增压技术第一章

1、内燃机增压内燃机增压技术技术孙万臣2增压技术课程介绍 v总学时：32 试验：2学时v课程性质：专业选修课v上课时间：2-16周，周一3、4节v地点：逸夫教学楼 B215v授课教师：孙万臣3增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、增加进气量。增压可以增加发动机功率、改善燃油经济性以及良好的加速性。4增压技术课程介绍 v教学目的：教学目的：v初步了解和掌握内燃机增压的基本原理和方初步了解和掌握内燃机增压的基本原理和方法法v了解内燃机增压技术的发展趋势了解内燃机增压技术的发展趋势v掌握废气涡轮增压与内燃机的匹配方法掌握废气涡轮增压与内燃机的匹配方法v汽油机增压和柴油机增压的差别及特点

2、等。汽油机增压和柴油机增压的差别及特点等。 5增压技术课程介绍 v教学内容：教学内容：v第一章第一章 内燃机增压技术概论内燃机增压技术概论v1-1车用内燃机增压的意义和特点车用内燃机增压的意义和特点v1-2 内燃机增压的分类内燃机增压的分类v1-3 内燃机增压技术的发展及展望内燃机增压技术的发展及展望v第二章第二章 涡轮增压器的构造和原理涡轮增压器的构造和原理v2-1 涡轮增压器的结构概述涡轮增压器的结构概述v2-2 离心式压气机离心式压气机v2-3 径流式涡轮机径流式涡轮机6增压技术课程介绍 v第三章第三章 内燃机增压的基本问题内燃机增压的基本问题v3-1 增压对内燃机参数的影响增压对内燃机

3、参数的影响v3-2 换气过程的计算换气过程的计算v3-3 内燃机流通特性内燃机流通特性v第四章第四章 涡轮增压器与内燃机的匹配涡轮增压器与内燃机的匹配v4-1 废气能量的利用废气能量的利用v4-2 废气涡轮增压的两种基本形式和特点废气涡轮增压的两种基本形式和特点v4-3 脉冲增压系统中影响废气能量利用的主要因素脉冲增压系统中影响废气能量利用的主要因素v4-4 涡轮增压器与内燃机的匹配及其计算涡轮增压器与内燃机的匹配及其计算v4-5 涡轮增压器平衡运行点的求法涡轮增压器平衡运行点的求法7增压技术课程介绍 v第五章第五章 车用增压柴油机的性能优化车用增压柴油机的性能优化v5-1 车用增压柴油机的要

4、求和限制车用增压柴油机的要求和限制v5-2 供油系统的优化供油系统的优化v5-3 配气机构的优化配气机构的优化v5-4 进排气系统的优化进排气系统的优化v5-5 增压空气的冷却增压空气的冷却v5-6 典型的车用柴油机增压系统典型的车用柴油机增压系统8增压技术课程介绍 v第六章第六章 车用汽油机增压车用汽油机增压v6-1 车用汽油机增压的特点车用汽油机增压的特点v6-2 汽油机增压的对策汽油机增压的对策v6-3 典型汽油机增压系统典型汽油机增压系统v第七章第七章 其它的增压方式其它的增压方式v7-1 气波增压气波增压v7-2 谐振涡轮负荷增压谐振涡轮负荷增压v7-2 机械增压系统机械增压系统 9

5、主要参考文献 v1、周龙保主编周龙保主编.内燃机学内燃机学.机械工业出版社，机械工业出版社，2003v2 、陆家祥编著、陆家祥编著.车用内燃机增压车用内燃机增压. 机械工业出版社，机械工业出版社，1993v3 、陆家祥主编、陆家祥主编.柴油机涡轮增压技术柴油机涡轮增压技术. 机械工业出版社，机械工业出版社，1999v4 、蒋德明编著、蒋德明编著.内燃机的涡轮增压内燃机的涡轮增压. 机械工业出版社，机械工业出版社，1986v5 、朱大鑫著、朱大鑫著.涡轮增压与涡轮增压器涡轮增压与涡轮增压器.机械工业出版社，机械工业出版社，1992v6、顾宏中、顾宏中 邬静川编著邬静川编著.柴油机增压及其性能优化

6、柴油机增压及其性能优化.上海交通上海交通大学出版社，大学出版社，1989v7、西德西德K奇纳著，侯玉堂，禹惠生译奇纳著，侯玉堂，禹惠生译.内燃机增压与匹内燃机增压与匹配配理论、计算及实例理论、计算及实例.国防工业出版社，国防工业出版社，198210第一章内燃机增压技术概论v1-1 车用内燃机增压的意义和特点车用内燃机增压的意义和特点v1、增压的意义、增压的意义v有内燃机原理可知：有内燃机原理可知：=1.1-1.3,=1.1-1.3,A/F=14-17 30niVhpePeiVhpeTtq3 .318 Pe pe Ttq pe11第一章 内燃机增压技术概论 ssuveusveTPlHlHPe00

7、485. 31000TsRPssmie12第一章 内燃机增压技术概论v由上式可得出结论：采用增压后具有如下的优点：v（1）Pss peTtqPev s i TtqPev（2）升功率NL ，比质量30npeNL13第一章 内燃机增压技术概论v（3）实现高原恢复功率）实现高原恢复功率v（4）降低燃油消耗率）降低燃油消耗率v e= i .mv i ev（5）相同排量机型，增压机成本低，提）相同排量机型，增压机成本低，提高材料的利用率高材料的利用率ueeb3106 . 314第一章 内燃机增压技术概论v（6）改善排放v（7）减少排气噪声（排气在涡轮中进一步膨胀）v 非增压：排气压力=排气压力波+噪声波

