压器的压气机部分，一般都采用单级离心式结构。五、涡轮增压器的工作特性34按涡轮型式分类（轴流式和径流式） 大型增压器多采用轴流式涡轮（即燃气在涡轮内的流动方向平行于转子轴方向） 图图2-1 轴流式涡轮示意图轴流式涡轮示意图 图图2-2 径流式涡轮示意图径流式涡轮示意图1-气壳；2-工作轮；3-涡轮轴； 4-喷嘴环；5-进气壳 a）向心式（径向进气轴相排气）；b）离心式；c）混流式 1-进气壳；2-喷嘴环；3-工作轮； 4-排气壳；5-涡轮轴小型增压器则采用径流式涡轮（燃气在涡轮内沿垂直于转子轴轴线的径向流动） 五、涡轮增压器的工作特性35361. 离心式压气机的工作过程五、涡轮增压器的工作

20、特性离心式压气机离心式压气机的功用是提高的功用是提高气体的压力，气体的压力，它主要由进气它主要由进气道、工作轮道、工作轮(含含手风轮手风轮)、扩压、扩压器和出气蜗壳器和出气蜗壳等部件组成。等部件组成。1 进气道 2 工作叶轮3 扩压器 4 压气机涡壳 离心式压气机结构 371. 离心式压气机的工作过程压气机通道内气体状态的变化 五、涡轮增压器的工作特性38首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作轮气流略有加速轮气流略有加速( (图图414b414b中的位置中的位置1) 1)。然后，气。然后，气流进人工作轮上叶片组成的气流通道。由于工作轮流进人工作

21、轮上叶片组成的气流通道。由于工作轮的转速很高的转速很高( (一般为每分钟几万转有时高达每分一般为每分钟几万转有时高达每分钟几十万转钟几十万转) )，离心力的作用使得新鲜充量得到了，离心力的作用使得新鲜充量得到了很大的压缩，其压力、温度以及气流速度均有较大很大的压缩，其压力、温度以及气流速度均有较大程度的增加程度的增加( (图中位置图中位置2)2)，这部分能量是由驱动工，这部分能量是由驱动工作轮的机械功转化而来，而机械功又是来源于与之作轮的机械功转化而来，而机械功又是来源于与之间轴铀相连的涡轮。间轴铀相连的涡轮。 39 然后，压力提高了的气体沿然后，压力提高了的气体沿y y作轮径向流出，进人扩压

22、作轮径向流出，进人扩压器和出气蜗壳。由于两者均是截面逐渐增大的通道，器和出气蜗壳。由于两者均是截面逐渐增大的通道，气体所拥有动能的大部分会在其中转变为压力能、这气体所拥有动能的大部分会在其中转变为压力能、这样，压力得以进一步升高而气流速度则相应下降样，压力得以进一步升高而气流速度则相应下降( (图图中位置中位置3 3、4)4)：同时，出气蜗壳还兼有收集流出的气体：同时，出气蜗壳还兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的目的。以便向内燃机进气管输送的目的。 由此可见，新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能由此可见，新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能转换，并将涡轮机传给压气工作轮的机械能，尽可能

23、转换，并将涡轮机传给压气工作轮的机械能，尽可能多地转变为充量的压力能。多地转变为充量的压力能。40* -压气机的流量特性压气机的通流特性是指在压气机的通流特性是指在一定环境条件下（一定环境条件下（ 、 为一定时），在某一为一定时），在某一转速转速时，时，增压比增压比和和效率效率随随流量流量而变化的关系曲线。以流而变化的关系曲线。以流量为横坐标，增压比和效量为横坐标，增压比和效率为纵坐标，转速为参变率为纵坐标，转速为参变数绘出压气机的流量特性数绘出压气机的流量特性曲线。曲线。效率和流量的关系效率和流量的关系曲线以曲线以等效率等效率线的形式画线的形式画在增压比和流量的关系曲在增压比和流量的关系曲线

