第三章废气涡轮增压

第三章废气涡轮增压第1页，共32页，2023年，2月20日，星期三一、提高发动机功率的方法可由下列公式给出：第1节发动机增压概述而1、改变发动机的结构参数。如增加气缸数i，增大气缸直径D、活塞行程S和减少冲程数τ等。受到重量、体积、安装等条件的限制。式中：为过量空气系数；为进气密度。第2页，共32页，2023年，2月20日，星期三利用增压器将空气或可燃混合气压缩后送入发动机气缸。定义：2、提高发动机转速n和活塞平均速度Cm。3、提高发动机平均有效压力pme。受到充量系数φc、ηm和机械强度、使用寿命、噪音等的限制。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。二、进气增压：增大每循环进入气缸新鲜气体的密度，使实际充量增大，从而改善发动机的动力性和经济性。作用：第3页，共32页，2023年，2月20日，星期三发动机增压后增加的功率与增压前功率之比，用来表示增压后功率提高的程度。1、增压度：式中：为增压后功率；为增压前功率。一般车用发动机增压度在10%-60%的范围内。发动机增压后气体压力与增压前气体压力之比，用来表示增压强度。2、增压比：式中：为增压后气体压力；为增压前气体压力。第4页，共32页，2023年，2月20日，星期三（1）按增压度来分：3、增压的种类：低增压：中增压：高增压：超高增压：（2）按增压系统结构来分：A、机械增压：特点：缺点：压气机由曲轴通过传动装置来驱动。pk不宜过大（160-170kPa)，否则会使比油耗上升。第5页，共32页，2023年，2月20日，星期三B、废气涡轮增压：利用排气推动涡轮，带动压气机压缩空气。原理：

充分利用废气能量，可提高功率30%-50%，降低油耗5%（增压度通常在3-5，若要提高则需采用多级串联）。特点：第6页，共32页，2023年，2月20日，星期三C、复合增压：第7页，共32页，2023年，2月20日，星期三D、气波增压：曲轴驱动一个特殊转子，利用高压废气脉冲迫使空气被压缩，从而提高进气压力。原理：结构简单，加工方便，低速转矩性能好；但体积大、噪音大，且易受进、排气阻力的影响。特点：第8页，共32页，2023年，2月20日，星期三4、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9页，共32页，2023年，2月20日，星期三第2节废气涡轮增压器基本结构和工作原理一、基本结构：第10页，共32页，2023年，2月20日，星期三二、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11页，共32页，2023年，2月20日，星期三3、涡轮的工作过程（原理）：径流式废气涡轮工作简图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。第12页，共32页，2023年，2月20日，星期三4、涡轮特性：废气能量转化为机械功的有效程度，即涡轮获得的轴功与废气总能量之比（一般为0.65-0.85）。（1）涡轮效率：废气冲涡轮入口状态到出口状态的总焓降涡轮进口气体滞止压力与出口气体静压力之比，反映废气在涡轮中作功能力的大小。（2）膨胀比：（3）质量流量：单位时间通过涡轮的气体质量。相似流量：式中：为滞止温度；为滞止压力。涡轮发出的功率：第13页，共32页，2023年，2月20日，星期三与压气机转速相等（几万-十几万转）。（4）涡轮转速n：相似转速：式中：为滞止温度。（5）涡轮特性曲线：0.60.81.01.00.80a、膨胀比↑，流量↑；b、转速↑，效率↓；c、膨胀比不变时，转速↑，流量↓；

流量不变时，转速↑，膨胀比↑。涡轮特性曲线气阻：流速达到声速时，流量不再增加，易发生在喷嘴叶片环出口处。第14页，共32页，2023年，2月20日，星期三三、离心式压气机：1、压气机结构：2、压气机作用：空气入口空气出口外壳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。工作轮扩压器离心式压气机结构第15页，共32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16页，共32页，2023年，2月20日，星期三

