《汽车发动机原理（第5版）》 教案 第七章 车用发动机废气涡轮增压

《汽车发动机原理》教案单元第七章车用发动机废气涡轮增压理论授课时间4学时本单元的教学目标1.掌握增压对发动机动力性影响的因素分析2.车用发动机动力性3.理解机械增压、废气涡轮增压、复合增压、惯性增压、组合式涡轮增压、气波增压的原理、机构特点与优缺点。本单元教学内容1.车用发动机增压的原因2.增压系统比较本单元的教学方式（手段）主要采用多媒体播放PPT、动画和视频教学；本单元师生活动设计讲授为主，配合重点内容提问本单元的讲课提纲、板书设计7-1概述一提高发动机单机功率的方法根据：[kW]1改变发动机结构参数：缸数i，缸径D，冲程S，冲程数。2提高转速n及活塞平均运行速度。3提高平均有效压力。增压。其中：为充量密度。二增压的优点和主要技术困难（一）增压的优点1减少气缸数目和气缸直径，减小比重量，提高升功率。采用四气门机构，可大幅度减小比重量，提高升功率。2降低制造成本。3增大热效率，提高燃料经济性。4补偿高原地区的功率损失。5减少排气污染物和噪声。（二）主要技术困难1增压使发动机的机械负荷和热负荷增加。2小型涡轮增压器的效率偏低。3增压器对发动机的扭矩特性和变工况运行的适应性较差。三增压系统的分类根据驱动增压器的能源不同，分为三类。K—压气机，T—废气涡轮机。（一）机械增压系统用于小功率发动机，由发动机曲轴直接驱动，[MPa]。但消耗有效功率，若消耗的有效功率>10%，。（二）废气涡轮增压系统1广泛应用于柴油机。最大，[kW]。2缺点：（1）由于增压器在前，则必须应用汽油喷射系统或压力式化油器。（2）通常化油器不能感受由于增压压力变化而引起的空气密度的变化。因此，不能保证提供具有合适混合比的混合气。（3）由于节气门关闭时限制了增压器排气，容易导致增压器喘振。3缺点：（1）化油器与发动机之间隔了一个增压器。因此，化油器对发动机工况变化反应不敏感。（2）混合气运行长，燃料易在增压器中沉积。（三）复合增压系统四特性参数（一）增压比由公式：[kW]因为：所以：代入式，得：而平均有效压力代入式，得未增压时发动机功率的分析式：增压后，空气密度由未增压时的大气密度变为增压后的密度：代入式，得到增压后的发动机功率分析式：增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。增压前：；增压后：。假定多变指数n=2，则时，才。压力增长很多而密度增大不多。这主要是因为增压后温度会升高的缘故，若增压后温度不变，则与p成线性关系。则：若在整个增压过程中，下降或保持为某一常数，则：此时：与成正比。增压比：；低增压：，[kPa]中增压：，[kPa]高增压：。[kPa]通常，为了不使过高，在增压器与发动机之间设置一个中冷器，对增压后的空气进行冷却，称为中间冷却。由图中可见，有中冷比无中冷时的增加很多。在的高增压时，必须有中冷装置，否则，太高，影响增压效果，使，并导致零件热负荷过高。但在的中、低增加时，没有必要设置中冷装置。（二）增压度为了说明发动机在采用增压后使功率提高的程度，引用增压度的概念：发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比。四冲程增压柴油机，高的增压度已达=3.0以上。车用：=10～60%，普遍=20～30%。限制增压度提高的主要原因是机械负荷的问题。零件机械负荷寿命。增压比增压度。7-2废气涡轮增压器的工作原理涡轮增压器的分类：径流式涡轮：废气沿径向流入涡轮机。用于车用发动机，主要用于车用柴油机，部分能够承受950℃高温的径流式涡轮增压器可用于汽油机。轴流式涡轮：废气沿轴向流入涡轮机。用于大、中型柴油机。由于本章讲述车用发动机的废气涡轮增压，因此将仅讨论径流式涡轮增压器的工作原理和特性。径流式涡轮增压器组成部件：离心式压气机和径流式涡轮机。具有冷却系统和润滑系统。