24、上，线上，以便于分析。以便于分析。0P压气机流量特性压气机流量特性 0T2. 离心式压气机的特性离心式压气机的特性曲线离心式压气机的特性曲线五、涡轮增压器的工作特性41压气机特性曲线的变化主要特点：压气机特性曲线的变化主要特点： 2较低转速较低转速时，增压特性线变化时，增压特性线变化较较平坦平坦；转速愈高转速愈高，则增压特性，则增压特性线变化线变化愈陡削愈陡削，这说明在，这说明在高转速高转速时，时，较小的流量变化所对应的增较小的流量变化所对应的增压比的变化较大压比的变化较大。 1.1.在在等转速等转速运行线上，随着运行线上，随着空气空气流量流量的的增加增加，增压比增压比开始开始时是时是增增加加

25、的，当增加至某一值时，的，当增加至某一值时，达最达最大值大值。之后。之后再增压再增压便便逐渐下降逐渐下降，所以，增压特性线似所以，增压特性线似马鞍形状马鞍形状。 由图中还可看出，在等转速运行由图中还可看出，在等转速运行线上，线上，效率效率随流量的变化也大致随流量的变化也大致与增压特性线与增压特性线相似相似。423有一条喘振线。它是不有一条喘振线。它是不同转速下压气机稳定运同转速下压气机稳定运转的最小流量点的连线，转的最小流量点的连线，即压气机稳定运转的边即压气机稳定运转的边界线。喘振线以左为喘界线。喘振线以左为喘振区振区,此时压气机工作不此时压气机工作不稳定。流过压气机的气稳定。流过压气机的气

26、流开始振荡，严重时，流开始振荡，严重时，整台压气机发生振动并整台压气机发生振动并伴随着特殊的尖叫声。伴随着特殊的尖叫声。这种现象称为喘振现象。这种现象称为喘振现象。喘振线以右为稳定工作喘振线以右为稳定工作区。最小流量点的数值区。最小流量点的数值是随着转速的升高向增是随着转速的升高向增大的方向移动。大的方向移动。 43* 压气机流量特性的成因压气机流量特性的成因以径向叶轮为例，如压气机进出口气流速度相同，在没有流以径向叶轮为例，如压气机进出口气流速度相同，在没有流动损失情况下，有效功完全用来压缩空气，即动损失情况下，有效功完全用来压缩空气，即 badbWW22buWg2u而 为叶轮出口处的轮周速

27、度为叶轮出口处的轮周速度 为功率系数为功率系数 压比与绝热压缩功的关系为：压比与绝热压缩功的关系为：可见，可见，增压比增压比与流量无关与流量无关，在特性曲线上是一条与横坐标，在特性曲线上是一条与横坐标平行的（平行的（a-a）直线。）直线。k2. 离心式压气机的特性44可见，增压比可见，增压比与流量无关，在特性曲线上是一条与横坐标与流量无关，在特性曲线上是一条与横坐标平行的（平行的（a-a）直线。但实际流动是有损失的，而且这种损）直线。但实际流动是有损失的，而且这种损失与流动最直接合关。这些损失有以下两部分。失与流动最直接合关。这些损失有以下两部分。 rW1流动损失流动损失 包括包括摩檫摩檫损失

28、、涡流损失损失、涡流损失等。这种等。这种损失以损失以 表示，表示， 与与气流速度气流速度c有关。当有关。当流量流量增大增大，c必然必然加快加快， 相应相应增大增大。则相应用来提。则相应用来提高压力的绝热压缩功减少，高压力的绝热压缩功减少，压比降低。所以，在特性压比降低。所以，在特性线上、计及流动损失后的线上、计及流动损失后的压比线为压比线为bb所示所示rW452撞击损失当压气机离开设计工况时，气流角度和叶片的几何角度不能保持一致，产生撞击现象。 计及撞击损失后，压比与流量的关系线用cBc来表示。46如图所示，当流量如图所示，当流量增大增大时，入口轴向分速时，入口轴向分速增大增大，而，而定，则气