8、v 增压：排气压力涡轮压力噪声降低v（但压气机扩压器亦形成噪声源）COHC PT 15第一章 内燃机增压技术概论v（8）增压后，压缩终点的温度和压力增加，可缩短滞燃期，有利于降低燃烧噪声。v（9）采用废气涡轮增压：结构简单，安装方便，技术适用性广，从低速到高速、从二冲程到四冲程、大缸径到小缸径都可应用。16v增压的代价v1）机械负荷、热负荷增加，影响内燃机的可靠性；v2）低速时排气能量不足，使低速扭矩受到影响；v3）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一定时间，是加速性变差。v4）增压发动机性能的进一步优化，受到增压器和中冷器的限制。v增压器的问题主要集中在材料、耐热性能、润滑

9、、效率等。v中冷器要求体积小、效率高、质量轻。17第一章 内燃机增压技术概论v二、车用内燃机增压特点二、车用内燃机增压特点v1、工况变化范围大（面工况）涡轮增压器与内、工况变化范围大（面工况）涡轮增压器与内燃机匹配难以兼顾高、低速工况燃机匹配难以兼顾高、低速工况v2、为增强超载能力，要求低速大扭矩、为增强超载能力，要求低速大扭矩v要求提高涡轮增压器的低速性能，要求提高涡轮增压器的低速性能，进气量进气量v3、汽车要有良好的加速性汽车要有良好的加速性v增压器转子存在惯性使其响应滞后，另外来自增压器转子存在惯性使其响应滞后，另外来自废气的能量已存在滞后，使得增压机型加速性废气的能量已存在滞后，使得增

10、压机型加速性较差。较差。扭矩储备系数扭矩储备系数适应性系数适应性系数18第一章 内燃机增压技术概论v 改善加速性措施：改善加速性措施：降低转动惯量降低转动惯量轻质材料（陶瓷涡轮）轻质材料（陶瓷涡轮）增压器小型化增压器小型化4、要求增压器及增压系统成本低、要求增压器及增压系统成本低5、要求增压器效率高，尽量降低进气温度，充分利用、要求增压器效率高，尽量降低进气温度，充分利用排气能量排气能量19第一章 内燃机增压技术概论010001000001111111kkkkkkkkkkkkkkkkkTppppppTTTTpp201-2 内燃机增压的分类v一、按增压器分：机械增压：适用于低增压机械增压：适用于

11、低增压 （采用离心式压气机时：（采用离心式压气机时：Pk1.8bar； 采用罗茨泵时采用罗茨泵时, Pk1.4bar ）废气涡轮增压废气涡轮增压利用废气能量、效率高利用废气能量、效率高复合式增压复合式增压改善低负荷及起动性能改善低负荷及起动性能气波增压气波增压进排气压力转换进排气压力转换211-2 内燃机增压的分类机械增压机械增压221-2 内燃机增压的分类v1、机械增压、机械增压v所谓机械式增压器是指增压器的压气机转子由发动机曲轴通所谓机械式增压器是指增压器的压气机转子由发动机曲轴通过过齿轮、皮带或链条齿轮、皮带或链条等传动装置来驱动旋转，从而将空气压等传动装置来驱动旋转，从而将空气压缩并送

12、入发动机气缸，达到增压的目的。缩并送入发动机气缸，达到增压的目的。v这种增压器响应迅速，但由于需要额外的传动装置，机械式这种增压器响应迅速，但由于需要额外的传动装置，机械式增压器的结构比较复杂，体积较大，同时还要消耗一定的发增压器的结构比较复杂，体积较大，同时还要消耗一定的发动机有效功率，因此燃料经济性会受到一些影响。动机有效功率，因此燃料经济性会受到一些影响。 v由于增压器由内燃机曲轴直接驱动，充量在增压器中第一次由于增压器由内燃机曲轴直接驱动，充量在增压器中第一次压缩所需能量直接由内燃机的指示功提供，是内燃机的机械压缩所需能量直接由内燃机的指示功提供，是内燃机的机械效率效率m降低。降低。2

13、31-2 内燃机增压的分类v1、机械增压、机械增压v特点：特点：v1）内燃机转速变化可直接导致压气机流量变化，加速性好；）内燃机转速变化可直接导致压气机流量变化，加速性好；v2）采用高速调节和脱开等控制技术，可改善低速扭矩；）采用高速调节和脱开等控制技术，可改善低速扭矩；v3）对排气无干扰，可用于高排气被压得特殊场合（如水下）对排气无干扰，可用于高排气被压得特殊场合（如水下）v4）消耗发动机的功率，驱动附件损失增加，机械效率下降，）消耗发动机的功率，驱动附件损失增加，机械效率下降，油耗高；油耗高；v适用于增压度不高的发动机（如汽油机）适用于增压度不高的发动机（如汽油机）241-2 内燃机增压的

