发动机废气涡轮增压

发动机废气涡轮增压第1页，共49页，2023年，2月20日，星期三第11章发动机废气涡轮增压

11.1发动机增压的基本方法与原理

一、增压的概念提高发动机的有效功率和平均有效压力的途径

第2页，共49页，2023年，2月20日，星期三（1）改变发动机的结构参数，如增加气缸数、增大气缸直径、活塞行程和减少行程数等；（2）提高发动机转速或活塞平均速度；（3）提高发动机的平均有效压力。具体可通过减少过量空气系数φa、提高充量系数φc和进气密度ρs来实现。第3页，共49页，2023年，2月20日，星期三二、发动机增压的概念、特点和指标所谓增压，就是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。

特点：（1）尺寸减小，质量减轻（2）摩擦损耗相对较小（3）可将扭矩特性改进为低速高扭矩这对车用机非常有利（4）可进行高原功率补偿第4页，共49页，2023年，2月20日，星期三（5）排放降低（6）降低噪声。（7）机械损失减少，经济性得到改善（8）零部件的机械负荷和热负荷增加几个概念：增压度——发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比

第5页，共49页，2023年，2月20日，星期三增压比是指增压后气体压力与增压前气体压力之比，简称压比

第6页，共49页，2023年，2月20日，星期三四、增压对发动机性能的影响

废气涡轮增压对发动机动力性和经济性的影响增压前后发动机参数对比第7页，共49页，2023年，2月20日，星期三说明1）过量空气系数在增压前后保持不变，则增压后的供油量将相应增大，以适应空气质量增加的需要，同时配气定时也要进行适当的调整，这样可以保证热效率基本不变或略有提高

2）进气密度的变化

第8页，共49页，2023年，2月20日，星期三机械效率变化（提高）由于增压后平均指示压力提高，而平均机械损失压力基本保持不变（在转速相同的前提下），那么机械效率在增压后将是增加的

增压后充量系数变化第9页，共49页，2023年，2月20日，星期三增压的结构形式及分类1机械式增压1—排气管2—气缸3—曲轴4—齿轮副5—压气机6—进气管豪华车代表车型有奔驰C200K，发动机为直列四缸1.8升的小型D级车，在2500rpm时达最大扭矩230Nm，综合油耗只有8.8L/100km。第10页，共49页，2023年，2月20日，星期三2．废气涡轮增压

1—排气管2—涡轮壳体3—涡轮4—转子轴5—压气机6—集气器7—进气管大众旗下的宝来1.8T、帕萨特1.8T、奥迪A6/A41.8T。第11页，共49页，2023年，2月20日，星期三3．气波增压

1—发动机2—转子3—带轮驱动4—高压排气5—高压空气6—低压空气7—低压排气第12页，共49页，2023年，2月20日，星期三4．复合式增压和组合式涡轮增压

1—涡轮增压器2—连接管3—稳压管4—共振管5—共振室6—进气管7—气缸复合式涡轮增压：

第13页，共49页，2023年，2月20日，星期三组合式增压：2005年，大众开始将这套技术装配到大量生产的民用车型高尔夫1.4TSI上。第14页，共49页，2023年，2月20日，星期三5、废气涡轮增压与其他增压方式相比优点有：（1）发动机结构无须做重大改变，且增压器体积小、重量轻，且易实现高增压；（2）由于驱动能量来自废气，相对减少了机械损失（泵气损失）和热损失，提高了机械效率和热效率（油耗降低5%-10%）；（3）能降低排气噪音和烟度；（1）增加了进、排管路，使加速反应滞后；（2）热复合严重，对大气温度和排气背压敏感；缺点有：第15页，共49页，2023年，2月20日，星期三11.2废气涡轮增压器的基本结构和工作原理1—压气机蜗壳2—压气机叶轮3—密封套4—推力轴承5—挡油板6—隔热板7—卡环8—涡轮机叶轮9—涡轮机蜗壳