一径流式涡轮增压器的参数范围1流量：0.01~0.396[kg/s]；2最高增压比：3.4；3压气机叶轮直径：34~300[mm]；4最高转速：260000[r/min]；5质量：2.0~10.9[kg]；6配机功率：6~220[kW]；7配机机型：排量250ml以上的摩托车、微型轿车到重型载重汽车。二离心式压气机的工作原理（一）空气在压气机中的流动空气沿轴向流入压气机，沿径向流出压气机。空气在工作轮中流动的速度三角形如图所示。其中：为气流流入工作轮入口的绝对速度，为工作轮A-A截面处的旋转圆周速度，为气流流入工作轮叶片的相对速度。叶片前缘弯曲某一角度，使其与气流入口角基本一致；为工作轮外缘出口处的旋转圆周速度，为气流受离心力作用流出工作轮叶片的相对速度，为气流流入扩压入口的绝对速度。如图所示，空气经压气机压缩后，温度T，压力p和流速c均升高。（二）离心式压气机的特性1压气机效率式中：[kJ/kg]为压气机对空气所做的有用功，[kJ/kg]为空气经过压气机后的焓降。2压气机的增压比流量特性离心式压气机的特性曲线如图所示。特殊线：左侧为喘振边界线，上部为超速限制线，右侧为低效率限制线。–图的两组曲线：（1）等效率曲线椭圆形线圈为等效率曲线，曲线越向内，效率越高。越靠近喘振边界，压气机效率越高，应尽量使最内圈的高效率区的范围大一些。措施：采用无叶扩压器的压气机和后掠式工作轮，可使高效率区的范围扩大。（2）等转速曲线流量↓→增压比↑，效率↑；流量↓↓→增压比↓，效率↓；流量↓↓↓→压气机喘振。3通用特性曲线压气机的特性的四个参数中，增压比和效率是量纲一参数，将流量和转速换算成标准大气状况下的参数，得到的特性曲线即为压气机的通用特性曲线。即经过大气修正的特性曲线为通用特性曲线三径流式涡轮机的工作原理（一）废气在涡轮机中的流动如图所示，废气沿径向流入涡轮机，沿轴向流出涡轮机。1–进气涡壳2–喷嘴环3–工作轮4–出气道如图所示，废气经涡轮机后，温度T和压力p持续降低，流速c经喷嘴升高，经工作轮降低。说明废气的热能、压力和动能都对涡轮机做功，传递给了涡轮机的工作轮。废气经过涡轮机后，剩余的动能称为该涡轮机的余速损失。对于二级复合式增压系统，余速损失与剩余的热能和压力用来驱动二级涡轮机的工作轮。（二）径流式涡轮机的特性1涡轮机效率式中：为废气对涡轮机所做的有用功，[kJ/kg]；为废气经过涡轮机后的焓降，[kJ/kg]。涡轮机效率的范围：。2废气涡轮增压器的总效率式中：为废气涡轮增压器的机械效率。3涡轮机功率式中：为废气的质量流量，[kg/s]。4膨胀比式中：为涡轮机喷嘴入口处的压力，[kPa]；为大气压力，[kPa]。5涡轮机的膨胀比流量特性膨胀比↑→流量↑；膨胀比↑↑→流量达到最大值；膨胀比↑↑↑→流量不再增大，涡轮机阻塞。通常，涡轮机的工作范围比压气机大得多，因此一台涡轮机可以与多台不同型号的压气机配套使用。7-3废气能量的利用如图所示，非增压发动机的进气压力低于大气压力，排气压力高于大气压力，泵气循环为逆时针的逆向循环，因此有泵气损失；增压发动机的进气压力高于大气压力，排气压力低于大气压力，泵气循环为顺时针的正向循环，因此具有泵气功。废气能量利用有两种基本形式：恒压增压系统和脉冲增压系统，如图所示。a–恒压增压系统b–脉冲增压系统各缸发火顺序：1-5-3-6-2-4其中：为发动机缸内压力，为废气流入涡轮机前排气管内压力，为空气流出压气机后进气管内压力。一恒压增压系统如图a所示，增压器涡轮机安装于远离排气歧管的排气总管中，由于涡轮机前排气管的容积较大，所以排气管中的气体压力波动振幅较小，，趋近于恒压。当进气压力时，恒压增压系统可利用废气能量的12%~15%；当进气压力时，可利用废气能量的30%~35%。应用于增压比的高增压大型柴油机。二脉冲增压系统如图b所示，增压器涡轮机安装于接近排气歧管的排气总管中，由于涡轮机前排气管的容积较小，所以排气管中的气体压力波动振幅较大，各缸按发火顺序依次排气，脉冲流入涡轮机中，即脉冲增压系统可以充分利用排气管内的动态效应。但脉冲增压系统的结构比恒压增压系统的复杂。