14、分类v1、机械增压、机械增压v驱动方式：驱动方式：齿轮、皮带或链条齿轮、皮带或链条v增压器分类：增压器分类：v1）叶片式）叶片式v2）容积式）容积式离心式又称径流式（常用，可实现大离心式又称径流式（常用，可实现大流量，适用于大型发动机）流量，适用于大型发动机）轴流式（类似轴流风扇）轴流式（类似轴流风扇）活塞式（往复活塞式）活塞式（往复活塞式）旋转式旋转式滑片泵滑片泵罗茨泵（常用，适用于小型内罗茨泵（常用，适用于小型内燃机）燃机）螺杆泵（内部压缩、效率高）螺杆泵（内部压缩、效率高）251-2 内燃机增压的分类v机械增压的用法：机械增压的用法：v（1）单独使用）单独使用v（2）与涡轮增压器联合使用

15、）与涡轮增压器联合使用v涡轮增压涡轮增压+机械增压机械增压v高速时高速时 低速时低速时v优点：（优点：（1）加速性、低速扭矩特性好）加速性、低速扭矩特性好v （2）工况变化范围大）工况变化范围大v （3）排气背压低、容积效率高、泵气损失小）排气背压低、容积效率高、泵气损失小v缺点缺点：（：（1）消耗一定功率，体积大、噪声大、成本高）消耗一定功率，体积大、噪声大、成本高v （2）使用、安装不方便，寿命短、效率低）使用、安装不方便，寿命短、效率低并联并联串联串联262 、废气涡轮增压废气涡轮增压废气涡轮增压272、废气涡轮增压废气涡轮增压v废气涡轮增压是目前最有效的增压方式。废气涡轮增压是目前最有

16、效的增压方式。v分类：分类：v1）按流向分）按流向分v2）按工作原理分）按工作原理分v3）按压比分（增压比）按压比分（增压比）v（1）低增压）低增压 k 1.7v（2）中增压）中增压 1.7 k 2.5v（3）高增压）高增压 2.5k 4.0v（4）超高增压）超高增压k 4.0轴流式轴流式径流式径流式冲动式冲动式反动式反动式0ppkk282、废气涡轮增压废气涡轮增压v4）按涡轮级分）按涡轮级分v5）按内燃机分）按内燃机分单级单级多级多级柴油机增压柴油机增压汽油机增压汽油机增压气体燃料发动机增压气体燃料发动机增压汽油机增压的难点：汽油机增压的难点：1、进气系统中节气门的存在使得发动机在低速小负荷

17、时压气机容易发生喘振、进气系统中节气门的存在使得发动机在低速小负荷时压气机容易发生喘振涡轮增压的困难。涡轮增压的困难。2、汽油机增压后爆燃倾向增加。、汽油机增压后爆燃倾向增加。3、汽油机混合气的过量空气系数小，燃烧温度高，增压后发动机和涡轮增压器、汽油机混合气的过量空气系数小，燃烧温度高，增压后发动机和涡轮增压器的热负荷高。的热负荷高。4、汽油机转速高，范围广，发动机和增压器匹配困难。、汽油机转速高，范围广，发动机和增压器匹配困难。5、涡轮增压汽油机的加速性较差（增压器叶轮的惯性），尤其是低速加速性差。、涡轮增压汽油机的加速性较差（增压器叶轮的惯性），尤其是低速加速性差。292、废气涡轮增压废

18、气涡轮增压v6）按涡轮能量形式分）按涡轮能量形式分定压增压定压增压脉冲增压脉冲增压 定压增压定压增压 脉冲增压脉冲增压302、废气涡轮增压废气涡轮增压v7）按内燃机冲程分）按内燃机冲程分四冲程四冲程二冲程：二冲程：由于为保证可靠扫气，耗气由于为保证可靠扫气，耗气量大，量大，排温低，涡轮可用能量少，排温低，涡轮可用能量少，常用机械增压或机械涡轮复合增压常用机械增压或机械涡轮复合增压3、其他增压方式1）气波增压气波增压 2）进气谐振增压）进气谐振增压3）惯性增压）惯性增压4）复合增压）复合增压改善低负荷及起动性能改善低负荷及起动性能5）低温增压（米勒增压）低温增压（米勒增压）利用可变配气相位利用可

19、变配气相位VVT，改变进气门关闭角，控制缸内压缩温度。改变进气门关闭角，控制缸内压缩温度。 （可变压缩（可变压缩比，前提是增加增压压力，保持充气量不变或增加）比，前提是增加增压压力，保持充气量不变或增加）313、其他增压方式3、其他增压方式1）气波增压气波增压 气波式增压器通过特殊的转子使废气与气波式增压器通过特殊的转子使废气与空气接触，利用高压废气对低压空气产生空气接触，利用高压废气对低压空气产生的压力波，迫使空气压缩，从而提高进气的压力波，迫使空气压缩，从而提高进气压力。压力。 气波式增压器具有充气效率高、低速扭气波式增压器具有充气效率高、低速扭矩大，加速性好等优点。矩大，加速性好等优点。