第16页，共49页，2023年，2月20日，星期三一、径流式废气涡轮：喷嘴叶片环工作叶轮涡轮壳废气入口废气出口1、涡轮的结构：喷嘴叶片环工作叶轮涡轮壳2、涡轮的作用：将废气中的能量尽可能多的转变成推动涡轮转动的机械功。径流式废气涡轮结构第17页，共49页，2023年，2月20日，星期三径流式涡轮工作简图1—进气蜗壳2—喷嘴环3—工作轮第18页，共49页，2023年，2月20日，星期三3、涡轮的工作过程（原理）：c0c1c2crp0p1p2prT0T1T2Tr（1）废气进入涡轮壳道（2）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环）（3）动能转变为机械能（工作叶轮）

可见，经过涡轮后，废气中的部分能量转变为推动涡轮旋转的机械能。径流式废气涡轮工作简图第19页，共49页，2023年，2月20日，星期三4.涡轮机特性曲线

1）涡轮效率

2）膨胀比

3）气体流量

—无量纲的相似流量

第20页，共49页，2023年，2月20日，星期三4）涡轮转速

涡轮机所发出的功率

涡轮机特性曲线是以相似流量为横坐标，以膨胀比为纵坐标，以相似转速为参变量的一组曲线，

第21页，共49页，2023年，2月20日，星期三涡轮机的阻塞当转速一定时，相似流量随膨胀比的增大而增大，直到达到流量最大值，喷嘴环或涡轮叶片轮中某处气流速度已经达到了当地声速，即使再继续增大膨胀比，该处的气流速度仍维持当地声速，涡轮流量也不会再增加，这种现象称为涡轮机的阻塞现象，这时的流量称为阻塞流量。第22页，共49页，2023年，2月20日，星期三二、离心式压气机：1、压气机结构：2、压气机作用：扩压器工作轮外壳利用涡轮产生的机械能压缩空气，使进气压力增大。空气入口空气出口外壳工作轮扩压器离心式压气机结构第23页，共49页，2023年，2月20日，星期三3、压气机的工作原理：C空气流速c1c2c3ckp0p1p2p3pkT0T1T2T3Tk离心式压气机工作过程（1）空气被吸入进气管（2）机械能转变为气体压能与动能（工作轮）（3）动能转变为压能（扩压器）（4）动能进一步转变为压能（壳道）第24页，共49页，2023年，2月20日，星期三压气机的主要参数（1）增压比

（2）流经压气机的每秒质量流量

（3）压气机转速

（4）压气机的绝热效率

（5）压气机功率

第25页，共49页，2023年，2月20日，星期三的推导过程：1kg空气的绝热压缩功与实际压缩功之比

第26页，共49页，2023年，2月20日，星期三按理想情况，将1kg空气从压缩到，耗功最小的是绝热过程，所需的绝热压缩功为由于实际压缩是多变过程，伴随着摩擦和流动损失，所以将1kg空气从压缩到消耗的实际压缩功为

第27页，共49页，2023年，2月20日，星期三故压气机的绝热效率

第28页，共49页，2023年，2月20日，星期三1）压气机的流量特性—压气机转速不变时，压气机的增压比和绝热效率

随空气流量的变化关系

4．压气机特性曲线

2）离心式压气机的特点是：转速高堵塞，转速低喘振第29页，共49页，2023年，2月20日，星期三2）压气机的喘振与堵塞1）喘振现象-气流强烈震荡引起叶片强烈震动，产生很大噪声，出口压力显著下降并极大振动的现象2）喘振原因-流量过小，气流在叶片扩压器内和工作轮进口处与壁面分离，产生气流旋涡并撞击壁面。当流量小于某一值时，这种现象扩展到整个叶片扩压器和工作轮通道从而引起喘振。3）避免喘振-无叶扩压器和提高流量到喘振线右侧3）堵塞-流量增大到一定数值后不再增加。临界条件是马赫数为1。一般出现在叶片扩压器的进口喉部或工作轮叶片的进口喉部（最小截面）第30页，共49页，2023年，2月20日，星期三3）压气机通用特性折合流量

