第7章 发动机废气涡轮增压

“T”——发动机采用涡轮增压即在不改变发动机参数结构的基础上，提高发动机动力性，采取的有效措施。引例1.8T“T”含义？通俗地说：涡轮增压让“汽车”更强劲本章内容要求：发动机增压方式涡轮增压器的结构和工作原理涡轮增压对发动机性能的影响汽油机增压特点第七章发动机废气涡轮增压7.1发动机增压的基本方法与原理提高发动机功率的途径：改变结构参数。增加i、Vh(D、S)，减少τ，但体积和重量增加提高转速。但充量系数和机械效率减少，机件寿命减少，噪音大提高平均有效压力Pme。提高平均有效压力Pme

方法：减少过量空气系数、提高充量系数、增加充气密度（增压!!!）7.1.1增压概念增压：利用增压器将空气或混合气进行压缩，再送入气缸的过程。为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方法。或凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。

目的：通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性。7.1.2增压指标增压度φk：发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比。

φk范围为10%~60%。大部分为20%~30%。增压比

k：进入气缸的气体压力Pk与大气压力P0之比。增压的范围:低增压：

k

＝1.3~1.6（内燃机平均有效压力pme＝0.7～10MPa）中增压：

k

＝1.6~2.5（pme＝1.0～1.5MPa）高增压：

k

＞2.5（pme＞1.5MPa）；超高增压：

k

＞4.5~5.5（pme>2.5~3.5MPa）。增压中冷技术增压空气温度增加，在柴油机中引起增压条件下进气密度减小，即在保持不变过量空气系数下，意味着功率下降，不然需要进一步提高增压压力。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。一般，当增压空气的压力超过1.5MPa时，就值得采用中冷。解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低20K，燃油消耗率可减少3g/kW.h。7.1.3内燃机增压的优缺点改善了发动机性能：提高了内燃机机械效率；提高了内燃机的指示热效率；改善了燃烧过程。增加了发动机的升功率；扩大了内燃机高原适应性：有利于降低有害气体排放和噪声。(HC降低，高负荷的NOx降低，空气充足使碳烟有所降低；温度高使着火延迟期缩短）增加了柴油机的机械负荷、热负荷；增加了汽油机的爆燃倾向。柴油机的低速时，排气量不足，增压效果差。加速响应差。优点：缺点：7.1.4增压结构及类型机械增压废气涡轮增压复合增压气波增压谐波增压—ACIS１、机械增压由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机。机械增压增压压力高，压气机消耗的功率大。为使内燃机机械效率不要过分下降，增压压力Pk不能过高。Pk<160~170kPa主要用途：提高发动机低速转矩机械增压器的种类：机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机上常用容积式压气机：罗茨式；螺杆式；转子活塞式。２、废气涡轮增压废气涡轮增压利用内燃机排气中能量来实现增压，油耗率可低5%～10%。质量功率和体积功率比非自然吸气内燃机明显改善，一般可提高功率20%-50%，易实现高增压。可降低排气噪声和烟度。废气涡轮增压的分类：废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮机组成。压气机主要是离心式的。废气涡轮分：轴流式；径流式；斜流式（混流式）。由于发动机排气能量利用的不同，有两种经典的、基本的增压形式：脉冲涡轮增压；等压涡轮增压。3、复合增压4、气波增压气波增压是通过气波增压器利用气体质点和压力波的反射特性，使排气和进气之间进行直的能量交换，以增大进气密度。气波增压对内燃机工况反应迅速，使气波增压的加速性好，且低速时空气的压缩程度高，低速转矩好。工作温度低，不需要耐高温材料。但体积大，噪声大，安装位置受到一定限值。匹配要求高，防止窜烟。５、谐波增压—ACIS双增压器顺序增压多缸发动机上使用两台增压器。在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反应性能。在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。废气涡轮增压系统的组成系统包括：涡轮增压器1、7、中冷器3、排气旁通阀及配套的进气管道2，排气管道5等。7.2废气涡轮增压器系统结构及工作原理1.涡轮机2.压气机3.排气旁通阀4.润滑油路等一、废气涡轮增压器的组成1、废气涡轮增压系统的工作原理二、废气涡轮增压器工作原理废气涡轮增压系统工作原理概括二、废气涡轮增压器工作原理

涡轮机：将发动机所排出的高温废气拥有的能量尽可能多地转化为涡轮机旋转的机械功，进而传给同轴的压气机。

压气机：压缩进气系统的空气，提高进入发动机的进气量。（1）组成进气蜗壳2、涡轮机的组成及工作原理二、废气涡轮增压器工作原理工作叶轮出气道喷嘴环（2）工作原理二、废气涡轮增压器工作原理2、涡轮机的组成及工作原理高压废气动能增加喷嘴环叶片动能增加叶轮低压废气出气道排出高速旋转进气蜗壳3.离心式压气机组成及工作原理