（1）增压比4、压气机主要参数：（2）质量流量（kg/s)和容积流量（m3/s)。压气机入口状态下

1kg空气绝热压缩功与实际压缩功之比，表明压气机轴功转变为有用压缩功的程度（一般为0.6-0.8）。（3）压气机绝热效率：第17页，共32页，2023年，2月20日，星期三5、压气机特性曲线：大小（1）堵塞：

当增大到一定程度时（流速达到声速），（2）喘振：流量（流速）过小，造成气流与壁面分离而产生涡流，引发强烈振荡，危机设备安全。

所以，离心式压气机的特点是：转速高堵塞，转速低喘振。第18页，共32页，2023年，2月20日，星期三第3节废气涡轮增压的类型一、废气涡轮增压系统的基本类型：定压增压系统脉冲增压系统第19页，共32页，2023年，2月20日，星期三定压增压与脉冲增压的特点：1、废气能量利用率：2、扫气效果：3、加速性：脉冲式排气容积小，因而废气压力能迅速建立，响应负荷的变化；脉冲式可利用排气动力效应提高扫气效果，增加充量；脉冲式利用率高，但随着增压比提高，两者的差别逐渐缩小；4、结构：脉冲式结构较为复杂。车用脉冲增压管路连接第20页，共32页，2023年，2月20日，星期三二、改善车用增压发动机转矩特性的途径：改善的目标：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。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21页，共32页，2023年，2月20日，星期三2、排气旁通：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。排气旁通阀第22页，共32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23页，共32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24页，共32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25页，共32页，2023年，2月20日，星期三第4节汽油机增压概述一、汽油机增压需考虑的关键性问题：1、爆燃（爆震）：2、热负荷：3、苛刻要求：随着压缩终点压力、温度以及零件热负荷的升高，爆震倾向加大。汽油机燃烧温度高、排气温度高，进气增压后又不能像柴油机那样利用大的气门重叠角来加强扫气效果，因而热负荷将更加严重。要有宽广的工作范围；耐热性要好、转动惯量要小（体积小、质量轻）。第26页，共32页，2023年，2月20日，星期三二、改善汽油机增压性能的主要措施：1、降低压缩终点的压力和温度：2、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高）进气中冷、缸内喷水、降低压缩比。式中：为增压前压缩比；为增压后进气压力；为增压前进气压力。增压后的压缩比可按下式进行计算：第27页，共32页，2023年，2月20日，星期三3、增加增压压力控制系统：使其在宽广的转速和流量变化范围内稳定工作（如进、排气旁通等）。4、减小增压后的“加速滞后”现象：采用脉冲增压、减小进排气管长度、增压器前置（节气门之前）、提高压缩比等措施。5、点火提前角的调整：根据爆震传感器信号，适当推迟点火提前角。6、燃油供给的调整：供油压力要能随增压压力变化而自动调整（增压压力过高时能适当减少供油量）。三、汽油机增压后喷油器的布置（非直喷）：1、增压器之前2、增压器之后第28页，共32页，2023年，2月20日，星期三第5节增压发动机的性能一、增压后发动机动力性与经济性：假设过量空气系数φa和转速n基本不变：进气压力增大（进气量多）喷油量增加功率增大（动力性增强）机械损失基本不变机械效率提高经济性好（油耗低）

非增压发动机受冒烟限制，高负荷期无法通过增大喷油量实现上述性能的改进。第29页，共32页，2023年，2月20日，星期三二、增压后对发动机其他性能的影响：1、降低排放和噪音：（1）进气量大↑，燃烧充分，HC和CO↓；但最高燃烧温度和压强↑，NOx↑（需进气中冷）。（2）废气能量↓，排气噪音↓；另外，压缩终点温度和压力↑，着火落后期缩短，压力升高率↓，燃烧柔和，燃烧噪音小。2、低速转矩性变差：低速废气能力低，增压效果差。3、加速性能差：增压器转速高、惯性大，加速过程中增压压力上升慢。第30页，共32页，2023年，2月20日，星期三4、起动与制动困难