第三章 發(fā)動機(jī)廢氣增壓1

1、第三章第三章 汽車發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓汽車發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓 本章學(xué)習(xí)思路本章學(xué)習(xí)思路 （增壓的目的）（增壓的目的）為什么增壓為什么增壓 ？ 增壓給內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性帶來的優(yōu)勢增壓給內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性帶來的優(yōu)勢 如何增壓如何增壓 ？如何評價增壓器的性能如何評價增壓器的性能 ？ 渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的特性渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的特性 運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)的動力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和沖量運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)的動力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和沖量系數(shù)透析：系數(shù)透析：實例：大眾新型實例：大眾新型1.4L-TSI雙增壓器汽油直噴發(fā)動機(jī)雙增壓器汽油直噴發(fā)動機(jī)汽油機(jī)增壓技術(shù)汽油機(jī)增壓技術(shù) 特點(diǎn)與措施特點(diǎn)與措施 （結(jié)構(gòu)與（結(jié)構(gòu)

2、與原理）原理）資料來源：蓋瑞特公司資料來源：蓋瑞特公司簡單回顧簡單回顧 es第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 從內(nèi)燃機(jī)的從內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)和提高沖量系數(shù)性能指標(biāo)和提高沖量系數(shù)的角度的角度透析提高發(fā)動機(jī)透析提高發(fā)動機(jī)功率的途徑功率的途徑 及增壓的及增壓的 優(yōu)勢優(yōu)勢 。由發(fā)動機(jī)有效功率由發(fā)動機(jī)有效功率Vs （D2/4）SPeiD2Snpme/ iD2Cmpme/加大內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)加大內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)? 提高轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)速? Cmc cmCm的的同時：燃料經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、機(jī)件壽命同時：燃料經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、機(jī)件壽命噪聲噪聲提高平均有效壓力提高平均有效壓力 ！ ！ 又有又有 pme 過量空氣系

3、數(shù)過量空氣系數(shù) 進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸的進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸的沖量密度沖量密度 由吸入空氣量計算平均有效壓力由吸入空氣量計算平均有效壓力 ，可推導(dǎo)得，可推導(dǎo)得 （教材（教材中略）中略） 假定增壓前后內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速假定增壓前后內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速n及過量空氣系數(shù)及過量空氣系數(shù)a保持不變保持不變一、發(fā)動機(jī)采用渦輪增壓后帶來的好處：一、發(fā)動機(jī)采用渦輪增壓后帶來的好處：1、因為有一部分排氣能量被利用，、因為有一部分排氣能量被利用，使進(jìn)氣得到壓使進(jìn)氣得到壓縮，換氣過程形成正的泵氣功縮，換氣過程形成正的泵氣功，所以增壓后發(fā)動所以增壓后發(fā)動機(jī)的指示熱效率對機(jī)的指示熱效率對it略有增加。機(jī)械效率略有增加。機(jī)械效率 m也隨也隨增壓度的

4、提高而有所提高增壓度的提高而有所提高。2、增壓后發(fā)動機(jī)的、增壓后發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣密度進(jìn)氣密度s增加，若采用增增加，若采用增壓中冷，發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度降低，壓中冷，發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度降低， s更高更高。因。因為有為有掃氣作用，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，掃氣作用，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，同時減少了對進(jìn)氣加熱作用，使充量系數(shù)同時減少了對進(jìn)氣加熱作用，使充量系數(shù)c提提高。高。 增壓技術(shù)除具有提高發(fā)動機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢外，還表增壓技術(shù)除具有提高發(fā)動機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢外，還表現(xiàn)在：現(xiàn)在： l）增壓器的質(zhì)量與尺寸相對發(fā)動機(jī)而言都很小，增壓可以使發(fā)動）增壓器的質(zhì)量與尺寸相對發(fā)動機(jī)而言都很小，增壓可以