29、定，则气流撞击入口边的背面；当流量减小时，入口轴向分速减小，而流撞击入口边的背面；当流量减小时，入口轴向分速减小，而不变，则撞击入口边的凹面。说明只要气流偏离设计工况，不变，则撞击入口边的凹面。说明只要气流偏离设计工况，都会产生撞击损失。都会产生撞击损失。 图2-10转速不变、流量变化时叶轮入口处的撞击现象 （a）设计工况 （b）流量增大增大 （c）流量减小减小47* 压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞2. 离心式压气机的特性流量流量过小过小过大过大喘振喘振堵塞堵塞当压气机的流量过小当压气机的流量过小,气体会在气体会在叶轮或扩压器入口出现边界层分叶轮或扩压器入口出现边界层分离离,导致气体回流

30、导致气体回流.分离涡流迅速分离涡流迅速扩展到压气机通道的其他部分扩展到压气机通道的其他部分,气流出现强烈的振荡气流出现强烈的振荡,引起工作引起工作轮叶片强烈振动轮叶片强烈振动,产生很大的噪产生很大的噪音音,为压气机的喘振为压气机的喘振.当流量超过设计工况到一定数当流量超过设计工况到一定数值后值后,压气机的增压比和效率均压气机的增压比和效率均急剧下降急剧下降,而流量却不再增加而流量却不再增加,这一现象称为压气机的堵塞这一现象称为压气机的堵塞.设计或选配时保证压气机具有宽广的工作范设计或选配时保证压气机具有宽广的工作范围围,以满足增压发动机的运转要求以满足增压发动机的运转要求.48图2-10转速不

31、变、流量变化时叶轮入口处的撞击现象 （a）设计工况 （b）流量增大增大 （c）流量减小减小49图2-11 在一定转速、不同流量下叶片扩压器的空气流动情况（a）设计工况 （b）流量增大增大 （c）流量减小减小50一般来说一般来说,叶片扩压器流道内气体分离的扩大是叶片扩压器流道内气体分离的扩大是压气机喘振的主要原因压气机喘振的主要原因,而工作叶轮进口处气流而工作叶轮进口处气流分离的扩大会使喘振进一步加剧分离的扩大会使喘振进一步加剧.如小型增压器中普遍采用的无叶扩压器如小型增压器中普遍采用的无叶扩压器,不仅使不仅使工作流量范围扩大工作流量范围扩大,又可避免压气机的喘振现象又可避免压气机的喘振现象的发

32、生的发生.513. 径流式涡轮机的工作原理五、涡轮增压器的工作特性*径流式涡轮的结构径流式涡轮的结构涡轮主要内进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳等部件组成。进气壳进气壳 ( (也称蜗壳也称蜗壳) )的作用，是把发动机的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以排出的具有一定能量的废气，以尽量小的尽量小的流动损失和尽量均勺的分布流动损失和尽量均勺的分布引导到涡轮喷引导到涡轮喷嘴环的入口。嘴环的入口。喷嘴环喷嘴环 又称导向器，流通截面呈渐缩形，又称导向器，流通截面呈渐缩形，其作用是其作用是使具有一定压力和温度的燃气膨使具有一定压力和温度的燃气膨胀加速并按规定的方向进

33、入胀加速并按规定的方向进入工作叶轮。工作叶轮。工作叶轮工作叶轮 ( (简称叶轮简称叶轮) )是是唯一唯一承受气体承受气体作功的元件它与压气机叶轮同轴、把气作功的元件它与压气机叶轮同轴、把气体的体的动能转化为机械功向压气机输出动能转化为机械功向压气机输出。排气壳排气壳 收集叶轮排出的废气并送入大气收集叶轮排出的废气并送入大气。52*涡轮机工作原理涡轮机工作原理喷嘴环上的导向叶片构成的是喷嘴环上的导向叶片构成的是渐缩曲线型通道，废气进入喷渐缩曲线型通道，废气进入喷嘴通道，在此弯曲的收缩通道嘴通道，在此弯曲的收缩通道内废气膨胀，部分压力能变成内废气膨胀，部分压力能变成动能，废气的绝对速度动能，废气的

