《汽车发动机原理（第5版）》 课件 第七章 车用发动机废气涡轮增压

汽车发动机原理2024/10/132

目录第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章汽车发动机特性第七章车用发动机废气涡轮增压第八章发动机排气污染与噪声控制第九章新型汽车动力装置第十章发动机动力学第七章车用发动机废气涡轮增压

发动机所能发出的最大功率主要是由气缸内燃料有效燃烧所放出的热量决定的，而这受到每循环吸入气缸内实际空气量的限制。如果空气在进入气缸前得到压缩，从而使其密度增加，则在相同气缸工作容积条件下，可以获得更多的新鲜空气，因而使得发动机循环供油量增加，最终提高发动机功率。第一节概述一、发动机增压简介增压具有的优点：①增压能够有效提高发动机的动力性和经济性能。②增压可以使发动机在总质量和体积基本保持不变的情况下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价。③增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。④柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。⑤增压有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，因此增压对补偿高原功率损失十分有利。车用发动机增压仍然存在着一些技术上的难题：①增压使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增高。②要满足车辆对转矩适应性及瞬变工况的要求，需要大量的研究工作。③增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑等方面，而对中冷器的要求是体积小、质量轻、效率高。④车用汽油机增压在发动机爆燃、热负荷以及增压器等方面仍需要克服很多技术难题。二、基本概念

1、增压度φ

增压度是指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。增压度反映了发动机增压后功率提高的程度。

四冲程柴油机可高达φ=3.0；车用柴油机φ=0.1～0.6

2、增压比

增压比是指增压器压气机前后的压力之比，反映了气体在压气机中的压缩程度。

三、基本概念内燃机的增压方式增压分类的方法有两种：一种是按增压比分类，将<1.6的称为低增压；

＝1.6～2.5的称为中增压；>2.5的称为高增压。另一种是根据压气机能量的来源分类，可以分为机械增压、气波增压、废气涡轮增压和复合增压（图7-1）：

图7-1汽油机的燃烧过程a）机械增压b）涡轮增压c）气波增压d）复合增压E—发动机C—压气机T—涡轮机1、机械增压

发动机输出轴直接驱动机械增压装置，实现对进气的压缩。机械增压的特点是响应速度快，缺点是要消耗发动机的部分功率。2、气波增压

利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气。气波增压的特点是利用了废气能量，效率高。3、废气涡轮增压

压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮带动压气机工作，实现进气增压。废气涡轮增压的特点是回收了原具有一定热能、压力能以及噪声的废气能量，缺点是在发动机起动和低速时响应性差、能量回收率差。4、复合增压

复合增压将上述多种增压方式加以组合，以获得更好的增压效果。第二节废气涡轮增压器的工作原理与特性涡轮增压器根据废气在涡轮机中不同的流通方向，分为径流式涡轮增压器与轴流式涡轮增压器两类。大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而车用内燃机则采用径流式涡轮增压器，以适应高转速及较高响应性能的要求。径流式涡轮增压器图7-2径流式涡轮增压器结构图1-压气机蜗壳2-压气机叶轮3-推力轴承4-浮动轴承5-涡轮叶轮6-涡轮蜗壳一、离心式压气机的工作原理

1、离心式压气机的结构

如图7-3所示，离心式压气机主要由进气管1、工作轮2、扩压器3和出气蜗壳4等组成。离心式压气机比较适合于大流量低压比的车用发动机增压。为了获得高效率，压气机必须高速旋转，其最高转速可超过10万转/分，因此很适合与排气涡轮联合运行。图7-3离心式压气机简图1—进气管2—工作轮3—扩压器4—出气蜗壳2、空气在压气机中的流动整个变化过程如图7-4所示，并且有以下结论：1）通过压气机后，气体的压力升高

，达到增加气体压力的目的。气体压力升高，则密度增加，所以经过压气机压缩的气体进入发动机进气道后压力升高，进气密度增加，达到增压的目的。2）压气机出口的气体温度升高，不利于气体密度的提高，故需降低进入发动机进气道的气体温度，所以在压气机出口到发动机进气道间可加装中冷器，冷却气体。图7-4空气参数沿压气机通道的变化3、扩压器的工作原理

扩压器通常由无叶扩压器与叶片扩压器组成（图7-5）。图7-5扩压器原理1—工作轮2—无叶扩压器3—叶片扩压器4—蜗壳4、压气机的热效率压气机的绝热效率是评价压气机性能的基本指标。图7-6为压气机的压缩过程。途中的0点表示压气机进口处的空气状态；点4’表示空气按绝热过程压缩后压气机出口处的状态；点4表示空气按多变过程压缩后压气机出口处的状态。图7-6空气压缩过程a)p-V图b)T-S图(1)压缩功

按理想情况，将1kg空气从压力p0压缩到压力p4（pk）耗功最小的为可逆绝热过程，所需的绝热压缩功（J/kg）为：（2）绝热效率

实际压气机工作过程完善的程度是通过与理想压气机相比较来评定的。通常以绝热效率

来评定，亦即压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压缩功与在实际压气机中消耗的实际压缩功之比：（3）压气机功率