二、废气涡轮增压器工作原理（1）组成进气道工作叶轮出气蜗壳扩压器扩压器1.进气道安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的功用使气流拐弯并以一定方向均匀进入工作叶轮,以减小流动损失此过程中气流加速，防止出现拐弯分离流气流参数变化空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。2.工作叶轮高速旋转的部件工作叶轮上叶片间的通道是扩张形的空气在流过它时,对空气作功,加速空气的流速,同时提高空气的压力从结构上叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种两面进气,这样可以增大进气量对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处3.扩压器位于叶轮的出口处其通道是扩张形的空气在流过它时,速度下降,压力和温度都上升4.出气蜗壳使气流变为轴向,将空气引入燃烧室3.离心式压气机组成及工作原理二、废气涡轮增压器工作原理（2）工作原理新鲜空气叶轮吸力进入气道流速上升叶轮通道出气蜗壳离心力发动机进气歧管气压增高（1）功能4.排气旁通阀二、废气涡轮增压器工作原理在高速时将一部分废气不经涡轮机，直接排出流进消音器，减少涡轮机能量转化，用以控制增压器增压压力及涡轮机的转速。执行器：内有膜片，将膜盒分成左右两个腔体，右侧受进气增压压力作用，左侧有弹簧；膜片通过推杆控制阀门。

阀门：控制废气流经涡轮机的量。4.排气旁通阀二、废气涡轮增压器工作原理（2）组成4.排气旁通阀二、废气涡轮增压器工作原理（3）工作原理小结废气涡轮增压废气涡轮增压系统的工作原理排气旁通阀组成及工作原理涡轮机组成及工作原理压气机组成及工作原理涡轮轴涡轮轴（Bearing）看起来只是简单的一根金属管，但实际上它是一个肩负120000-160000rpm转动及超高温的精密零件。其精细的加工工差、精深的材料运用和处理正是所有涡轮厂最为核心的技术。传统的涡轮轴使用波司轴承（BushingBearing）结构。它确实只是一根金属管，其完全倚仗高压进入轴承室的机油实现承托散热，因此才能高速地转动。

《阅读了解》涡轮叶轮

涡轮叶轮的形状，是以如何有效地“抱住”废气、并顺畅排出为目的

涡轮叶轮的叶片大多以耐高热的钢铁制造（有的使用陶瓷技术）压气机叶轮

叶片是涡轮的动力来源。但压气机叶轮及涡轮叶轮各有不同的功用，因此叶片外形当然也不一样。压气机叶轮基本上是把如何将空气有效率地推挤入压缩信道视为首要任务，然后再加以决定其形状。各部分连接关系三.涡轮机特性曲线（1）涡轮机效率

Def：涡轮机将废气能量转换为机械功的有效程度。

涡轮机轴上的有用功废气所拥有的能量（2）膨胀比

Def：涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口气体静压力之比。

膨胀比：代表废气在涡轮中做功能力的参数。滞止过程：气体在流动过程中，因受到某种物体的阻碍，流速降低为零的过程称为滞止过程。气流滞止时的压力和温度分别称为滞止压力和滞止温度。静压力：空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力。（3）气体质量流量

Def：单位时间内通过涡轮的气体质量。

相似流量：

（4）涡轮转速

相似转速：无量纲无量纲（5）涡轮的特性曲线

涡轮的特性：涡轮在变工况运行时，气流参数之间的关系。相似流量为横坐标-X膨胀比为纵坐标-Y相似转速为参变量

（5）涡轮的特性曲线

涡轮的特性曲线分析：①当转速一定时，随膨胀比增加，流量增大直至流量最大。②当喷嘴环或叶轮处气体流速达到当地声速，再增大膨胀比，该处气体流速仍保持当地声速,流量不在增加，称涡轮的阻塞现象，该流量称阻塞流量。喷嘴环处最易发生流量阻塞。③当膨胀比不变，转速增加时，由于离心力的增加使得叶轮处进口处压力增大，从而使得喷嘴环出口气体流速下降，喷嘴环前后压差减少，流量降低。④当流量不变时，转速增加膨胀比增大。四、压气特性曲线

12（n高）3

（渐扩）4（渐扩）空气沿收敛的轴向进气道1略有加速进入工作轮2，并沿这工作轮上的叶片所构成的渐扩通道3流动，空气与工作轮一起旋转，工作轮的机械能传递给空气，转变为气体的动能，使气体沿螺旋线轨迹（蜗壳4）向轮缘方向运动。1、主要参数