34、绝对速度，温，温度和压力度和压力。工作轮叶片一般也。工作轮叶片一般也组成收缩通道，在工作轮叶片组成收缩通道，在工作轮叶片中，燃气继续膨胀，压力温度中，燃气继续膨胀，压力温度。当气流流过工作叶轮时，气。当气流流过工作叶轮时，气流转弯，由于离心力作用的结流转弯，由于离心力作用的结果，在叶片凹面压力得到提果，在叶片凹面压力得到提高，而凸面降低。产生带动工作高，而凸面降低。产生带动工作叶轮旋转的扭矩。叶轮旋转的扭矩。3. 径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理53*废气涡轮的特性曲线废气涡轮的特性曲线与压气机一样，涡轮在变工与压气机一样，涡轮在变工况时气流参数的变化是通过况时气流参数的变化是通过

35、特性曲线来表示的。涡轮特特性曲线来表示的。涡轮特性曲线表示了在各种工况下性曲线表示了在各种工况下涡轮主要工作参数间的变化涡轮主要工作参数间的变化关系，是关系，是确定涡轮与发动机确定涡轮与发动机匹配合理与否的至要依据。匹配合理与否的至要依据。涡轮性能曲线最常用的形式涡轮性能曲线最常用的形式是是表征涡轮通流能力的流量表征涡轮通流能力的流量特性曲线特性曲线和和表征涡轮效率变表征涡轮效率变化的效率特性曲线化的效率特性曲线。 3. 径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理54*废气涡轮的特性曲线废气涡轮的特性曲线3. 径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理n一定时，随着流量的增加有一定时，随着

36、流量的增加有一最佳效率值。一最佳效率值。每一转速下，有相应的流量及每一转速下，有相应的流量及范围。范围。随着流量的增加，有一最大值随着流量的增加，有一最大值为为A，再增大，流量不再增加，再增大，流量不再增加，称为废气的阻塞现象。发生流称为废气的阻塞现象。发生流量阻塞的原因是喷嘴环或涡轮量阻塞的原因是喷嘴环或涡轮叶轮中某处气流速度已达到了叶轮中某处气流速度已达到了当地声速。涡轮实际工作时，当地声速。涡轮实际工作时，由于喷嘴出口处流速最高。往由于喷嘴出口处流速最高。往往是该处先于叶轮发生流量阻往是该处先于叶轮发生流量阻塞。塞。55内容提要 一、增压技术概述一、增压技术概述 二二 、内燃机的增压方式

37、、内燃机的增压方式 三、增压对经济性及动力性能的影响三、增压对经济性及动力性能的影响 四、发动机增压技术的优势与代价四、发动机增压技术的优势与代价 五、涡轮增压器的工作特性五、涡轮增压器的工作特性 六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介 七、涡轮增压器与发动机的匹配七、涡轮增压器与发动机的匹配 八、内燃机的增压改造八、内燃机的增压改造 九、汽油机的增压技术九、汽油机的增压技术56六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介废气涡轮增压的两种基本形式废气涡轮增压的两种基本形式 涡轮增压系统的两种基本形式 a）定压增压系统（b）脉冲增压系统57六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压

38、系统简介1.定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统内燃机所有气缸的排气管都连接于一根排气总管而排气总管的容积又尽可能做得大。这样一来，排气管实际上就起了集气箱集气箱作用。这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但由于集气箱的稳压作用，因而在排气总管内的压力振荡是压力振荡是较小的较小的。可以认为涡轮前排气管内压力基本上是恒定的，即工质在恒定压力恒定压力状态下进入涡轮。 58六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介1.定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统*定压增压对内燃机废气能量的利用定压增压对内燃机废气能量的利用2-0 ：增压器进气过程 0-a：增压器充量的压缩过程，a为增压压力 a-3：增压器等压排气

39、 3-a：内燃机等压吸气过程 a-c：压缩过程c-z： 燃烧过程 z-b：膨胀过程 b-5：排气门打开时的定容排气 5-4：定压排气 排气管为恒定压力 4-e：涡轮进气 e-f ：涡轮中的膨胀 f-2：涡轮等压排气59排气门打开时排气等熵膨胀至大气压力时所作的排气门打开时排气等熵膨胀至大气压力时所作的功功1bf1排气经排气门节流和排气歧管中自由膨胀所损失的能量1ETEbE1bTEEE1ETE排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量1.定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统*定压增压对内燃机废气能量的利用定压增压对内燃机废气能量的利用60活塞推出排气使排气增加的能量排气排气中涡轮中涡轮的可用能量的可用能量1