20、 但由于它的特殊结构，气波式增压器同但由于它的特殊结构，气波式增压器同样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。样存在体积大、重量大、噪音大等缺点。另外，空气压力波对进、排气阻力过于敏另外，空气压力波对进、排气阻力过于敏感，要求进气滤清器及排气消声器和管道感，要求进气滤清器及排气消声器和管道尽可能的加大尺寸并减小阻力。尽可能的加大尺寸并减小阻力。 由于存在许多问题，气波式增压器目前由于存在许多问题，气波式增压器目前仍处于研究试验阶段。仍处于研究试验阶段。 323、其他增压方式2）进气谐振增压进气谐振增压利用由谐振箱的容积、谐振管的长度和直径所决定的共振频率与汽缸利用由谐振箱的容积、谐振管的长度和直径

21、所决定的共振频率与汽缸工作频率一致时，在谐振箱管系内产生非常大的压力振动（叫共振或谐工作频率一致时，在谐振箱管系内产生非常大的压力振动（叫共振或谐振）。振）。当压力为最大值时，恰好进气门关闭，这时进气充量最大。当压力为最大值时，恰好进气门关闭，这时进气充量最大。用转换阀来改变谐振系的管长，从而改变谐振所对应的转速，即最大用转换阀来改变谐振系的管长，从而改变谐振所对应的转速，即最大扭矩所对应的转速。扭矩所对应的转速。图图3.37 是是V-6 发动机，利用转换阀将六个汽缸隔为每发动机，利用转换阀将六个汽缸隔为每3 个缸为一组的谐个缸为一组的谐振增压系统。振增压系统。 333、其他增压方式3）惯性增

22、压惯性增压惯性增压是利用空气在进气歧管中的惯性效应、脉冲波动惯性增压是利用空气在进气歧管中的惯性效应、脉冲波动效应及其综合效应来提高发动机气缸充气效率的方法。效应及其综合效应来提高发动机气缸充气效率的方法。惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴控制气门的开启角惯性增压器通过特殊几何形状的凸轮轴控制气门的开启角度及时间：气缸在前半个进气行程中，进气门只开启很小的度及时间：气缸在前半个进气行程中，进气门只开启很小的通过截面，使气缸中形成一定的负压，当活塞走过半个进气通过截面，使气缸中形成一定的负压，当活塞走过半个进气行程后，进气门迅速开启，很快达到最大通过截面，此时空行程后，进气门迅速开启，很快达到最

23、大通过截面，此时空气以很高的速度冲入气缸。气以很高的速度冲入气缸。从某种意义上来说，惯性增压在很大程度上推动了发动机从某种意义上来说，惯性增压在很大程度上推动了发动机技术的发展，目前的可变进气歧管长度技术及可变气门控制技术的发展，目前的可变进气歧管长度技术及可变气门控制系统（如系统（如丰田丰田的的VVT-i技术）均得益于这一原理。技术）均得益于这一原理。 343、其他增压方式4）复合增压系统）复合增压系统串联式复合增压系统：串联式复合增压系统：空气先经过涡轮增压器提高压力后，进入中间冷却器降温，空气先经过涡轮增压器提高压力后，进入中间冷却器降温，再经机械增压器增压。再经机械增压器增压。这种增压

24、方式主要用于高增压发动机上。这种增压方式主要用于高增压发动机上。并联式复合增压系统：并联式复合增压系统：由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空由机械增压器和涡轮增压器同时向发动机供给增压后的空气。气。在低速范围内主要靠机械增压，而在高转速范围内主要靠在低速范围内主要靠机械增压，而在高转速范围内主要靠涡轮增压。涡轮增压。这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善。这种增压系统使发动机低转速转矩特性得到改善。351-3 内燃机增压技术的发展和展望v一、历史回顾一、历史回顾v涡轮增压的历史大概和内燃机的历史一样久远。发动机增压技术首先来自于德涡轮增压的历史大概和内燃机的历史一样久远。发动

25、机增压技术首先来自于德国人的创意，国人的创意，1880年德国人开始着手研究发动机增压技术，并在一战期间应用年德国人开始着手研究发动机增压技术，并在一战期间应用于飞机上，当时采用的是机械式增压器，这项技术的发明使得当时的航空发动于飞机上，当时采用的是机械式增压器，这项技术的发明使得当时的航空发动机能够尽可能的轻量化。机能够尽可能的轻量化。v1885年戈特利年戈特利.戴姆勒（戴姆勒（Gottlieb Daimler ）提出了煤气机和汽油机增压，）提出了煤气机和汽油机增压，1921年，装有增压器的汽油机汽车第一次参加汽车比赛（机械式罗茨泵压气机，为年，装有增压器的汽油机汽车第一次参加汽车比赛（机械式

26、罗茨泵压气机，为防止爆燃，压气机只在高速时起作用）。防止爆燃，压气机只在高速时起作用）。v1893年鲁道夫年鲁道夫.迪塞尔（迪塞尔（Rudolf Diesel）在）在MAN公司制成第一台柴油机，经过公司制成第一台柴油机，经过三年试验后，三年试验后， 1896年有制造了一台新的试验机，第一次发明了增压柴油机。利年有制造了一台新的试验机，第一次发明了增压柴油机。利用活塞下部空间把空气吸入，当活塞下行时对空气进行压缩，然后通过一个中用活塞下部空间把空气吸入，当活塞下行时对空气进行压缩，然后通过一个中间容器把空气输送到燃烧室，这就是最初的机械增压。但由于有效效率低使经间容器把空气输送到燃烧室，这就是最

