涡轮增压讨论.

1、目录content涡轮增压器与发涡轮增压器与发动机的匹配动机的匹配概述概述涡轮涡轮涡轮增压器的机涡轮增压器的机械设计特征械设计特征离心压气机离心压气机大大学学 University答辩答辩Defence涡轮增压系统的涡轮增压系统的发展发展1.1涡轮增压 涡轮增压，是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作所产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术。与超级增压器(机械增压器，Super-Charger)功能相若，两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量，从而令机器效率提升。常见用于汽车引擎中，透过利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃

2、机的马力输出涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.2涡轮增压的要求 为使涡轮增压发动机良好运行，增压系统各部件需合理匹配。为此需满足几个条件。一个显然的条件是通过

3、涡轮的废气流量应等于通过压气机的流量与燃油流量之和。能量平衡关系要求涡轮输出功率应等于压气机消耗功率与轴系消耗功率之和。压气机进口压力为环境气压（考虑进气损失则略低于环境气压），出口压力取决于压气机特性。涡轮出口压力为环境气压加上涡轮下游管路的排气损失，但涡轮进口条件并不受设计者直接控制，其取决于所需要的涡轮输出功率以及发动机的排气温度。 压气机和涡轮的效率是系统的关键性能参数。发动机与涡轮增压器的尺寸对比也值得关注。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.3涡轮增压的增压原理 涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在

4、排气管上。然后增压器的进气口与空气滤滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.4废气能量利用燃料燃烧释放能量的3040%以废气能量的形式释放。增压发

5、动机的性能很大程度上取决于涡轮利用这部分能量以驱动压气机提供增压比的能力，若能有效利用对发动机性能有很大的正效果。图示为某自然吸气发动机的理想循环示功图。在燃烧终止时刻（点3），气体膨胀推动活塞下行。在下止点（点4）排气阀打开。此时气缸内压力高于排气歧管压力（假设排气歧管压力等于环境压力）。废气通过排气阀，压力降为环境压力（点1）。此时活塞上行进行排气冲程，气缸内压力维持环境压力。状态点4 的废气能量在通过废气阀的膨胀过程中浪费了。如果采用某种方法使得活塞下行时超过下止点（BDC），气缸内压力达到环境压力（点5）时排气阀门方开启，同时活塞上行开始排气冲程，则可获得额外的发动机循环输出功。因此，

6、区域4-5-1 表征理论上可利用的最大废气能量，一般称之为排气能量（blowdown energy）。大大学学University答辩答辩Defence概述概述 图1.14a 所示为增压发动机的等效示功图。进气增压使得气缸进气压力高于环境压力。在下止点（BDC，点4）放气阀打开，废气膨胀到排气歧管压力。图示排气歧管压力低于进气压力，以帮助扫气，这并非关注重点。重点在于应高于环境压力，以提供驱动涡轮的压差。 理想情况下，发动机的膨胀过程可以一直进行直到状态点8。区域4-5-8 表示额外的可用废气能量。一旦排气冲程开始，废气在会在涡轮中继续膨胀而达到环境压力。在此过程中，涡轮进口压力从开始的（点8

7、）下降为（点9）。区域5-8-9-10 表示整个涡轮膨胀过程中所利用的废气能量。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.5等压增压技术 气缸排气经过体积足够大的排气歧管，以维持排气歧管压力大致不变，在发动机循环过程中仅有很小的瞬态波动。图1.15 所示为气缸压力、排气压力和环境压力在放气阀打开(EVO)后的变化。对实际发动机，排气阀在活塞下止点前打开，此时气缸压力往往几倍于排气歧管压力。随后气缸废气进入排气歧管。最初废气经过放气阀有较大的压降，此压降逐渐减小至一个很小的值，之后基本不变以维持排气压差。在此期间，废气在涡轮中膨胀，压力从排气歧管压力降至环境压力。如图1.15

8、 所示，只有一部分的废气能量被涡轮利用。 等压增压的优点在于涡轮在一定的进口条件下工作，膨胀比一定。由此可针对该工作点对涡轮进行优化以达到较高的效率。第三章会讲到，当涡轮工作点偏离设计工况时，其性能下降；针对工作点工况的涡轮优化有可能弥补等压增压中废气能量的浪费。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.6脉冲增压技术 相比之下，脉冲增压技术即为了最大地利用废气能量。为了达到这一目的，排气歧管被设计得尽可能小。在排气阀开启时刻，排气歧管压力接近环境压力（图1.16）。小体积排气歧管意味着当排气阀打开时，排气歧管压力快速上升至接近气缸的瞬时压力，其差值为排气阀的压损。当排气阀

