第三章 发动机废气增压1

1、第三章第三章 汽车发动机废气涡轮增压汽车发动机废气涡轮增压 本章学习思路本章学习思路 （增压的目的）（增压的目的）为什么增压为什么增压 ？ 增压给内燃机的动力性、经济性、环保性带来的优势增压给内燃机的动力性、经济性、环保性带来的优势 如何增压如何增压 ？如何评价增压器的性能如何评价增压器的性能 ？ 涡轮机和压气机的特性涡轮机和压气机的特性 运用内燃机的动力性能指标、经济性指标和冲量运用内燃机的动力性能指标、经济性指标和冲量系数透析：系数透析：实例：大众新型实例：大众新型1.4L-TSI双增压器汽油直喷发动机双增压器汽油直喷发动机汽油机增压技术汽油机增压技术 特点与措施特点与措施 （结构与（结构

2、与原理）原理）资料来源：盖瑞特公司资料来源：盖瑞特公司简单回顾简单回顾 es第一节第一节 概述概述 从内燃机的从内燃机的性能指标和提高冲量系数性能指标和提高冲量系数的角度的角度透析提高发动机透析提高发动机功率的途径功率的途径 及增压的及增压的 优势优势 。由发动机有效功率由发动机有效功率Vs （D2/4）SPeiD2Snpme/ iD2Cmpme/加大内燃机的结构参数加大内燃机的结构参数? 提高转速提高转速? CmccmCm的的同时：燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命同时：燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命噪声噪声提高平均有效压力提高平均有效压力 ！ ！ 又有又有 pme 过量空气系数

3、过量空气系数 进入发动机气缸的进入发动机气缸的冲量密度冲量密度 由吸入空气量计算平均有效压力由吸入空气量计算平均有效压力 ，可推导得，可推导得 （教材（教材中略）中略） 假定增压前后内燃机的转速假定增压前后内燃机的转速n及过量空气系数及过量空气系数a保持不变保持不变一、发动机采用涡轮增压后带来的好处：一、发动机采用涡轮增压后带来的好处：1、因为有一部分排气能量被利用，、因为有一部分排气能量被利用，使进气得到压使进气得到压缩，换气过程形成正的泵气功缩，换气过程形成正的泵气功，所以增压后发动所以增压后发动机的指示热效率对机的指示热效率对it略有增加。机械效率略有增加。机械效率 m也随也随增压度的提

4、高而有所提高增压度的提高而有所提高。2、增压后发动机的、增压后发动机的进气密度进气密度s增加，若采用增增加，若采用增压中冷，发动机的进气温度降低，压中冷，发动机的进气温度降低， s更高更高。因。因为有为有扫气作用，发动机缸内残余废气系数降低，扫气作用，发动机缸内残余废气系数降低，同时减少了对进气加热作用，使充量系数同时减少了对进气加热作用，使充量系数c提提高。高。 增压技术除具有提高发动机的动力性与经济性的优势外，还表增压技术除具有提高发动机的动力性与经济性的优势外，还表现在：现在： l）增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动）增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使

5、发动机在总质量和体积基本不变的条件下，机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单因而可以降低单位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。益更加突出。 2）与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，）与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，排气噪声有所降低排气噪声有所降低。 3）内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达）内燃机增压后

6、有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能。到或接近平原性能。 4）柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩）柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短。短。 5）增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，）增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟和碳烟排放降低排放降低。 6）技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各）技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动机。种缸径的发动机。二、二、增压优势的取得所需要花费的代价增压优势的取得所需要花费的代价 l）增压后缸内工作压力和温度明显提高，）增压后缸内工作压力和温度明

7、显提高，机械负荷及热机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。 2）低速时由于排气能量不足，可能会使）低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转发动机的低速转矩受到一定影响矩受到一定影响，对工程机械和车用造成不利影响。，对工程机械和车用造成不利影响。 3）在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力）在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以的建立需要一定的时间，所以内燃机的加速响应性能较自内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差然吸气机型差（在低速段出现加速滞后现象（在低速段出现加速滞后现象 lag）。 4）

8、增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器）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，其中的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小，性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小，质量轻、效率高。质量轻、效率高。基本知识基本知识 ：增压度增压度 增压比增压比 内燃机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。内燃机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。 增压后功率增压后功率 一般一般 ，车用发动机，车用发动机1060增压比增压比 k=pk/p0即增压后气体压力与增压前气体压力之比即增压后

9、气体压力与增压前气体压力之比增压前功率增压前功率k1.31.6 对应对应pme7001000kpa k1.62.5 对应对应pme10001500kpa 低增压低增压 k2.5 对应对应pme1500kpa 中增压中增压 高增压高增压 最大功率最大功率(kW/r/min)125/5500最大扭距最大扭距(N.m/r/min)235/2000-4500油耗油耗(L/100Km)6.6排放排放欧四欧四华晨华晨1.8T发动机参数发动机参数 机械增压机械增压 涡轮增压涡轮增压 单涡轮增压系统单涡轮增压系统利用废气能量利用废气能量 推动涡轮推动涡轮 ，再带动压气机再带动压气机 ，所以，比机械，所以，比机