40、EcETEsE2EbE扫气空气进入涡轮后具有的能量2scTEEEEsEcETE排气在涡轮中的膨胀功1.定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统*定压增压对内燃机废气能量的利用定压增压对内燃机废气能量的利用61活塞推出排气使排气增加活塞推出排气使排气增加的能量的能量1EqEcETEsE2EbE扫气空气进入涡轮后具有扫气空气进入涡轮后具有的能量的能量2scTqEEEEEsEcETE排气在涡轮中的膨胀功排气在涡轮中的膨胀功qE损失的能量E1中的一小部分，转变为热能，加热排气，使焓值增加而得到的附加能量涡轮前排气涡轮前排气的可用能量的可用能量*定压增压对内燃机废气能量的利用定压增压对内燃机废气能量的利用1.定

41、压涡轮增压系统定压涡轮增压系统62TE废气的拥有能分为：(b-e-5-b)1E(5-e-f-1-5)TE无论是变压还是恒压系统均在涡轮中膨胀做功恒压系统、变压系统的差别很大。1E恒压系统恒压系统中，由于排气管压力维持恒定，全部在节全部在节流中损失流中损失，损失而产生的热量将用来加热排气管中的工质，使温度提高。涡涡轮功面积增加轮功面积增加e-e-f-f-e.*定压增压对内燃机废气能量的利用定压增压对内燃机废气能量的利用1.定压涡轮增压系统定压涡轮增压系统631TpEG CT101kkTpTpEG CTp废气回收率占损失能量的比例为废气回收率占损失能量的比例为: 1011kkTpEEp Tp ,T

42、TpE且废热回收的比例愈大且废热回收的比例愈大. 当增压压力当增压压力较低较低，而涡轮增压器的综合，而涡轮增压器的综合效率又不很高时，恒压系统就难以实现效率又不很高时，恒压系统就难以实现功率功率平衡要求。其原因就在于平衡要求。其原因就在于能量能量E1没有很好地加以利用。没有很好地加以利用。 为了很好地利用E1，提出了脉冲增压系统脉冲增压系统。642 脉冲增压系统使排气管中的压力造成尽可能大的使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动，压力波动，涡轮增压器尽量靠近气涡轮增压器尽量靠近气缸；把排气管做得短而细，尽量减缸；把排气管做得短而细，尽量减小排气管容积。为在一根排气管中小排气管容积。为在一根排气

43、管中形成形成互不干扰互不干扰的排气脉冲波进入废的排气脉冲波进入废气涡轮机，要根据气缸数按内燃机气涡轮机，要根据气缸数按内燃机的发火顺序组成几根排气管，每根的发火顺序组成几根排气管，每根排气管各自连接几个气缸排气管各自连接几个气缸(通常为通常为2缸或缸或3缸缸)。必须把涡轮的喷嘴环。必须把涡轮的喷嘴环(即即涡轮进口涡轮进口)，根据排气管的数目分组，根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。如发火顺隔开，使它们互不干扰。如发火顺序为序为l53624的六缸四冲的六缸四冲程增压柴油机排气管分组情况。程增压柴油机排气管分组情况。 六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介65 两种增压系统在两种增

44、压系统在废气能量利用废气能量利用的区别的区别（1 1）采用脉冲增压可以对面积）采用脉冲增压可以对面积E1E1所示所示脉冲能量加以利用。脉冲能量加以利用。在脉冲增压系统中，在脉冲增压系统中，由于排气管容积很小，在排气阀开启后，由于排气管容积很小，在排气阀开启后，排气管中压力迅速升高，形成了图中所排气管中压力迅速升高，形成了图中所示的压力波示的压力波-排气脉冲波。由于排气管排气脉冲波。由于排气管的压力迅速提高，使气体处于的压力迅速提高，使气体处于亚临界流亚临界流动动。排气压差的减小，使排气。排气压差的减小，使排气节流损失节流损失下降下降，从而，从而 提高了对能量提高了对能量E1的利用率。的利用率。