27、初的机械增压。但由于有效效率低使经济性明显下降。（在活塞下部设计为增压泵，由于机械损失达，济性明显下降。（在活塞下部设计为增压泵，由于机械损失达，ge）。）。v1901年年MAN公司又设计了用一台往复式压气机把经过压缩的空气在上止点前吹公司又设计了用一台往复式压气机把经过压缩的空气在上止点前吹入柴油机气缸。后来有用外部传动的回转式鼓风机把压力为入柴油机气缸。后来有用外部传动的回转式鼓风机把压力为1.11.3bar的空气的空气送入柴油机进气管，这些都是送入柴油机进气管，这些都是利用外部能源对柴油机进行增压利用外部能源对柴油机进行增压。361-3 内燃机增压技术的发展和展望v一、历史回顾一、历史回

28、顾v1905年瑞典人比希（年瑞典人比希（Alfred Buchi）博士提出了）博士提出了废气涡轮增压废气涡轮增压，把一台，把一台四冲程柴油机、一台多级涡轮和一台多级轴流式压气机安装在一根轴上，四冲程柴油机、一台多级涡轮和一台多级轴流式压气机安装在一根轴上，组成一台复合式发动机。压气机出口压力为组成一台复合式发动机。压气机出口压力为0.30.4MPa，涡轮进口压，涡轮进口压力为力为1.6MPa，由于排气背压过高，泵气损失增加，同时由于扫气不好，由于排气背压过高，泵气损失增加，同时由于扫气不好，缸内残余废气增加，严重影响了充气效率，导致失败。在当时这一概念缸内残余废气增加，严重影响了充气效率，导致

29、失败。在当时这一概念并不被多数人所接受。并不被多数人所接受。v1911年苏而寿（年苏而寿（Sulzer）兄弟公司在瑞典的）兄弟公司在瑞典的Winterthur成立，成立，Alfred Buchi成为该公司的总工程师，成为该公司的总工程师，1914年完成了废气涡轮增压柴油机的首年完成了废气涡轮增压柴油机的首次台架试验。次台架试验。v 1923年，德国交通部采用比希设计的增压器，在两艘德国客轮首次成年，德国交通部采用比希设计的增压器，在两艘德国客轮首次成功应用了功应用了 2000 马力的四冲程十缸涡轮增压柴油机，功率提高了马力的四冲程十缸涡轮增压柴油机，功率提高了40%，平均有效压力提高到平均有效

30、压力提高到1.1MPa，在航运史上首次实现了涡轮增压在航运史上首次实现了涡轮增压，这也，这也促使促使Buchi博士的废气涡轮增压器很快在欧洲、美国和日本获得了生产博士的废气涡轮增压器很快在欧洲、美国和日本获得了生产权。权。371-3 内燃机增压技术的发展和展望v一、历史回顾v1925年，比希获得年，比希获得脉冲增压的专利脉冲增压的专利。1926年比希采用年比希采用BBC公司研制的公司研制的由一级轴流式涡轮和两级离心式压气机组成的涡轮增压器在瑞士机车厂由一级轴流式涡轮和两级离心式压气机组成的涡轮增压器在瑞士机车厂的四缸、四行程柴油机上进行了试验，功率提高的四缸、四行程柴油机上进行了试验，功率提高

31、30-40%。1927年又在年又在一台六缸柴油机上进行了试验，均获得成功，功率提高了一倍，这是脉一台六缸柴油机上进行了试验，均获得成功，功率提高了一倍，这是脉冲增压的初次实现。但由于涡轮增压器体积大、效率低、成本高制约了冲增压的初次实现。但由于涡轮增压器体积大、效率低、成本高制约了推广应用。推广应用。v从从20世纪世纪30年代开始，轴流式涡轮增压器被大量运用到船只、有轨机动年代开始，轴流式涡轮增压器被大量运用到船只、有轨机动车及固定式机器。二战期间美军也将这种废气涡轮增压器应用于作战飞车及固定式机器。二战期间美军也将这种废气涡轮增压器应用于作战飞机。机。 v虽然发动机增压技术的应用能够在不改变

32、发动机工作容积的情况下提高虽然发动机增压技术的应用能够在不改变发动机工作容积的情况下提高发动机功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于当时的技术条件所限，发动机功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于当时的技术条件所限，增压技术应用于汽车领域一直未获得更大的进展。增压技术应用于汽车领域一直未获得更大的进展。 381-3 内燃机增压技术的发展和展望v一、历史回顾一、历史回顾v1937年法国人牛尔首次把径流式涡轮应用于增压器，叶轮与轴焊成一个年法国人牛尔首次把径流式涡轮应用于增压器，叶轮与轴焊成一个整体，强度较高，转速得已大幅提高，重量尺寸大大降低，废气涡轮增整体，强度较高，转速得已大幅提高，重量尺寸大大

33、降低，废气涡轮增压技术产生了一次飞跃。压技术产生了一次飞跃。v20世纪世纪40年代后期，航空燃气轮机的出现引起了材料技术与设计方面的年代后期，航空燃气轮机的出现引起了材料技术与设计方面的重大革新。这对涡轮增压的发展产生了意义深远的影响，其中包括耐热重大革新。这对涡轮增压的发展产生了意义深远的影响，其中包括耐热材料的发展、开发高温材料的精密铸件技术等，这引发了径流涡轮机的材料的发展、开发高温材料的精密铸件技术等，这引发了径流涡轮机的研究，以及研究，以及径流涡轮增压径流涡轮增压在小型车用柴油机上的应用。在小型车用柴油机上的应用。v50年代初，年代初，滑动轴承滑动轴承的发明，也成为废气涡轮增压技术进