5、使發(fā)動機(jī)在總質(zhì)量和體積基本不變的條件下，機(jī)在總質(zhì)量和體積基本不變的條件下，輸出功率得到大幅度的提高，輸出功率得到大幅度的提高，升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加，因而可以降低單因而可以降低單位功率的造價，提高材料的利用率，對于大型柴油機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)效位功率的造價，提高材料的利用率，對于大型柴油機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)效益更加突出。益更加突出。 2）與自然吸氣內(nèi)燃機(jī)相比，排氣可以在渦輪中得到進(jìn)一步膨脹，）與自然吸氣內(nèi)燃機(jī)相比，排氣可以在渦輪中得到進(jìn)一步膨脹，排氣噪聲有所降低排氣噪聲有所降低。 3）內(nèi)燃機(jī)增壓后有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率，使之達(dá)）內(nèi)燃機(jī)增壓

6、后有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率，使之達(dá)到或接近平原性能。到或接近平原性能。 4）柴油機(jī)增壓后，缸內(nèi)溫度和壓力水平提高，可以使滯燃期縮）柴油機(jī)增壓后，缸內(nèi)溫度和壓力水平提高，可以使滯燃期縮短。短。 5）增壓柴油機(jī)一般采用較大的過量空氣系數(shù)，）增壓柴油機(jī)一般采用較大的過量空氣系數(shù)，HC、CO和碳煙和碳煙排放降低排放降低。 6）技術(shù)適用性廣，適用于從低速到高速的二沖程和四沖程的各）技術(shù)適用性廣，適用于從低速到高速的二沖程和四沖程的各種缸徑的發(fā)動機(jī)。種缸徑的發(fā)動機(jī)。二、二、增壓優(yōu)勢的取得所需要花費(fèi)的代價增壓優(yōu)勢的取得所需要花費(fèi)的代價 l）增壓后缸內(nèi)工作壓力和溫度明顯提高，）增壓后缸內(nèi)工作壓力和溫度

7、明顯提高，機(jī)械負(fù)荷及熱機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷加大，內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性受到考驗負(fù)荷加大，內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性受到考驗。 2）低速時由于排氣能量不足，可能會使）低速時由于排氣能量不足，可能會使發(fā)動機(jī)的低速轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩受到一定影響矩受到一定影響，對工程機(jī)械和車用造成不利影響。，對工程機(jī)械和車用造成不利影響。 3）在渦輪增壓器中，從排氣能量的變化到新的進(jìn)氣壓力）在渦輪增壓器中，從排氣能量的變化到新的進(jìn)氣壓力的建立需要一定的時間，所以的建立需要一定的時間，所以內(nèi)燃機(jī)的加速響應(yīng)性能較自內(nèi)燃機(jī)的加速響應(yīng)性能較自然吸氣機(jī)型差然吸氣機(jī)型差（在低速段出現(xiàn)加速滯后現(xiàn)象（在低速段出現(xiàn)加速滯后現(xiàn)象 lag）。 4

8、）增壓發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器）增壓發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器的限制，其中的限制，其中增壓器的問題集中在材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱增壓器的問題集中在材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能、潤滑、效率等方面，而對中冷器的要求是體積小，性能、潤滑、效率等方面，而對中冷器的要求是體積小，質(zhì)量輕、效率高。質(zhì)量輕、效率高?；局R基本知識 ：增壓度增壓度 增壓比增壓比 內(nèi)燃機(jī)在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。內(nèi)燃機(jī)在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。 增壓后功率增壓后功率 一般一般 ，車用發(fā)動機(jī)，車用發(fā)動機(jī)1060增壓比增壓比 k=pk/p0即增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比即增壓