45、且瞬时进入涡轮的废气压力较高，在涡且瞬时进入涡轮的废气压力较高，在涡轮内瞬时膨胀功大。轮内瞬时膨胀功大。（2） 排气管截面细，排气管截面细，气流速度高气流速度高，部，部分气流的分气流的动能动能可以在涡轮中加以利用。可以在涡轮中加以利用。 可见，可见，脉冲增压系统脉冲增压系统比比定压增压系统定压增压系统可以较好地利用内燃机可以较好地利用内燃机的废气能量。的废气能量。 663脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用 排气能量的利用排气能量的利用比较比较六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介脉冲增压脉冲增压: 排气节流造成的排气能量的损失比定压增压系排气

46、节流造成的排气能量的损失比定压增压系统小统小,而且能利用排气的脉冲能量。而且能利用排气的脉冲能量。而定压增压定压增压不能利用不能利用脉冲能量脉冲能量。所以脉冲增压对排气能量的利用比定压要好。所以脉冲增压对排气能量的利用比定压要好。但当增压比提高时，排气管内压力升高，定压系统的排但当增压比提高时，排气管内压力升高，定压系统的排气能量损失有所下降。且脉冲能量在排气能量中所占的气能量损失有所下降。且脉冲能量在排气能量中所占的比重降低，所以两种系统对排气能量的利用效果随增压比重降低，所以两种系统对排气能量的利用效果随增压比的提高而接近。比的提高而接近。当增压比小于当增压比小于2.5时，脉冲增压对排气能

47、量的利用比定压要好。时，脉冲增压对排气能量的利用比定压要好。673脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用 扫气作用扫气作用 比较比较定压增压系统定压增压系统： 脉冲增压系统：脉冲增压系统： kTpp较小，组织良好扫气有一定较小，组织良好扫气有一定困难困难 TpTpkTpp因排气前期因排气前期高，排气速度大，后期高，排气速度大，后期下降快，正处于气门叠加期，下降快，正处于气门叠加期， 大，有利于扫气大，有利于扫气683脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用 加速性能加速性能比较比较脉冲增压脉冲增压的的加速加载性能较好加速

48、加载性能较好，由于脉冲增压排气管容，由于脉冲增压排气管容积小，几个工作循环后压力很快上升，增压器能迅速加积小，几个工作循环后压力很快上升，增压器能迅速加速到规定转速，保证柴油机扫气的要求。而速到规定转速，保证柴油机扫气的要求。而定压增压定压增压在在柴油机柴油机加速加载时反应性能差加速加载时反应性能差，即快速加速加载时，排，即快速加速加载时，排气能量不能快速增加，压力因而也难于快速提高，造成气能量不能快速增加，压力因而也难于快速提高，造成短时间内空气流量不足，使柴油机冒烟。短时间内空气流量不足，使柴油机冒烟。此外，在内燃机转速减低时，脉冲增压系统的可用能与此外，在内燃机转速减低时，脉冲增压系统的

49、可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。转矩特性。693脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用 增压器的效率增压器的效率比较比较定压增压定压增压由于进入涡轮的压力基本恒定，故涡轮效率较涡轮效率较高高。脉冲增压脉冲增压：在开始排气时排气以很高的流速进入涡轮，：在开始排气时排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加；脉冲增压涡轮为脉动进气，进入工作轮流动损失增加；脉冲增压涡轮为脉动进气，进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期地改变，使气流撞击损失叶片的排气流动方向也是周期地改变，使气流撞击损失

50、增加；脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，增加；脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，因此因此涡轮效率较低涡轮效率较低。703脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用 增压器的结构增压器的结构比较比较定压增压系统定压增压系统排气管排气管结构简单结构简单，这对于，这对于气缸数目很多气缸数目很多的柴油机在结构布置上尤为重要。而的柴油机在结构布置上尤为重要。而脉冲增压系统脉冲增压系统排排气管要进行分支，使排气系统气管要进行分支，使排气系统结构复杂，布置困难。结构复杂，布置困难。71脉冲系统和定压系统的选用 高增压柴油机高增压柴油机0.25kpMPaTp高