如果已知1kg空气的绝热压缩功

，空气的质量流量

，压气机的绝热效率

，则压气机功率

（W）为：5、压气机的特性曲线（1）定义

压气机流量特性指压气机的转速不变时，压气机增压比和绝热效率

随空气流量的变化关系。将压气机不同转速的流量特性表示在同一幅图面上，并将效率线转换成等效率线，可得到压气机的特性曲线。图7-7离心式压气机特性曲线离心式压气机的有效功实际上与流量无关。当在压气机没有损失时，完全用来压缩空气，因此在任何空气流量下，压比不变。但实际上，必然有一部分有效功要消耗在克服各种损失上。如图7-8所示，在空气流过压气机工作轮时，主要发生两种损失：一种是摩擦损失，它是由空气和工作轮表面产生摩擦而产生的损失，这一损失将随空气流量的加大而加大；二是撞击损失，它是由于实际流量偏离设计而产生的，偏离越大损失也越大。图7-7压气机特性说明(3)通用特性曲线

由无因次参数整理的曲线称为通用特性曲线（图7-9）。图7-9通用特性曲线二、径流式涡轮机的工作原理

1、燃气在涡轮机中的流动

径流式涡轮机主要由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作轮3以及出气道4等组成，如图7-10所示。图7-10空气压缩过程径流式涡轮机简图1—进气蜗壳2—喷嘴环3—工作轮4—出气道由发动机排气管中排出的气体具有压力

、温度

、并以速度经进气蜗壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀的安装了具有一定角度的叶片，这就使燃气经过叶片间的通道后更具有方向性，使气流更加均匀且有秩序的流入涡轮机工作轮。叶片间的通道面积是渐缩的，使部分压力势能转变为气体的动能，即气体的压力降低到

，温度降低到

，气体流动的速度增加到

（见图7-11）。图7-11涡轮机中气流参数的变化2、涡轮机的特性增压器的涡轮机是利用发动机排出的废气能量转换为机械功的一种动力机械。涡轮机作变工况运行时，燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量跟随增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值，不再增加，该现象即为涡轮机的阻塞。一般来说，涡轮机流量特性虽然受阻塞现象的限制，但涡轮机的工作范围常比压气机大得多，一种涡轮机可以和多种不同的压气机配套使用。第三节废气能量的利用

一、废气涡轮增压系统的两种基本型式1、恒压系统：如图7-12a所示，这种增压系统的特点是涡轮前排气管内压力基本恒定。2、变压系统：如图7-12b所示，这种增压系统的特点是使排气管中的压力产生尽可能大的变动。图7-12涡轮增压系统的两种基本形式a)恒压系统b)变压系统二、基本概念恒压增压系统废气能量的利用恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图（见图7-13）说明了发动机废气能量的利用情况。

图7-13四冲程增压柴油机的理论示功图三、脉冲增压系统废气能量的利用设计变压系统的目的，就是在于尽量改善面积

那部分能量的利用情况。从图7-14可以看到，变压系统比恒压系统可以较好的利用柴油机的废气能量。排气管容积较小，废气能量利用也就较好。

图7-14排气脉冲波a)排气管容积小b)排气管容积大四、恒压系统与脉冲系统的比较恒压系统及脉冲系统的优缺点比较如下所述。①由于脉冲系统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的好处。③在脉冲系统中，由于排气管容积较小，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地变动，所以脉冲系统的加速性能较好。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环境的略低。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。第四节车用增压柴油发动机的性能一、涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点1、特点：

为了使涡轮增压器与车用发动机能够良好地配合，使它们在各种工况下合理工作，首先是根据发动机的特定工况（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（即根据发动机选用合适型号的增压器）；其次是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。所以选好增压器是前提，增压器选择不当，发动机可能达不到预期的增压效果。例如车用发动机选配增压器时，常以最大转矩工况作为设计工况，把最大转矩工况点放在高效率区，而额定工况常偏离在高效率区之外（图7-16）。图7-16按最大转矩点匹配1—喘振线2—外特性3—最大转矩点每一种涡轮增压器都有确定的工作范围。在小流量范围，压气机受喘振限制；在大流量范围，压气机因效率下降过多，亦受到限制；在增压器的高速、高负荷范围内，可能由于废气能量过高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排气温度过高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了超速或超温的限制。由此可以大致确定涡轮增压器的工作范围（图7-17）。图7-17涡轮机增压器的工作范围在此允许的工作范围之内，根据与发动机联合运行的位置，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。图7-18所示为一台车用增压发动机的联合运行区。对于车用增压发动机来说，其负荷与转速都在较大范围内变化，该联合运行区在压气机特性曲线上占有面积偏大，配合的困难相对较大。图7-18车用增压发动机的联合运行区2、根据特性曲线进行匹配根据特性曲线匹配主要考虑以下因素：①增压器选型确定，即可得压气机特性曲线（图7-16）；②将发动机的速度特性和负荷特性转换为空气流量与压比的关系，表示到压气机特性曲线上；③压气机的工作范围（图7-17）主要考虑以下限制：喘振限制、超速限制和低效率限制；④联合运行的范围（图7-18）主要考虑发动机的工况范围应在压气机的工作范围内以及发动机常用工况在高效率区。为了达到匹配要求，尽管改变发动机的某些参数（如排气管设计、配气系统参数等），可以调整联合运行区，但改变涡轮增压器的某些参数（如喷嘴环截面积、压气机有叶扩压器叶片安装角度等），也可以调整联合运行区和喘振线位置，以满足匹配要求。匹配一般可采用以下方法：①流量范围的选择②联合运行线调整③喘振线的调整④压气机堵塞的控制⑤涡轮增压器超速和增压压力的调整二、增压柴油机在结构上的变动