9、关闭时，气缸压力仍然略高于环境压力，废气仍经过涡轮膨胀，直至排气歧管压力降为环境压力。 对比图1.15 与图1.16 可知脉冲增压相比于等压增压可更多地利用废气能量。但是，脉冲增压系统要求涡轮工作在较宽广的范围。一旦排气阀打开，涡轮瞬间工作在高压力工况，并很快变为压比接近1 的工况。因此在一个发动机循环周期只有短暂时间工作在其最高效率点，而另外大部分的时间则工作在非最高效率点。相比于等压增压，尽管脉冲增压技术可以使用更多地废气能量，但效率仍可能较低。大大学学University答辩答辩Defence概述概述大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机1简介简介 离心压

10、气机由转动和静止部件组成。空气轴向进入叶轮，如图2.1 所示。一些特殊情况下在离心叶轮上游会安装进口导叶，以使气流发生偏转，并通过可变导叶以拓宽压气机的工作范围。即使采用进口导叶，叶轮进口的气流方向基本上也是轴向的。流体经过叶轮扩压，流向变为径向，在叶轮出口流体具有径向和切向速度。此时流体仍然具有较高的动能，随后在扩压器中尽可能地扩散增压。扩压器有很多不同型式，如无叶式、有叶式、通道式等。最后气体由集气壳（更多采用的是蜗壳，同时可能起额外的气体扩散作用）收集，为发动机供气。大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机2压气机性能压气机性能 图2.5 所示为一个经典的压

11、气机性能特性图（Map）。对每条等转速线，压比随流量变化。同时该图也给出了效率圈。图中流量和转速采用进口（或者环境）的压力和温度进行修正，确保此Map图可用于不同环境大气条件（例如高海拔，）的发动机匹配。故在发动机台架上测得的一个Map 图在不同的发动机工作环境下均可适用。显然压比和效率均为流量和转速的函数。最大效率出现在相对较小的范围，故为使涡轮增压器高效工作，需要将发动机与增压器联合工作线尽可能置于该高效区内。大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机3叶轮、扩压器叶轮、扩压器叶轮设计首先需确保气体平顺地进入流道，为此叶片需要与气流方向成合适的夹角。叶片与气体相

12、对速度的夹角（气流攻角）是影响效率和稳定工作范围的关键参数。当气体离开叶轮时仍有很大的绝对速度，通常其动能占叶轮对流体所做功的3050%，这部分动能要在扩压器中尽可能地转化为压能。压气机的任一部件均会发生失速。当扩散流动中的逆压力梯度和壁面边界层的粘性效应使得近壁面流体滞止时，失速即发生。此时在壁面处形成流动滞止区域，在上游的流体需要与壁面分离才能绕过这一失速区。失速伴随总压损失、边界层增厚、流道堵塞以及流动方向偏离叶片角度等负作用，最终导致喘振。涡轮涡轮大大学学University答辩答辩Defence简述简述涡轮的作用是为压气机提供动力。由压气机设计来决定增压器的运行转速。其余匹配要求包括

13、：涡轮流量由发动机排量决定；涡轮输出功需要满足压气机耗功（同时考虑轴承损失和其余损失），故由压气机效率决定。涡轮做功由膨胀比（发动机排气歧管压力与涡轮出口压力之比；考虑到排气系统的压损，涡轮出口压力通常高于环境大气压力）、涡轮进口温度和涡轮效率决定。涡轮涡轮大大学学University答辩答辩Defence径流式、混流式涡轮径流式、混流式涡轮 径流涡轮用于中、小型运输动力增压器。径流涡轮也是由静子和转子两个主要部件组成，转子进口气流方向为向心方向，出口变为轴向，气流先在静子中膨胀，并获得切向速度，之后进入转子，并对叶轮做功。在小膨胀比时流量随膨胀比提高而迅速增大，之后由于涡轮堵塞流量保持不变，

14、涡轮输出功率随膨胀增大而持续增加，并且对转速敏感。 ，在径流涡轮里气流在子午面上也发生径向向轴向的偏转。气流所有的偏转均会产生二次涡，并由此导致流动损失，二次流损失在径流涡轮里更严重。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器的机械设计特征涡轮增压器的机械设计特征 降低制造成本、在规定的使用寿命里保持性能基本恒定、避免严重失效是涡轮增压器机械设计的目标轴承是其中一个关键部件，其必须有足够的强度和韧性以抵抗由残余不平衡性和外部激振力导致的轴组件振动。最小的乘用车涡轮增压器转速会超过250,000 rpm，但大型船用涡轮增压器的转速远低于此。油润滑浮动轴承用于小型高速涡轮增压器，