34、一步发展的基的发明，也成为废气涡轮增压技术进一步发展的基础，借助滑动轴承，涡轮转速突破础，借助滑动轴承，涡轮转速突破100000rpm大关。目前的废气涡轮增大关。目前的废气涡轮增压器转速普遍能够达到压器转速普遍能够达到150000-170000，这样高的转速是传统的滚珠轴，这样高的转速是传统的滚珠轴承所无法达到的。承所无法达到的。v这种转速高、体积小、重量轻的涡轮增压器的问世，为车用内燃机增压这种转速高、体积小、重量轻的涡轮增压器的问世，为车用内燃机增压创造了条件。创造了条件。 391-3 内燃机增压技术的发展和展望v一、历史回顾v接下来的接下来的20世纪世纪50年代，康明斯、沃尔沃和斯堪尼亚

35、等主要的发动机制年代，康明斯、沃尔沃和斯堪尼亚等主要的发动机制造商开始研究在卡车上运用废气涡轮增压器技术，这些增压器由造商开始研究在卡车上运用废气涡轮增压器技术，这些增压器由Elliot和和Eberspacher提供。提供。v最初，因增压器自身体积过大，这些早期的设计并未成功。后来，德国最初，因增压器自身体积过大，这些早期的设计并未成功。后来，德国工程师工程师Kurt Beirer设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增压器。该专利被设计出了一台结构紧凑的废气涡轮增压器。该专利被Indianapolis的的Schwitzer认购。认购。 v1952年，使用康明斯废气涡轮增压发动机的赛车在年，使用康明斯

36、废气涡轮增压发动机的赛车在Indianapolis赛道的赛道的比赛中夺得冠军。比赛中夺得冠军。v1953年美国年美国Garrett公司的涡轮增压器首次安装在公司的涡轮增压器首次安装在Caterpillar 公司的公司的D9拖拉机上，在提高柴油机功率和改善燃油经济性方面取得了良好的效果。拖拉机上，在提高柴油机功率和改善燃油经济性方面取得了良好的效果。 v1954年康明斯生产出了一系列型号的发动机，年康明斯生产出了一系列型号的发动机，VT12、6缸缸NT，NRTs和和JTs 。同年，沃尔沃生产了首台使用废气涡轮增压技术的柴油卡车。同年，沃尔沃生产了首台使用废气涡轮增压技术的柴油卡车TD96AS，额

37、定功率为，额定功率为185马力，与自然吸气式马力，与自然吸气式D96AS相比提高了相比提高了35 马马力，同时还有着不错的燃油经济性。力，同时还有着不错的燃油经济性。 401-3 内燃机增压技术的发展和展望v从从60年代起，国外开始在车用柴油机上大量采用增压技术。年代起，国外开始在车用柴油机上大量采用增压技术。v从从60年代末到年代末到70年代初，排放法规的实施进一步促进了增年代初，排放法规的实施进一步促进了增压及增压中冷技术的应用与发展，有效的改善了柴油机的效压及增压中冷技术的应用与发展，有效的改善了柴油机的效率和降低了率和降低了NOx 的排放。的排放。v60年代初，国外开始进行汽油机涡轮增

38、压技术的研究。年代初，国外开始进行汽油机涡轮增压技术的研究。Garrett公司是最早将涡轮增压器用于轿车汽油机的公司之公司是最早将涡轮增压器用于轿车汽油机的公司之一。一。v早在早在1962年该公司的年该公司的T5型涡轮增压器就装在型涡轮增压器就装在Oldsmobile Jetfire 轿车上，其发动机功率由自然进气的轿车上，其发动机功率由自然进气的116 kW增加到增加到增压机型的增压机型的160kW。v但由于汽油机增压存在着爆震、化油器的布置和运行范围窄但由于汽油机增压存在着爆震、化油器的布置和运行范围窄等难题，使汽油机增压技术的应用受到很大限制。等难题，使汽油机增压技术的应用受到很大限制。

39、411-3 内燃机增压技术的发展和展望v在第一次石油危机的在第一次石油危机的1973年之后，涡轮增压在商用年之后，涡轮增压在商用车辆上变得越来越普及，当时各个公司投入大量的车辆上变得越来越普及，当时各个公司投入大量的费用在涡轮技术的开发上，目的就是为了能够提高费用在涡轮技术的开发上，目的就是为了能够提高燃油的经济性。燃油的经济性。v70年代末期，汽油机涡轮增压开始取得了突破性进年代末期，汽油机涡轮增压开始取得了突破性进展，可调增压和电控燃油喷射等新技术的应用有力展，可调增压和电控燃油喷射等新技术的应用有力的促进了涡轮增压技术在车用汽油机中的应用和发的促进了涡轮增压技术在车用汽油机中的应用和发展