①增压比②流经压气机的单位流量③压气机转速④压气机的绝热效率

Def：1kg空气的绝热压缩功与实际压缩功之比。质量流量mk容积流量V02．压气机特性曲线（1）流量特性：表示在压气机转速不变时，压气机的增压比πk和绝热效率ηad-k随空气流量mk（或V0）的变化关系。分析：压气机在转速不变时，其效率及压力比随流量变化的关系。沿等转速线，压气机的效率和压力比先随流量增加，在某一流量达到最大值，然后又下降。（2）压气机的喘振与堵塞在压气机的特性曲线上有一条喘振线，又称为稳定工作边界。含义：当压气机工作在喘振线右侧时，其工作是稳定的；而当处于喘振线左侧时，压气机的功作就变得不稳定甚至有危险了。因此，把出现喘振的工作点称为喘振点，对应的流量就是喘振流量。喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工作现象。堵塞：在某一增压器转速下，通过压气机的气体流量随增压比的降低而增加。当流量增加到一定数值后，压气机通道中的某个截面达到临界条件（M=1）。当增压比继续降低时，气体流量却不再增加，此时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。3．通用特性流量折合成标准大气状态下的参数值。7.3废气涡轮增压系统的两种基本类型恒压系统脉冲系统涡轮机中燃气可以充分膨胀，因此如利用涡轮机的特点，使得废气的能量利用最大。废气能量利用的基本形式：恒压系统和变压系统。

1、恒压系统（1）结构特点

排气总管的容积较大。（2）废气能量利用特点

A、系统压力波动小；

B、低增压时，废气能量利用效率低；

C、高增压时，废气能量利用充分。

2、变压系统（1）结构特点

排气总管的容积较小，各缸排气歧管交错。（2）废气能量利用特点

A、系统压力波动大；

B、废气能量利用数量多

C、高增压时，废气能量利用充分的优点不明显。3.恒压系统与脉冲系统的比较和选择1）脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量，所以系统的可用能量比恒压系统大。2）脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处。脉冲系统的PT正处于波谷，因此即使在低增压和高增压的部分负荷工况，仍能保持有足够的扫气压力差PK-PT，保证气缸内良好的扫气。而在恒压系统中由于PT波动小，扫气压力差就大为减小，不容易保证气缸的扫气。3）在脉冲系统中，由于排气管容积小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快的变动，所以脉冲系统的加速性能好。４）从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低。５）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，其瞬时最大流量比恒压系统的流量（相当于脉冲系统的平均流量）大，因此，脉冲涡轮的尺寸较大。其排气管的结构也复杂，受每根排气管联接气缸数目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂，柴油机的轮廓尺寸加大。

综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩特性、加速性能要求比较高，即使是在高增压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。结论：7.4.2废气放气阀（排气旁通阀）车用增压内燃机为获得低速大转矩和良好的加速性能，涡轮增压器一般按内燃机低速、小流量设计。轿车用增压器设计转速为内燃机标定转速的40%左右。公共汽车、重型车用的增压器设计转速为内燃机标定转速的60%左右。高速时，将会使增压压力过高，增压器超速，柴油机爆发压力过大，汽油机容易引起爆震。为此，设计增压器常增加废气放气阀，在高速时将一部分废气旁通掉，加以控制增压压力。2.进气回流增压器（进气旁通）为避免由于负荷突变及环境变化而使压气机出现喘振而损坏增压器，在增压器的压气机进口装上整体式的回流阀。当进气管压力低于某一值时，作用在回流阀上的进气管压力、弹簧压力和压气机出口的空气增压压力不平衡，回流阀顶开，压气机出口的空气通过回流阀和回流通道进入压气机进口，以增加通过压气机的空气量。3.可变进气道增压器低速时使用一个进气通道；高速时，进气量大，使用两个通道，可以改善增压发动机的过渡性能。可变进气道增压器性能4.可变喷嘴环增压器低速时，喷嘴角度小，流通截面小；高速时喷嘴角度大，流通截面能保证涡轮从废气中获取足够能量达到压气机的需求。各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上，再经传动杆3与喷嘴控制盘4相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮流通截面。5.可变涡轮喉口截面增压器1.压气机；2.可变喉口截面调整板；3.调整板及调整机构；4.操纵机构；5.操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面低速高速可变涡轮喉口截面增压器工作原理可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。6.可变叶片增压器可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。三菱多阀VG增压器本田可变叶片增压器1.经济性改善高负荷区——明显改善低负荷区——不明显A、利于常高速满载运行的长途运输重型载货汽车B、利于常处于中等、部分负荷的中型、轻型载货车辆转速负荷特性：减少机械损失、磨损改善整机经济性能提高可靠性及使用寿命2.降低排气污染和噪声有害气体的排放减少（1/2~2/3）滞燃期缩短，减少噪声3.低速转矩性能变差低速：排气量少，供气不足转矩性能差。4.加速性能变差气路连接

+增压器惯性

+加速过程限制供油（烟度）使得发动机的加速性变差。措施：采用脉冲增压系统发动机对负荷与转速的迅速响应，对车辆的安全性、经济性都是有利的。但增压发动机由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差。5.启动与制动有一定困难1）废气增压发动机在启动时，由于没有高温废气产生，导致增压器无法正常工作，则压气机不能正常供气。在启动瞬间，由于进气压力与温度均不高，在加上压缩比较低，使得压缩终点温度降低，造成着火与启动困难。2）制动力不足7.5