9、后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比增壓前功率增壓前功率k1.31.6 對應(yīng)對應(yīng)pme7001000kpa k1.62.5 對應(yīng)對應(yīng)pme10001500kpa 低增壓低增壓 k2.5 對應(yīng)對應(yīng)pme1500kpa 中增壓中增壓 高增壓高增壓 最大功率最大功率(kW/r/min)125/5500最大扭距最大扭距(N.m/r/min)235/2000-4500油耗油耗(L/100Km)6.6排放排放歐四歐四華晨華晨1.8T發(fā)動機(jī)參數(shù)發(fā)動機(jī)參數(shù) 機(jī)械增壓機(jī)械增壓 渦輪增壓渦輪增壓 單渦輪增壓系統(tǒng)單渦輪增壓系統(tǒng)利用廢氣能量利用廢氣能量 推動渦輪推動渦輪 ，再帶動壓氣機(jī)再帶動壓氣機(jī) ，所以，比機(jī)械，所以，比

10、機(jī)械增壓器效率高增壓器效率高 中冷器中冷器諧振室諧振室雙渦輪增壓系統(tǒng)雙渦輪增壓系統(tǒng) 旁通閥旁通閥 第二節(jié)渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理第二節(jié)渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 壓氣機(jī)壓氣機(jī)渦輪機(jī)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有多高？轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有多高？葉片式噴管葉片式噴管 廢氣廢氣 渦殼渦殼 廢氣在渦輪機(jī)廢氣在渦輪機(jī) 內(nèi)部流動情況內(nèi)部流動情況 渦輪葉輪渦輪葉輪廢氣從渦殼進(jìn)入廢氣從渦殼進(jìn)入 氣流在收縮截面的通道流動時，氣體壓力、溫度降低，流氣流在收縮截面的通道流動時，氣體壓力、溫度降低，流速增加速增加渦輪殼渦輪殼噴嘴葉片噴嘴葉片 葉片葉片 氣流在擴(kuò)壓管內(nèi)流動，降速增壓氣流在擴(kuò)壓管內(nèi)流動，降速增壓 收集擴(kuò)壓管收集擴(kuò)壓

11、管流出的空氣流出的空氣離心式壓氣機(jī)離心式壓氣機(jī) 壓力增加壓力增加 繼續(xù)降速增壓繼續(xù)降速增壓 進(jìn)氣道進(jìn)氣道 工作輪工作輪 擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器出氣蝸殼出氣蝸殼 壓氣機(jī)中氣流參數(shù)的變化壓氣機(jī)中氣流參數(shù)的變化 絕熱效率絕熱效率 增壓比增壓比 流量流量 喘振線喘振線 在一定的轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣在一定的轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)的氣體流量減小到一定程機(jī)的氣體流量減小到一定程度后，度后，氣體就會氣體就會在葉輪或擴(kuò)在葉輪或擴(kuò)壓器入口處出現(xiàn)邊界層的分壓器入口處出現(xiàn)邊界層的分離，導(dǎo)致氣體回流離，導(dǎo)致氣體回流。分離渦分離渦流迅速擴(kuò)展到壓氣機(jī)的其他流迅速擴(kuò)展到壓氣機(jī)的其他部分，部分，氣流出現(xiàn)強(qiáng)烈的振氣流出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，引起工作輪葉片強(qiáng)蕩

12、，引起工作輪葉片強(qiáng)烈的振動，并產(chǎn)生很大烈的振動，并產(chǎn)生很大的噪聲的噪聲，這一現(xiàn)象稱為壓這一現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的氣機(jī)的喘振喘振。把出現(xiàn)喘振。把出現(xiàn)喘振的工作點(diǎn)稱為的工作點(diǎn)稱為喘振點(diǎn)喘振點(diǎn)，對應(yīng)，對應(yīng)的流量就是喘振流量。的流量就是喘振流量。什么叫喘振？什么叫喘振？堵塞堵塞 在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量超過設(shè)計工況到一定數(shù)值后，壓在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量超過設(shè)計工況到一定數(shù)值后，壓氣機(jī)的增壓比和效率均急速下降，而流量卻不會再增加，這一現(xiàn)象氣機(jī)的增壓比和效率均急速下降，而流量卻不會再增加，這一現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的堵塞。稱為壓氣機(jī)的堵塞。產(chǎn)生產(chǎn)生壓氣機(jī)堵塞的原因是通道中某個截面上的壓氣機(jī)堵塞的原因是通道中某個截