脉冲增压系统可利用废气能量的40%~50%。在排气管中气体的平均压力相同的情况下，脉冲增压系统的涡轮机功率比恒压增压系统的大30%左右。由于脉冲增压系统的气体压力波动振幅较大，所以扫气作用明显，加速性能好。但由于脉冲排气流速较高，所以流动损失增大，涡轮平均绝热效率比恒压增压系统的略低。应用于增压比的中、低增压柴油机。由于车用柴油机经常在部分负荷下运行，因此即使是在增压比的高增压柴油机上仍采用脉冲增压系统。7-4车用增压发动机的性能（一）动力性增压→指示功率↑，平均有效压力↑↑，有效功率↑↑，机械效率↑→比重量↓，升功率↑。（二）扭矩储备早期车用增压发动机的低速扭矩偏低，采用脉冲增压系统以后，增压发动机的低速扭矩得以提高。但增压后最大扭矩所对应的转速偏高，致使扭矩储备偏低。究其原因，是因为高速、高负荷工况废气能量过高，或压气机供气量过大所致。改善措施：放气调节。有两种方案，一是在压气机之后放掉一部分增压空气，二是在涡轮机之前放掉一部分废气。（三）加速性如果增压器对发动机的瞬变工况不能做到快速响应，则会致使增压后发动机的加速性能变差，排气烟度增大。改善措施：采用脉冲增压系统、放气调节、气门叠开角增大不多、利用车辆制动的高压空气向压气机的工作轮喷射等。（四）经济性增压→↑，↑↑，↑↑，↑，经济性改善。增压→发动机功率范围↑，高负荷的经济运行范围↑，经济性改善。增压→低负荷时换气阻力增大，使经济性变化不大。因此，增压对于满载的重型汽车的动力性、经济性和排放性改善明显。（五）排气污染及噪声1排气污染增压→过量空气系数↑→一氧化碳CO↓，碳氢化合物HC↓，通常仅为非增压发动机的1/3~1/2。增压，并采用高喷射率和延迟喷射→氮氧化合物↓。中冷增压→CO↓↓，HC↓↓，↓。2噪声增压→着火延迟期↓→压力升高率↓，最大爆发压力↓→燃烧噪声↓。增压→换气阻力↑→进、排气噪声↓。低负荷时，噪声改善不明显。通常，增压柴油机的总噪声声压级比非增压的低3~5dB。（六）起动性与制动性1起动性增压→换气阻力↑，压缩比↓→起动时压缩终了压力↓，温度↓→起动困难。2制动性增压→升功率↑→使制动力不足。改善措施：安装自动放气装置，在压缩冲程终了时打开排气阀放气，减少膨胀功，使制动时的升功率下降。但会增大HC排放量。§7-5汽油机增压概述一爆震燃烧增压→压缩终了压力↑，温度↑→爆燃趋势↑。改善措施：1点火提前角自适应控制采用点火提前角自适应控制器。当爆震传感器有爆震信号时，自动减小点火提前角，而当爆震传感器无爆震信号时，自动恢复点火提前角。2中冷中冷可使进气温度降低，从而抑制爆燃。3增压压力控制系统的应用采用进、排气放气控制，节流控制、可变喷嘴环截面等措施，控制增压压力，从而抑制爆燃。二热负荷高增压使进气压力提高，混合气密度增大，增大循环喷油量，可使燃烧剧烈。加之汽油机的燃烧温度本来就比柴油机的高，致使汽油机增压后的燃烧温度和排气温度均大幅度提高，热负荷增大。增压后汽油机的热负荷高是制约汽油机加装增压器的最大障碍。改善措施：1中冷中冷可使进气温度降低，从而降低汽油机的热负荷。2增压压力控制系统的应用采用进、排气放气控制，节流控制、可变喷嘴环截面等措施，控制增压压力，从而降低汽油机的热负荷。三增压系统复杂，增压器对汽油机的变工况运行反应滞后汽油机工况变化频繁，且范围大，加之进气系统有节气门和阻风门，因此，结构复杂，增压器对汽油机的变工况运行反应滞后，增压器与汽油机匹配困难。改善措施：1电控汽油喷射系统的应用电控汽油喷射系统应用传感器和微处理器，对汽油机的变工况运行进行有效控制，从而改善了增压器与汽油机的匹配问题。2增压压力控制系统的应用采用进、排气放气控制，节流控制、可变喷嘴环截面等措施，控制增压压力，改善增压器与汽油机的匹配问题。本单元的重点和难点1.增压对发动机动力性的影响因素2.车用发动机动力性计算3.车用发动机动力性计算中各公式的含义及相互联系本单元的补充内容1.结合实际机型，认识增压发动机；2.探秘涡轮增压的前世今生；本单元需查询的文献