40、。展。v1979年日本正式开始销售增压汽油机轿车，到年日本正式开始销售增压汽油机轿车，到80年年代中期国外开始大量推广应用。代中期国外开始大量推广应用。 421-3 内燃机增压技术的发展和展望v轿车的涡轮技术的真正突破还是在轿车的涡轮技术的真正突破还是在1978年，梅塞德斯年，梅塞德斯-奔驰奔驰推出了推出了300 SD，配备涡轮增压的柴油机的轿车。，配备涡轮增压的柴油机的轿车。v随后，大众公司于随后，大众公司于1981年推出了涡轮增压柴油机的高尔夫。年推出了涡轮增压柴油机的高尔夫。v由于涡轮技术的采用，涡轮增压柴油机的效率被大幅提高，由于涡轮技术的采用，涡轮增压柴油机的效率被大幅提高，涡轮增压

41、汽油机的驾驶性能也得到改善，同时排放也得到了涡轮增压汽油机的驾驶性能也得到改善，同时排放也得到了良好控制。良好控制。v80年代后期，由于对排放限制的日趋严格，卡车发动机上的年代后期，由于对排放限制的日趋严格，卡车发动机上的涡轮增压器的数量也随之增加，至今几乎所有的卡车都装备涡轮增压器的数量也随之增加，至今几乎所有的卡车都装备有涡轮增压技术的发动机。有涡轮增压技术的发动机。 431-3 内燃机增压技术的发展和展望v目前大中型柴油机几乎目前大中型柴油机几乎100%采用涡轮增压；采用涡轮增压；v车用柴油机的半数及相当比例的高性能汽油车用柴油机的半数及相当比例的高性能汽油机，均采用增压；机，均采用增压

42、；v增压后的功率可提高增压后的功率可提高4060%，平均有效压，平均有效压力可达到力可达到3MPa。v增压对于发动机强化、降低油耗和排放是十增压对于发动机强化、降低油耗和排放是十分重要而有效的技术手段。分重要而有效的技术手段。441-3 内燃机增压技术的发展和展望v目前大中型柴油机几乎目前大中型柴油机几乎100%采用涡轮增压；采用涡轮增压；v车用柴油机的半数及相当比例的高性能汽油车用柴油机的半数及相当比例的高性能汽油机，均采用增压；机，均采用增压；v增压后的功率可提高增压后的功率可提高4060%，平均有效压，平均有效压力可达到力可达到3MPa。v增压对于发动机强化是十分重要而有效的技增压对于发

43、动机强化是十分重要而有效的技术手段。术手段。451-3 内燃机增压技术的发展和展望v二、车用内燃机增压发展概况二、车用内燃机增压发展概况增压技术是改善发动机动力性、经济性和排放性的有效增压技术是改善发动机动力性、经济性和排放性的有效途径，日益得到广泛应用。作为提高功率的主要方法：途径，日益得到广泛应用。作为提高功率的主要方法：n、或增大气门面积（多气门），但程度有限。或增大气门面积（多气门），但程度有限。应采用增压来增加进气量。应采用增压来增加进气量。车用内燃机要求在宽广的转速和负荷范围内运转，同时车用内燃机要求在宽广的转速和负荷范围内运转，同时要满足其加速性和低速性能的要求，对涡轮增压器有一

44、要满足其加速性和低速性能的要求，对涡轮增压器有一些特殊的要求。些特殊的要求。461-3 内燃机增压技术的发展和展望v二、车用内燃机增压发展概况二、车用内燃机增压发展概况涡轮增压器涡轮增压器效率高效率高流量范围大流量范围大体积小、重量轻体积小、重量轻可靠耐久（涡轮材料）可靠耐久（涡轮材料）惯性低惯性低成本低、使用维修方便（要求成本低、使用维修方便（要求结构简单）结构简单）471-3 内燃机增压技术的发展和展望v1、近年来对涡轮增压器进行了大量的技术改进，取得了、近年来对涡轮增压器进行了大量的技术改进，取得了一系列创造性的成果。一系列创造性的成果。1）涡轮增压器的总效率进一步提高）涡轮增压器的总效

45、率进一步提高利用计算机模拟进行压气机和涡轮的空气动力学计算、三维流场利用计算机模拟进行压气机和涡轮的空气动力学计算、三维流场分析和结构设计取得突破性进展，开发了前倾后弯式压气机叶轮分析和结构设计取得突破性进展，开发了前倾后弯式压气机叶轮和混流式叶轮，效率大幅度提高。和混流式叶轮，效率大幅度提高。50年代60年代70年代80年代90年代45%55%60%65%70-80%481-3 内燃机增压技术的发展和展望v二、车用内燃机增压发展概况二、车用内燃机增压发展概况v1、近年来对涡轮增压器进行了大量的技术改进，取得了、近年来对涡轮增压器进行了大量的技术改进，取得了一系列创造性的成果。一系列创造性的成

46、果。2）压气机效率不断提高、流量范围增大）压气机效率不断提高、流量范围增大由于发动机（特备是汽油机）转速的不断提高，要求压气机有更由于发动机（特备是汽油机）转速的不断提高，要求压气机有更宽广的流量范围。（采用无叶扩压器）宽广的流量范围。（采用无叶扩压器）3）涡轮效率提高，大量采用混流涡轮）涡轮效率提高，大量采用混流涡轮混流涡轮的气流比径流式均匀，效率平均提高混流涡轮的气流比径流式均匀，效率平均提高5%左右。左右。4）涡轮材料）涡轮材料轻质轻质惯性惯性加速响应性（陶瓷涡轮）加速响应性（陶瓷涡轮）耐热耐热可靠性可靠性解决高温蠕变问题解决高温蠕变问题高强度高强度491-3 内燃机增压技术的发展和展望