13、面上的氣流速度達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲ㄅR界狀態(tài)），從而限制了流量的增加氣流速度達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲ㄅR界狀態(tài)），從而限制了流量的增加。壓。壓氣機(jī)堵塞時所對應(yīng)的氣體流量稱為堵塞流量，它也是該轉(zhuǎn)速下壓氣氣機(jī)堵塞時所對應(yīng)的氣體流量稱為堵塞流量，它也是該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)所對應(yīng)的最大流量。通常人為地規(guī)定當(dāng)效率降低到機(jī)所對應(yīng)的最大流量。通常人為地規(guī)定當(dāng)效率降低到 55時，就時，就認(rèn)為出現(xiàn)了堵塞。認(rèn)為出現(xiàn)了堵塞。 當(dāng)壓氣機(jī)流量超過設(shè)計值時，盡管也會發(fā)生氣流與壁面的分離當(dāng)壓氣機(jī)流量超過設(shè)計值時，盡管也會發(fā)生氣流與壁面的分離現(xiàn)象，但由于氣流慣性的存在，使得發(fā)生分離的氣體受到其他氣體現(xiàn)象，但由于氣流慣性的存在，使得發(fā)生分離的氣體受到其

14、他氣體的壓縮而局限在入口邊緣，無法擴(kuò)展到整個葉片通道，故不會產(chǎn)生的壓縮而局限在入口邊緣，無法擴(kuò)展到整個葉片通道，故不會產(chǎn)生喘振，但撞擊損失卻是增大了。研究表明，出現(xiàn)堵塞的臨界截面位喘振，但撞擊損失卻是增大了。研究表明，出現(xiàn)堵塞的臨界截面位置一般置一般出現(xiàn)在葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)口喉部附近或是工作輪葉片進(jìn)口的喉出現(xiàn)在葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)口喉部附近或是工作輪葉片進(jìn)口的喉部附近部附近。壓氣機(jī)堵塞后，流量便不能再增加，因此只能通過提高壓。壓氣機(jī)堵塞后，流量便不能再增加，因此只能通過提高壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，才能獲得更高的流量。氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，才能獲得更高的流量。 離心式壓氣機(jī)在大流量時可能發(fā)生堵塞，在小流量時離心式壓氣機(jī)在大流

15、量時可能發(fā)生堵塞，在小流量時又可能引起喘振，又可能引起喘振，因此在設(shè)計或選配時應(yīng)設(shè)法保證壓氣機(jī)因此在設(shè)計或選配時應(yīng)設(shè)法保證壓氣機(jī)具有寬廣的工作范圍，以滿足增壓發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。具有寬廣的工作范圍，以滿足增壓發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。渦輪增壓器 進(jìn)氣道進(jìn)氣道 EGR 管管 中冷器中冷器 排氣管排氣管 中冷器中冷器渦輪增壓器實物渦輪增壓器實物 渦輪增壓器實物渦輪增壓器實物 渦輪增壓器的兩個難題：渦輪增壓器的兩個難題：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很高時，渦輪轉(zhuǎn)速也很高，壓縮空氣量超出需要。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很高時，渦輪轉(zhuǎn)速也很高，壓縮空氣量超出需要。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)速，空氣壓縮不發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)速，空氣壓縮不足，發(fā)動機(jī)功率達(dá)不到要求。（增壓滯后）足，發(fā)動機(jī)功率達(dá)不到要求。（增壓滯后）增大發(fā)動機(jī)的扭增大發(fā)動機(jī)的扭矩，從而提高發(fā)矩，從而提高發(fā)動機(jī)功率動機(jī)功率。旁通閥式渦輪增壓器