汽车发动机原理与汽车理论第4章课件

1、第一节概述第二节废气涡轮增压器的基本结构及原理第三节废气能量的利用第四节发动机增压新技术概述第五节涡轮增压器与柴油机的匹配第六节工程应用实例(文摘)第四章发动机废气涡轮增压第一节 概述 增压: 利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。 增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增加, 提高发动机功率和改善经济性。 增压分类: 按增压比（增压后气体压力与增压前气体压力之比 ）低增压： 1.31.6， 700 1000kPa；中增压： 1.62.5， 10001500kPa；高增压： 2.5， 1500kPa；超高增压 4.55.5， 25003500kPa。一

2、、增压是提高功率的有效途径由式可知,通过下列方法可以提高功率:1)加大气缸总排量iVs,即增加气缸数i,增大气缸直径D和行程S。2)提高转速n。3)提高平均有效压力pme。二、增压度增压度是指发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比。现代四冲程增压柴油机增压度可达3以上,而多数车用发动机增压度为10%60%。三、增压比增压比是指增压后的空气压力pk与增压前的空气压力p0之比增压发动机按照增压比的大小可以分为:低增压,k2.5,相应的pme1500kPa。四、增压的优、缺点增压技术可以在保证输出功率Pe不变的情况下,使气缸数减少或者气缸直径减小,从而可以减小发动机的比质量和外形尺寸;提高热效率,

3、降低燃油消耗率;减少排气污染和噪声;降低发动机的单位功率造价;对补偿高原功率损失十分有利。增压技术用于发动机上的困难有:增压发动机的机械负荷和热负荷都较高;增压发动机很难满足车辆对转矩适应性及瞬变工况的要求;车用汽油机应用增压技术较困难;适用的小型涡轮增压器发展晚且效率偏低五、增压系统的分类根据驱动增压器所用能量的来源不同,增压方式基本上可以分为四类1.机械增压系统增压器由发动机的曲轴通过机械传动系统直接驱动的称为机械增压器。2.废气涡轮增压系统增压器与发动机无任何机械联系,压气机由内燃机废气驱动的涡轮来带动。3.复合增压系统在某些发动机上废气涡轮增压与机械增压并用,这种增压系统称为复合式增压

4、系统。4.气波增压系统五、增压系统的分类增压方式机械增压废气涡轮增压复合增压气波增压结构特征压气机的动力来源于发动机的曲轴,增压器为回转式、罗茨式、螺杆式及蜗旋式发动机的排气驱动增压器的涡轮、带动压气机压缩空气形式较多,主要是机械增压与涡轮增压相结合的方式通过一个由曲轴驱动的轮转子,排气压力波在其中压缩进气特点1.发动机转速变化直接使压气机流量变化,加速响应性好2. 采用高速调节或脱开等控制技术,低速时可获得较好的转矩3.对排气系统无干扰,可用于空排气背压的特殊场合(如水下)4.发动机机械效率低,油耗高5.增压器泄漏多,噪声大,效率低1.不直接消耗发动机的功率,充分利用排气能量2.高速性能优越

5、,低速性能差3.增压器结构紧凑,若用中冷器可进一步提高增压效果4.加速响应慢5.因排气充分膨胀故排气噪声低6.与排气后处理装置有冲突1.综合了机械增压和废气涡轮增压的优点,高速时用涡轮增压,起动时用机械增压,部分负荷机械增压贡献大2.有串联式和并联式两类3.起动性能好4.低速、低负荷时仍能保证一定的增压作用1. 轮消耗发动机的功率小,一般仅占1%左右2.结构简单,制造方便且对动平衡要求不高3.适应性好,不会出现容积式压气机的异常现象4.低速转矩大5.起到EGR作用,利于降低排放6.综合效率低,质量及尺寸大,噪声大7.对进气和排气压力敏感应用范围增压度不高的发动机(汽油机为主)增压压力可达0.4

6、MPa,适用于单机功率大于35kW的场合大型二冲程柴油机概念型,增压压力较小表4-1四种增压方式的比较废气涡轮增压器按废气在涡轮机中的不同流动方向分为径流式和轴流式两大类。第二节废气涡轮增压器的基本结构及原理图4-1径流式涡轮增压器结构图1挡油盘2压气机端密封座3推力轴承4压气机叶轮5压气机蜗壳 6涡轮蜗壳7涡轮叶轮8浮动轴承9中间壳体二、离心式压气机1.离心式压气机的基本结构及气体流动图4-2离心式压气机简图1进气道2工作轮3扩压器4出气蜗壳离心式压气机,一般由进气装置、工作轮、扩压器和出气蜗壳组成.进气装置主要有两种形式,一种是轴向进气装置,另一种是径向进气装置。轴向进气装置气流损失较小,