47、v二、车用内燃机增压发展概况二、车用内燃机增压发展概况4）涡轮材料）涡轮材料目前涡轮转子采用目前涡轮转子采用713c因康乃（因康乃（Inconel）合金（高镍合金）失蜡精铸而）合金（高镍合金）失蜡精铸而成，在高达成，在高达1300k世上能安全运转。世上能安全运转。有的涡轮采用有的涡轮采用GMR235材料铸造。材料铸造。陶瓷材料陶瓷材料 （碳化硅或氮化硅）在高温下运行很有吸引力。（碳化硅或氮化硅）在高温下运行很有吸引力。主要缺点：工艺要求较高，材质太脆，在轴上的安装存在问题。主要缺点：工艺要求较高，材质太脆，在轴上的安装存在问题。80年代年代逐步实现了商品化，并进入实用阶段逐步实现了商品化，并进

48、入实用阶段5）全浮动轴承的采用）全浮动轴承的采用球轴承，由于寿命短、拆换困难，限制了增压器转速的提高和应用。球轴承，由于寿命短、拆换困难，限制了增压器转速的提高和应用。目前普遍采用滑动轴承，可在中等转速下自由转动，比轴的转速低，有目前普遍采用滑动轴承，可在中等转速下自由转动，比轴的转速低，有利于提高增压器的可靠性、耐久性。利于提高增压器的可靠性、耐久性。但在小型增压器上采用滚动轴承，可提高机械效率，日本但在小型增压器上采用滚动轴承，可提高机械效率，日本IHI研制的陶瓷研制的陶瓷涡轮和滚动轴承，增压器机械效率可达涡轮和滚动轴承，增压器机械效率可达99%。501-3 内燃机增压技术的发展和展望v二

49、、车用内燃机增压发展概况二、车用内燃机增压发展概况6）汽油机增压技术的应用步入成熟阶段）汽油机增压技术的应用步入成熟阶段以前遇到的难题以前遇到的难题化油器问题化油器问题爆震问题爆震问题电控问题电控问题解决办法适当降低压缩比适当降低压缩比采用带放气阀增压器采用带放气阀增压器采用汽油喷射后使发动机采用汽油喷射后使发动机易于与增压器匹配和采用易于与增压器匹配和采用电控电控发动机和增压器联合控制发动机和增压器联合控制7）增压中冷技术得到迅速发展511-3 内燃机增压技术的发展和展望v三、车用内燃机增压的展望三、车用内燃机增压的展望 1、全面提高内燃机性能、全面提高内燃机性能pebe降低排气污染物降低排

50、气污染物改善扭矩特性改善扭矩特性进一步提高低速性能和加速性进一步提高低速性能和加速性2、增压器与内燃机匹配、增压器与内燃机匹配全工况达到最佳匹配全工况达到最佳匹配减小机械负荷和热负荷减小机械负荷和热负荷改善扭矩特性，提高低速性能改善扭矩特性，提高低速性能改善加速性（增压器小型化、滚动轴承）改善加速性（增压器小型化、滚动轴承）增压压力实现电子控制增压压力实现电子控制521-3 内燃机增压技术的发展和展望v三、车用内燃机增压的展望三、车用内燃机增压的展望 3、改进废气涡轮增压器、改进废气涡轮增压器提高涡轮增压器效率提高涡轮增压器效率增压器小型化、轻量化、宽流量范围增压器小型化、轻量化、宽流量范围降

51、低惯性矩，选用轻质、高强度材料、滚动轴承降低惯性矩，选用轻质、高强度材料、滚动轴承涡轮增压器新系列型号朝着流量覆盖面大、型号涡轮增压器新系列型号朝着流量覆盖面大、型号少、每种型号变形品周多大方向发展。少、每种型号变形品周多大方向发展。可变几何截面增压器（可变几何截面增压器（VGT、VNT）4、汽油机高增压（、汽油机高增压（GDI发动机）发动机）5、绝热发动机增压、绝热发动机增压6、高于增压（海拔每升高、高于增压（海拔每升高1000m，功率下降，功率下降10%）7、气波增压（低速扭矩特性和加速性好，但噪音大，采用陶瓷转子、气波增压（低速扭矩特性和加速性好，但噪音大，采用陶瓷转子、取消皮带传动而形

52、成浮动气波增压器）取消皮带传动而形成浮动气波增压器）8、机械增压重新受到重视、机械增压重新受到重视531-3 内燃机增压技术的发展和展望v三、车用内燃机增压的展望三、车用内燃机增压的展望9、增压系统的发展、增压系统的发展带排气旁通阀的增压系统带排气旁通阀的增压系统多级增压多级增压顺序增压顺序增压谐振涡轮复合增压谐振涡轮复合增压机械涡轮复合增压机械涡轮复合增压动力涡轮动力涡轮低压缩比高增压系统低压缩比高增压系统脉冲转换系统脉冲转换系统组合脉冲系统（组合脉冲系统（MPC）可变几何截面增压系统可变几何截面增压系统54增压原理v增压的概念与形式v增压对经济性和动力性的影响v增压的优势与代价 v压气机v废气涡轮v涡轮增压方式的性能比较v涡轮增压器与发动机的匹配返回55增压