51、，排出的废气能量回收比例大，故多采用高，排出的废气能量回收比例大，故多采用定定压增压压增压。且涡轮前压力恒定，涡轮效率提高。且涡轮前压力恒定，涡轮效率提高。低增压柴油机低增压柴油机0.150.13kpMPaMPa定压系统定压系统Tp低，节流损失大，采用低，节流损失大，采用脉冲增压系统脉冲增压系统更好。更好。高增压柴油机变工况高增压柴油机变工况特别是出现低负荷情况下，用特别是出现低负荷情况下，用脉冲增压系统脉冲增压系统更好。更好。船用、发电用船用、发电用车用车用72内容提要 一、增压技术概述一、增压技术概述 二二 、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式 三、增压对经济性及动力性能的影响三、增压对经

52、济性及动力性能的影响 四、发动机增压技术的优势与代价四、发动机增压技术的优势与代价 五、涡轮增压器的工作特性五、涡轮增压器的工作特性 六、排气涡轮增压系统简介六、排气涡轮增压系统简介 七、涡轮增压器与发动机的匹配七、涡轮增压器与发动机的匹配 八、内燃机的增压改造八、内燃机的增压改造 九、汽油机的增压技术九、汽油机的增压技术73七、七、涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配内燃机与涡轮增压器只通过内燃机的内燃机与涡轮增压器只通过内燃机的进排气流动进排气流动联系。联系。内燃机的工作特性参数是用内燃机的工作特性参数是用转速和负荷转速和负荷来表示的，不来表示的，不同转速和负荷下排气的流量和温

53、度不同，即排气的能同转速和负荷下排气的流量和温度不同，即排气的能量不同，通过增压器转换后，反过来影响进气状态，量不同，通过增压器转换后，反过来影响进气状态，进而影响发动机的性能和排气状态，在稳定状态下达进而影响发动机的性能和排气状态，在稳定状态下达到一种平衡。内燃机的转速范围是从最低稳定转速到到一种平衡。内燃机的转速范围是从最低稳定转速到标定转速，负荷变化从零到满负荷，要使增压内燃机标定转速，负荷变化从零到满负荷，要使增压内燃机有良好的性能，就必须使涡轮和压气机的联合运行在有良好的性能，就必须使涡轮和压气机的联合运行在宽广的范围内与内燃机有良好的配合，彼此适应，这宽广的范围内与内燃机有良好的配

54、合，彼此适应，这就是所谓的涡轮增压器与发动机的匹配。就是所谓的涡轮增压器与发动机的匹配。741.内燃机使用特性的坐标转换内燃机使用特性的坐标转换( )kGf n1219.17kekekhvkPT gpMPaiV n ()kepf P75( )kGf n( )kepf P762. 联合运行线联合运行线联合运行线联合运行线 为了讨论运行线的联合，以单级涡轮增压系统为例为了讨论运行线的联合，以单级涡轮增压系统为例 2 发动机某一工况下，对应该工况功率所需的增压力基本发动机某一工况下，对应该工况功率所需的增压力基本确定，因此，压气机提供的增压压力必须等于发动机所确定，因此，压气机提供的增压压力必须等于

55、发动机所需的增压压力。需的增压压力。 根据质量守恒定律，压气机所提供的空气正好等于内燃根据质量守恒定律，压气机所提供的空气正好等于内燃机所需的空气量。因此，在稳定工况下，压气机特性线机所需的空气量。因此，在稳定工况下，压气机特性线上的流量和内燃机所需的流量相等。上的流量和内燃机所需的流量相等。 因此，可以将内燃机的使用特性图与压气机特性图因此，可以将内燃机的使用特性图与压气机特性图统一起来，构成增压器和内燃机联合后的工作运行线。统一起来，构成增压器和内燃机联合后的工作运行线。 77783、联合运行线的限制、联合运行线的限制 内燃机增压系统由压气机、涡轮及内燃机压气机、涡轮及内燃机等联合运行，它