15、多叶轴承（multi-lobe）或滚动轴承用于大型增压器。同时需采用止推轴承以承载轴向力。 转轴两端均需密封以避免润滑油和气体混合。混入空气通道的润滑油会气化燃烧，导致油烟和有害排放。若涡轮端的热气进入轴承箱，会加热润滑油，使其粘性降低，从而导致轴承过早失效。基于同样的原因，需要限制涡轮端热量通过热传导或热对流进入轴承箱加热润滑油。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器的机械设计特征涡轮增压器的机械设计特征轴承 双内侧布置是目前最常见的布置方式，普遍应用于大批量量生产的小型涡轮增压器上，同时也为许多大型增压器所采用。轴承箱为一简单刚性铸件，易于隔绝润滑油与气体。这种布置的

16、转子动力学特性是可接受的，尽管几乎不可能使前两阶转轴临界转速高于增压器的运行转速范围。因此要求轴承必须有足够的弹性以保证增压器在启动和停止时能通过这些临界转速。同时由于这种轴承拆卸比较困难，在设计时需保证足够的使用寿命和最小的维护量。轴承种类：浮动径向轴承、滚动轴承、空气轴承、止推轴承。轴承承受三个方面的动态负荷：转动件的不平衡、发动机运动产生的惯性力以及车辆运动产生的回转力。稳态负荷则源于气动加载、涡轮复合时的齿轮负荷和重力。通常转动件不平衡导致的力要大于其它任一力。压气机和涡轮是各自单独进行动平衡的。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器的机械设计特征涡轮增压器的机械

17、设计特征水冷中间体 对于采用内置式轴承的涡轮增压器，中间体位于两轮之间。轴承孔要求较高的机加工精度（通常为0.01mm）、高同轴度和良好的表面粗糙度。中间体材料可为铸铁或者铸铝。为保证热隔绝，设计是须尽量使涡轮端的轴承远离高温涡轮。对于工作于很高发动机排温的涡轮增压器，中间体可能需进行水冷。中间体存在较高温度梯度。隔绝涡轮端热气进入润滑油及压气机至关重要。过高的润滑油温会使润滑油品质退化及氧化，从而导致轴承失效；而当热量传递到压气机时会增加中冷需求。润滑油需确保良好润滑性能，并限制中间体温升。某些情况下会向涡轮端轴承直接喷油以进行冷却。同时中间体设计也要考虑其隔绝热对流与热传导的作用。通常在涡

18、轮与中间体之间安装由薄片金属压制而成的隔热屏以隔绝热。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配基于设计点工况的涡轮增压器与发动机匹配基于设计点工况的涡轮增压器与发动机匹配 市场竞争要求增压发动机具有良好的系统性能和燃油经济性，同时要求增压器的尺寸和质量尽可能小。往复式活塞发动机和旋转式叶轮机械的进、排气相互联通。压气机和涡轮之间具有能量传递（涡轮输出轴功等于压气机耗功和轴承系统耗功之和），当共轴时具有相同转速。各部件的压比需要互相兼容，同时匹配发动机的进、排气压力。任何匹配流程均需满足上述所有要求。当采用无容积扫气泵的两冲程发动机或具有

19、很大气门重叠角的四冲程发动机时，进、排气歧管的压力并非独立，因为在发动机循环过程中某段时间进、排气歧管的流动是相通的。这种情况下可以把发动机当成一个节流装置或者一个简单的孔，故可以通过进、排气歧管压力来计算发动机流量。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压发动机运行特性涡轮增压发动机运行特性 具有不同流动特性的部件联合工作导致了增压发动机系统运行的复杂性。四冲程发动机可视为容积式泵，在每个发动机循环内输运定量的气体，其体积流量几乎与发动机转速成正比。压气机具有不同的流动特性，其体积流量由进口流通面积和来流轴向速度决定。压气机转

20、速则决定了气体的切向速度和压气机耗功，但不直接影响气体速度的轴向分量，因此不直接影响流量。但在大流量时，叶轮内的相对速度会达到音速，并发生堵塞。故增压器转速会影响压气机的堵塞流量。涡轮可视为一个简单节流阀，相比之下对转速几乎不敏感。其流量在低膨胀比时随膨胀比增大迅速增加。 。假设发动机开始运行于较低转速（因此流量较低），此时涡轮的膨胀比很小，排气歧管压力和涡轮可用的废气能量均有限。当发动机加速到高转速（因此高流量）时，涡轮发生堵塞，其流量达到上限。增加实际流量需相应地增加涡轮进口压力，可使膨胀比和涡轮输出功率的快速增加。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压器与发动机的匹配