1、增大供油量、调整供油系

为了增加循环供油量，如果仍采用非增压的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉长，经济性变坏。缩短供油持续时间的方法有：增大柱塞直径、增加供油速率（使喷油泵凸轮廓线变陡）以及加大喷油嘴孔径等。从限制最高爆发压力的角度考虑，应适当减小喷油提前角，即减少上止点前燃烧的燃料量。但过多地减小喷油捉前角，可使燃烧大量地延续至膨胀线上，以致发动机经济性和涡轮工作条件变坏。

2、改变配气相位合理地增加气阀叠开角，可加强气缸的扫气作用，有助于降低燃烧室零件的表面温度，增加充量系数，改善涡轮的工作条件。气阀叠开角也不宜过大。

3、减小压缩比、增大过量空气系数为了降低爆发压力，宜适当减小压缩比1～2个单位。过多地减小，不仅会恶化整机经济性，也会使起动性能变差。增大过量空气系数，可降低热负荷，改善经济性，一般适宜将过量空气系数增大10%～30%4、设置分支排气管在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使各缸排气互不干扰，排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不互相重叠（或重叠很少）。例如，一般四冲程柴油机排气脉冲延续时间为240º曲轴转角，这时一根排气管所连接气缸的数目不宜超过三个，同时应该使相邻发火的各缸排气相互隔开，如发火次序为1—5—3—6—2—4的六缸机，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各连一根排气管。表7-2为脉冲增压柴油机排气管分支的例子。表7-2中所列一根排气管连接两个气缸的情况：例如直列4缸或V8缸，由于所连接气缸的发火间隔大于一个气缸的排气延续角，所以排气管有一段时间并不向涡轮机的喷嘴环供气，此时工作轮叶片产生鼓风作用而损耗能量，称为鼓风损失（或称为脉冲涡轮的部分进气损失）。表7-2四冲程脉冲增压系统排气管分支

5、冷却增压空气将增压器出口的增压空气加以冷却，一方面可以提高充气密度，从而提高柴油油机功率；另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低柴油机的热负荷和排气温度。冷却增压空气的方法一般是用水或空气在中间冷却器中进行间接冷却，如图7-19所示。图7-19车用增压柴油机的一种空气冷却的方案1—进气管2—中冷器3—冷却空气4—吸入空气5—空气涡轮风扇6—抽气管道7—涡轮增压器8—排气管三、车用增压柴油机性能

1、低速转矩性能变化一般涡轮增压柴油机在低速时转矩性能差。如图7-20所示，近代各种增压机型可以获得较好的转矩储备，但增压后最大转矩所在的转速比非增压机型均有所增加，这对改善载货车的牵引性能仍有不利之处。图7-20增压与非增压机型的转矩曲线增压发动机的转矩储备不好，也受高速、高负荷区的废气能量过高，或压气机供气量过多影响。在发动机高速运行时放掉涡轮机前一部分废气，或者放掉压气机后一部分增压空气，即所谓放气调节，可以大大改善低速转矩（见图7-21）。图7-21Sofim四缸增压柴油机外特性曲线（采用放气调节）2、加速性能变差发动机若能对负荷与转速作出迅速响应，这对车辆行驶安全性、经济性都是有利的。可是由于涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差。因此，增压发动机的加速性比非增压发动机差。图7-22为增压柴油机带负荷加速时各项参数的变化情况。图7-22增压柴油机带负荷加速时各参数的变化情况3、经济性有所改善车辆采用增压柴油机可以改善车辆的经济性。图7-23a所示为对于同一排量增压与非增压机型的经济性比较，增压不仅使功率范围扩大，而且高负荷的经济运行范围也扩大了；但是在低负荷区涡轮增压器的能量转换不好，此时增压对低负荷经济性已没有明显的好处。如果对同一功率的增压与非增压发动机进行比较，采用增压可以减少排量（减少缸数或缸径），使同一功率的机械损失降低，因而在广阔的运转范围内，增压机的油耗都比非增压机低，等油耗的经济运行区域扩大（图7-23b