折合转速

通用特性曲线（P295图11-14）第31页，共49页，2023年，2月20日，星期三11.3废气涡轮增压器与发动机匹配选配的原则：低速大扭矩高速高功率一、增压比的选择增压比选择要兼顾动力性、经济性、环保型、可靠性和舒适性等。一般增压比越高动力性越好，COHC和烟度都降低，但NO化合物增加。参看课本P296页图11-15.第32页，共49页，2023年，2月20日，星期三二、涡轮增压器的选用——特性匹配１）根据柴油机的特定工况（如额定工况或最大转矩工况）确定其在压气机特性曲线上的位置（即根据内燃机选用合适型号的增压器）；２）解决柴油机在整个运行区实现良好的配合。第33页，共49页，2023年，2月20日，星期三选用的依据：废气涡轮增压器制造厂均提供压气机的特性和涡轮机的特性等技术资料。根据柴油机特定工况时所需的空气流量（包括扫气空气量）及压比，就可以判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，若该点落在压气机特性曲线的高效率区，即可初步选定增压器型号。第34页，共49页，2023年，2月20日，星期三涡轮增压器有一个大致确定的工作范围第35页，共49页，2023年，2月20日，星期三第36页，共49页，2023年，2月20日，星期三根据与柴油机联合运行的位置，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。第37页，共49页，2023年，2月20日，星期三如果联合运行线与压气机特性曲线配合不够理想，则需要进行局部调整。方法是改变涡轮喷嘴环出口截面积，或改变压气机通道截面积。减少喷嘴环出口截面积可以使联合运行线从压气机低效率区移向高效率区。但调整有限，如果相差很远，只能以更换增压器型号为宜。第38页，共49页，2023年，2月20日，星期三三、改善涡轮增压器与发动机匹配的措施：

1、进气旁通：原理：将部分压缩空气回流，重新排到大气中去，适当降低进气压力，使发动机负荷不致过高。改善目标：低速要有较高增压压力，确保良好的低速扭矩特性；高速防止超速，避免热负荷过高。第39页，共49页，2023年，2月20日，星期三带旁通阀的涡轮增压系统原理：将部分废气直接排入大气，适当降低涡轮及压气机转速，使增压压力控制在允许范围内。排气旁通阀2、排气旁通：第40页，共49页，2023年，2月20日，星期三3、双涡壳通道涡轮：原理：低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两个通道，适当降低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。第41页，共49页，2023年，2月20日，星期三

4、可变截面涡轮：截面调节板低速高速原理：低速、低负荷时使涡轮流通截面变小，增大气流速度；高速、大负荷时增大涡轮流通截面，适当降低废气流流速。第42页，共49页，2023年，2月20日，星期三

5、可变喷嘴环：原理：低速、低负荷时使喷嘴叶片环流通截面变小，增大气流速度；高速、高负荷时增大流通截面，适当降低废气流流速。第43页，共49页，2023年，2月20日，星期三11.4废气涡轮增压的类型与废气能量的利用一、废气涡轮增压的类型1．定压涡轮增压系统2．脉冲涡轮增压系统

第44页，共49页，2023年，2月20日，星期三二、废气能量的利用

图11.14四冲程增压柴油机理论示功图ES‘’第45页，共49页，2023年，2月20日，星期三影响脉冲能量利用的因素

1）排气门开启定时2）排气门流通面积3）排气门开启规律4）排气管流通面积5）排气管长度6）涡轮当量流通面积1）排气门开启时，排气歧管内的压力应尽快建立，减少流动损失2）废气自排气门排出应迅速，阻力要小3）扫气过程中，排气管的压力要尽可能低，以利于扫气进行第46页，共49页，2023年，2月20日，星期三车用增压柴油机经济性运行特点

指示功率和有效功率都得到提高改善高负荷区的运行经济性在低负荷区，涡轮增压器的能量转换较差，柴油机进、排气阻力及换气损失增加，增压对经济性没有明显的好处

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