7、多用于小型增压器。径向进气装置由于气流流向转变,流动损失较大,多用于大型增压器。作轮由叶片和轮盘组成,它有封闭式、半开式和星形式三种结构形式。扩压器分为无叶和有叶两种。无叶扩压器结构简单,但扩压度小,气流损失大,常用于小型增压器。叶片扩压器扩压效果好,流动损失小。2.离心式压气机的主要参数和工作特性(1)离心式压气机的主要参数1)空气增压比k,k=。2)空气流量(kg/s),即空气每秒钟进入压气机的质量。空气流量取决于发动机所需要的空气消耗量。3)压气机转速nk(r/min),压气机与涡轮机同轴旋转,压气机的转速也就是涡轮机的转速,其转速很高,可达每分钟十几万转以上。4)压气机的绝热效率ad-

8、k,压气机把外界1kg空气进行绝热压缩所做的功had-k(J/kg)与压缩1kg空气实际消耗的功hk(J/kg)之比称为压缩机的绝热效率ad-k,图4-3空气压缩过程a)pV图b)TS图2.离心式压气机的主要参数和工作特性(1)离心式压气机的主要参数5)压气机功率。如果已知1kg空气的绝热压缩功为had-k(J/kg),空气的质量流量为(kg/s),压缩机的绝热效率为ad-k,则压缩机功率Pk(W)为(2)压气机的特性压气机的特性是指压气机在不同转速下的压比、效率与空气流量之间的关系。图4-4离心式压气机的特性曲线当减小到某一值后,气流发生强烈脉动,压气机工作不稳,这种现象称为喘振。喘振现象是

9、由于压气机工作轮叶片及扩压叶片局部区域气流发生周期性的严重分离现象所引起的。(2)压气机的特性增压器在某一转速下,当流量超过设计工况达到一定数值后,压气机的压比k和绝热效率ad-k急速降低,而流量却不再增加,这一现象称为压气机的堵塞。原因是通道中某一截面上的气流流速达到了当地音速(临界状态),从而限制了流量的增加。此时的流量称为堵塞流量,是该转速下的最大流量。人为规定当ad-k=55%时,就认为出现了堵塞。(3)通用特性常引进相对折合参数的概念,就是把试验测得的上述参数值换算成标准大气状况下的参数值。换算后质量流量称为折合流量,折合流量为图4-5压气机的通用特性曲线二、径流式涡轮机图4-6径流

10、式涡轮机简图1进气蜗壳2喷嘴环3工作轮4出气道1.径流式涡轮机的基本构造1.径流式涡轮机的基本构造(1)喷嘴环喷嘴环上装有许多导向叶片,构成渐缩形通道。废气从这里被引入工作轮。其材质采用耐高温、抗腐蚀的合金钢,可用铸、锻件机械加工或板材冲压成型。喷嘴环可以有整体式和装配式两种结构形式。(2)工作轮工作轮是把从喷嘴环出口喷出的高速废气的动能和压力能转变为机械功的场所。工作轮的叶片与轮盘做成一体,多采用精密铸造成型。叶片的叶型大都采用抛物线。其形式有半开式和星形两种。(3)涡轮进气壳涡轮进气壳的作用是把发动机与增压器连接起来,将废气经过整理引导到喷嘴环的方向,并按喷嘴环进口形状均匀地进入喷嘴环,以

11、减少流动损失,充分利用废气能量。涡轮进气壳的流通截面按一定规律变化,表面要光洁。其结构可分为轴向、切向、径向三种进气形式,进口可为一个或多个。1.径流式涡轮机的基本构造(4)涡轮出气道涡轮出气道是将已做功的废气引出增压器,它还起支架的作用,流道要求光洁、平滑,有的还带有冷却水套。(5)涡轮轴涡轮轴将涡轮工作轮和压气机工作轮连起来,起传递转矩的作用,工作轮与轴的连接方式有整体式和装配式两种。图4-7涡轮机中气流参数的变化废气以速度cT进入喷嘴环,在喷嘴环中因断面是渐缩的,使部分压力能转变为气体的动能,压力降低到p1,温度下降到T1,流动速度增加到c1。废气从喷嘴环喷出,以相对速度w1和一定角度进

12、入工作轮,工作轮叶片间的通道也是呈渐缩形状的,气体在通道中继续膨胀,在工作轮出口处压力下降到p2,温度降低到T2,相对速度增加到w2,由于废气在喷嘴中膨胀得到的动能大部分传给了工作轮,所以绝对速度迅速下降到c2,c2205.8Nm/(2300r/min)。文摘一493ZQ型增压柴油机增压系统的设计及试验机型参数、指标 493ZQ493Q提高幅度(DS)/(mmmm)9310293102(Pe/n)/kW/(r/min)70/360051.5/360036%(Ttq/n)/Nm/(r/min)205.8/2300165/200024.7%be/g/(kWh)224.4231.2-3%me/(kg