10、械增压器效率高增压器效率高 中冷器中冷器谐振室谐振室双涡轮增压系统双涡轮增压系统 旁通阀旁通阀 第二节涡轮增压器的基本结构及工作原理第二节涡轮增压器的基本结构及工作原理 压气机压气机涡轮机涡轮机转子的转速有多高？转子的转速有多高？叶片式喷管叶片式喷管 废气废气 涡壳涡壳 废气在涡轮机废气在涡轮机 内部流动情况内部流动情况 涡轮叶轮涡轮叶轮废气从涡壳进入废气从涡壳进入 气流在收缩截面的通道流动时，气体压力、温度降低，流气流在收缩截面的通道流动时，气体压力、温度降低，流速增加速增加涡轮壳涡轮壳喷嘴叶片喷嘴叶片 叶片叶片 气流在扩压管内流动，降速增压气流在扩压管内流动，降速增压 收集扩压管收集扩压管

11、流出的空气流出的空气离心式压气机离心式压气机 压力增加压力增加 继续降速增压继续降速增压 进气道进气道 工作轮工作轮 扩压器扩压器出气蜗壳出气蜗壳 压气机中气流参数的变化压气机中气流参数的变化 绝热效率绝热效率 增压比增压比 流量流量 喘振线喘振线 在一定的转速下，当压气在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程机的气体流量减小到一定程度后，度后，气体就会气体就会在叶轮或扩在叶轮或扩压器入口处出现边界层的分压器入口处出现边界层的分离，导致气体回流离，导致气体回流。分离涡分离涡流迅速扩展到压气机的其他流迅速扩展到压气机的其他部分，部分，气流出现强烈的振气流出现强烈的振荡，引起工作轮叶片强荡，

12、引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大烈的振动，并产生很大的噪声的噪声，这一现象称为压这一现象称为压气机的气机的喘振喘振。把出现喘振。把出现喘振的工作点称为的工作点称为喘振点喘振点，对应，对应的流量就是喘振流量。的流量就是喘振流量。什么叫喘振？什么叫喘振？堵塞堵塞 在某一增压器转速下，当流量超过设计工况到一定数值后，压在某一增压器转速下，当流量超过设计工况到一定数值后，压气机的增压比和效率均急速下降，而流量却不会再增加，这一现象气机的增压比和效率均急速下降，而流量却不会再增加，这一现象称为压气机的堵塞。称为压气机的堵塞。产生产生压气机堵塞的原因是通道中某个截面上的压气机堵塞的原因是通道中某个截面

13、上的气流速度达到当地声速（临界状态），从而限制了流量的增加气流速度达到当地声速（临界状态），从而限制了流量的增加。压。压气机堵塞时所对应的气体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压气气机堵塞时所对应的气体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压气机所对应的最大流量。通常人为地规定当效率降低到机所对应的最大流量。通常人为地规定当效率降低到 55时，就时，就认为出现了堵塞。认为出现了堵塞。 当压气机流量超过设计值时，尽管也会发生气流与壁面的分离当压气机流量超过设计值时，尽管也会发生气流与壁面的分离现象，但由于气流惯性的存在，使得发生分离的气体受到其他气体现象，但由于气流惯性的存在，使得发生分离的气体受到其他

14、气体的压缩而局限在入口边缘，无法扩展到整个叶片通道，故不会产生的压缩而局限在入口边缘，无法扩展到整个叶片通道，故不会产生喘振，但撞击损失却是增大了。研究表明，出现堵塞的临界截面位喘振，但撞击损失却是增大了。研究表明，出现堵塞的临界截面位置一般置一般出现在叶片扩压器的进口喉部附近或是工作轮叶片进口的喉出现在叶片扩压器的进口喉部附近或是工作轮叶片进口的喉部附近部附近。压气机堵塞后，流量便不能再增加，因此只能通过提高压。压气机堵塞后，流量便不能再增加，因此只能通过提高压气机的转速，才能获得更高的流量。气机的转速，才能获得更高的流量。 离心式压气机在大流量时可能发生堵塞，在小流量时离心式压气机在大流量

15、时可能发生堵塞，在小流量时又可能引起喘振，又可能引起喘振，因此在设计或选配时应设法保证压气机因此在设计或选配时应设法保证压气机具有宽广的工作范围，以满足增压发动机的运转要求。具有宽广的工作范围，以满足增压发动机的运转要求。涡轮增压器 进气道进气道 EGR 管管 中冷器中冷器 排气管排气管 中冷器中冷器涡轮增压器实物涡轮增压器实物 涡轮增压器实物涡轮增压器实物 涡轮增压器的两个难题：涡轮增压器的两个难题：发动机转速很高时，涡轮转速也很高，压缩空气量超出需要。发动机转速很高时，涡轮转速也很高，压缩空气量超出需要。发动机转速较低时，涡轮转速达不到所需要的转速，空气压缩不发动机转速较低时，涡轮转速达不到所需要的转速，空气压缩不足，发动机功率达不到要求。（增压滞后）足，发动机功率达不到要求。（增压滞后）增大发动机的扭增大发动机的扭矩，从而提高发矩，从而提高发动机功率动机功率。旁通阀式涡轮增压