56、们之间的参数互相影响， 十分复杂。各自的限制条件均反映在运行线上。换句话说，联合运行线的限制条件是压气机、涡联合运行线的限制条件是压气机、涡轮和内燃机三者限制条件的综合反映。轮和内燃机三者限制条件的综合反映。 793、联合运行线的限制、联合运行线的限制 压气机的限制压气机的限制 1 最高转速限制线最高转速限制线 发动机按负荷特性运行时，随着负荷的增加，虽然发动机转速不变，但循环供油量增加，废气温度和压力都相应提高，既涡轮进口焓值增加，增压器转速增加。80压气机的限制压气机的限制 1 最高转速限制线最高转速限制线 当发动机按外特性运行时，循环供油量变化不大，随着负荷减小，发动机转速升高，流量增大

57、，废气流量也增大，涡轮转速升高。 当增压器转速超过某一当增压器转速超过某一值后，离心力增加过大，值后，离心力增加过大，以致超过叶轮机械强度以致超过叶轮机械强度所能承受的程度，就会所能承受的程度，就会发生事故。因此压气机发生事故。因此压气机有一条最高转速限制线有一条最高转速限制线(曲线曲线6)。81压气机的限制压气机的限制 2. 喘振边界线喘振边界线 当发动机负荷或转速当发动机负荷或转速降低都伴随着流量的降低都伴随着流量的减少。若发动机流量减少。若发动机流量减少到压气机喘振边减少到压气机喘振边界线以左，使压气机界线以左，使压气机进入喘振区，即无法进入喘振区，即无法工作。因此，压气机工作。因此，压

58、气机运行受喘振边界线的运行受喘振边界线的限制限制(如曲线如曲线5)。82涡轮限制条件涡轮限制条件 1 .最高温度限制线最高温度限制线 随着发动机负荷增加，随着发动机负荷增加，转速升高，都伴随着转速升高，都伴随着排气温度升高。当排排气温度升高。当排气温度超过涡轮材料气温度超过涡轮材料热应力承受的程度，热应力承受的程度，就会发生事故。因此，就会发生事故。因此，涡轮有一条最高温度涡轮有一条最高温度限制线限制线(如曲线如曲线7)。 83涡轮限制条件涡轮限制条件 2. 最高转速限制线最高转速限制线 这与压气机一样，转速这与压气机一样，转速过高，离心力过大，以过高，离心力过大，以致超过叶轮材料强度所致超过

59、叶轮材料强度所能承受的程度，就会发能承受的程度，就会发生事故。涡轮叶轮的材生事故。涡轮叶轮的材料优于压气机叶轮，但料优于压气机叶轮，但涡轮工作温度显著高于涡轮工作温度显著高于压气机。所以增压器最压气机。所以增压器最高转速限制线应根据压高转速限制线应根据压气机和涡轮的实际薄弱气机和涡轮的实际薄弱环节来确定环节来确定。 84涡轮限制条件涡轮限制条件 3.喷嘴环出口流量阻塞线喷嘴环出口流量阻塞线 废气流经涡轮，在喷嘴环出口处流废气流经涡轮，在喷嘴环出口处流通面积最小，流速最大。根据喷嘴通面积最小，流速最大。根据喷嘴流动理论、喉部最大流速为当地音流动理论、喉部最大流速为当地音速，即当发动机流量增大，以

60、致喷速，即当发动机流量增大，以致喷嘴中的膨胀比为临界膨胀比时，流嘴中的膨胀比为临界膨胀比时，流经涡轮的流量达到最大值。这时，经涡轮的流量达到最大值。这时，即使发动机流量再增大，涡轮的流即使发动机流量再增大，涡轮的流量也不再增大，除非增大喷嘴环喉量也不再增大，除非增大喷嘴环喉部流通而积。因此，涡轮有一条最部流通而积。因此，涡轮有一条最大流量的限制线，也称流量阻塞线大流量的限制线，也称流量阻塞线(如曲线如曲线l 0)。 不过，在增压系统中，涡轮的流量范围很宽，而且喷嘴环面不过，在增压系统中，涡轮的流量范围很宽，而且喷嘴环面积可以变动，所以这条限制线一般不会出现。积可以变动，所以这条限制线一般不会出