13、/kW)3.573.65-2%表4-3493ZQ型与493Q型柴油机主要结构参数与性能指标二、增压系统的确定及排气管内脉冲能量的计算1.增压系统的确定 众所周知，车用发动机采用脉冲废气涡轮增压系统，具有废气能量利用得好，加速性能好的特点。车用发动机在低速大转矩工况时，为克服瞬时超载的要求，匹配点应选在最大转矩点并兼顾标定点。选择增压器首先要求压气机效率高，且高效率区宽广，采用前倾后弯式短叶片，用不带喷嘴环的涡壳结构，以适应变工况的需要；为满足汽车的加速性，增压器转子尽量小，以取得较小的转动惯量；为保证压比和流量，增压器转子转速要高。2.排气管内废气能量的计算 计算包括排气门开启相对瞬时压力系数

14、P、排气门开启规律影响系数、气缸排空率、排气管截面积影响系数、排气管长度影响系数、涡轮流通特性系数。三、涡轮增压器的选择图4-13J50-3涡轮增压器特性线与493ZQ型柴油机联合运行线四、进、排气管的设计.排气管的设计 若把排气管的作用看成是一个具有一定容积的流入与排空过程，排气管中压力波的形状和反射时间就取决于排气管的容积、长度、截面积和涡轮流通截面。因此排气管的设计主要是对上述结构参数的确定。.进气管的设计 设计原则是为改善扫气效果，进气管压力应力求稳定，减小波动，在结构允许的情况下，容积应尽量大，管道内壁应光滑，转弯圆滑。五、试验及结论图4-14493ZQ型柴油机外特性曲线一、试验装置

15、与研究方法本研究是在一台排量为2.7L的电控共轨轻型柴油机上进行的,发动机形式为直列4缸,压缩比为17.51,燃烧室为直喷式,增压中冷进气,标定功率为85kW(3200r/min),最大转矩为300Nm(2200r/min)。文摘二两级涡轮增压对轻型柴油机性能影响的试验研究图4-15两级涡轮增压系统示意图1低压级压气机2进气旁通阀 3中冷器4进气管5发动机6排气管7高压级压气机8高压级涡轮9废气旁通阀10放气阀11低压级涡轮二、试验结果及分析1.两级增压系统高压级增压器的选配本研究中的两级增压系统低压级增压器型号为SJ60F,高压级增压器有SJ44Q、SJ44Y和SJ36Y三种型号,因此有三种

16、组合方案。考虑到高压级增压器主要侧重低速工况,首先对三种组合在1000180r/min转速下进行试验,对其性能进行对比,以确定最终的两级增压的增压器组合。试验过程中在各工况下对进气旁通阀和废气旁通阀进行了开度调节,选出经济性最好的开度进行比较。这里只给出各组合方案在1800r/min和1000r/min转速时,不同负荷下比油耗、增压压力和涡前压力的比较情况。图4-16两级增压各组合方案对性能的影响a)转速为1800r/minb)转速为1000r/min2.进气旁通阀和废气旁通阀对发动机性能的影响在确定了两级增压的增压器组合方案后,在不同转速和负荷下进行进气旁通阀和废气旁通阀开度的调节试验,分析

17、其开度对发动机性能的影响,确定基于经济性优化原则的阀门控制策略。以1800r/min来说明较低转速的影响情况,以2200r/min来说明较高转速的影响情况。图4-17给出了1800r/min时各负荷下废气旁通阀和进气旁通阀开度对性能的影响,全负荷工况给出的是比油耗和转矩的对比(见图4-17a),而部分负荷工况给出的是比油耗、增压压力和涡前压力的比较(见图4-17b、c、d)。图4-17废气旁通阀和进气旁通阀对性能的影响(1800r/min时)a)全负荷工况b)部分负荷(210Nm)c)部分负荷(150Nm)d)部分负荷(75Nm)图4-18废气旁通阀和进气旁通阀对性能的影响(2200r/min

18、时)a)全负荷工况b)部分负荷(210Nm)c)部分负荷(150Nm)d)部分负荷(75Nm)3.采用两级增压的发动机性能采用图4-19所给出的两级增压控制策略,进行外特性和万有特性试验研究,并与原机的性能和排放进行了对比。图4-20所示为采用两级增压系统后的外特性性能,图4-21所示为采用两级增压系统和原机的万有特性比油耗对比。图4-19两级增压经济性优化的进、排气旁通阀控制MAP 图4-20外特性性能a)空燃比、涡前压力和增压压力b)转矩和比油耗图4-21两级增压和原机的万有特性比油耗对比 a)两级增压图4-21两级增压和原机的万有特性比油耗对比(续)b)原机三、结论1)不同转速和负荷下进气旁通阀和废气旁通阀对性能影响的研究表明,在较低转速、高负荷工况下,废气全部