21、涡轮增压器与发动机的匹配涡轮增压器建模涡轮增压器建模 需要注意的是，气体经过整机，从空气变为混合气，最后成为废气，其压力和温度均发生很大变化，这使得理想气体的假设只能是近似。涡轮增压发动机系统设计和优化必须基于能够更好体现实际气体过程的模型，模型的核心为非稳态特性。零维模型将整个换气系统当做一系列相互连接的单个容腔。各容腔分别为：进气管、中冷器、进气歧管、气缸、排气歧管和排气管等，并假设各个容腔内气体参数是均匀分布的，并由于质量和能量的输入输出而随时间变化，因此系统中各处的质量和能量可以瞬间积聚或者消减；增压发动机气缸内过程模型主要是为进、排气歧管计算提供压力、温度边界条件，以及计算燃料燃烧引

22、起的气体特性变化。由于燃料在缸内燃烧所产生的功率通过曲轴输出，故发动机性能的准确预测很大程度上取决于缸内过程模型。发动机建模也需要压气机和涡轮特性以提供换气过程的边界条件。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压系统的发展涡轮增压系统的发展废气旁通阀 废气旁通阀是最简单的，也是应用最广的技术。中、小型涡轮增压器厂商都会有带废气旁通阀的增压器产品。旁通阀是一个简单的阀门装置，开启时可使部分废气不经过涡轮排出（图6.1）。发动机与涡轮的不同工作特性是旁通阀在高发动机转速时放气的原因。若涡轮匹配于发动机额定转速点，在发动机小转速、小流量工况涡轮的膨胀比和输出功率均较低，使得压气机压

23、比不足，导致较差的发动机低速特性和备用扭矩。若涡轮匹配于低转速工况，则发动机在高转速时的增压比会过大，导致压气机失速或缸压过高。若采用废气旁通阀，可将涡轮匹配于低转速工况，在高发动机转速时，将旁通阀打开以限制最高增压比。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压系统的发展涡轮增压系统的发展可变几何系统 由于发动机和增压器的工作特性不同，理想情况是在低转速时匹配较小流通能力的涡轮，在高转速时匹配较大流通能力的涡轮。在高速时废气旁通阀开启以增大废气流通面积而实现较好的匹配，但部分废气直接排出会导致能量损失。更好的方法是采用可在不同工况改变流通面积的涡轮。另一个应用是针对稀燃气体发动

24、机，其空燃比通常控制在很小的范围内以防止失火或者敲缸，同时也受制于严格的排放法规。通常采用未精炼天然气或沼气作为燃料，其燃料质量变化很大。此时采用可变几何系统可增强对不同燃料质量的适应性，且可变几何相比于常用的废气旁通阀等装置具有潜在的效率优势。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压系统的发展涡轮增压系统的发展涡轮复合 涡轮复合发动机的特征是发动机曲轴与废气涡轮之间有机械连接，二者存在功率传输。采用单独的动力涡轮是涡轮复合发动机最常用的型式，可使涡轮增压器转速独立于发动机转速。由于动力涡轮的进气密度较小，故尺寸较大，且转速低于增压器，这会简化其与发动机曲轴的传动。但对于大型

25、柴油机，这意味动力涡轮会非常大非常贵。串联结构更适用于中、小型发动机，因为并联结构所需的增压器和动力涡轮尺寸较小，但转速较高。动力涡轮的作用是增加曲轴输出功。但增压压气机需要耗功，发动机排气背压也会增加。故此时会有较大的泵气功，这会部分抵消动力涡轮带来的收益。由于动力涡轮的输出功率随发动机转速和负荷增大而增加，故涡轮复合更适合于高功率、高转速发动机。涡轮复合并不适合乘用车发动机，因其大部分时间工作于部分负荷工况。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压系统的发展涡轮增压系统的发展废气再循环（EGR） 一个减小NOx 排放的方法是将一部份发动机排气与新鲜空气混合重新导入气缸（废

26、气再循环，EGR）。由于废气具有较大的惰性，可稀释气缸内的新鲜空气，由此减小燃烧温度，抑制NOx 生成。废气再循环会对发动机空气系统设计施加特殊的约束，要求气缸排气压力大于进气压力，并通过压差驱动废气循环。涡轮增压系统设计也要满足该要求。 在燃烧室中导入额外的惰性废气会减小氧气量。为维持既定的输出功率，增压比需比无EGR 时更大。此外，在发动机低速大负荷工况，为减小碳烟生成需降低燃空比，为此需进一步增大增压比。对于大、中型柴油机，可能要采用多级串联增压才能达到足够高的增压比。大大学学University答辩答辩Defence涡轮增压系统的发展涡轮增压系统的发展电驱动涡轮增压器 大型涡轮增压发动机通常采用并联式涡轮复合系统，其动力涡轮连接发电机。严格来说这并非涡轮增压的新技术，而是由于船用领域对电能的需求，并且废气能量足以同时驱动增压涡轮和动力涡轮。由于动力涡轮较大，转速