第三章發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓

1、第三章第三章 發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 增壓增壓: : 利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動機(jī)氣缸的過程。送入發(fā)動機(jī)氣缸的過程。 增壓后，每循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增增壓后，每循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增大，使實(shí)際充氣量增加大，使實(shí)際充氣量增加, 提高發(fā)動機(jī)功率、改善經(jīng)濟(jì)提高發(fā)動機(jī)功率、改善經(jīng)濟(jì)性和排放特性。性和排放特性。 千方百計增大每循環(huán)或單位時間輸入發(fā)動千方百計增大每循環(huán)或單位時間輸入發(fā)動機(jī)的充氣量是提高整機(jī)輸出功

2、率的直觀而有機(jī)的充氣量是提高整機(jī)輸出功率的直觀而有效的方法。效的方法。-增壓、二沖程、多氣門、提增壓、二沖程、多氣門、提高轉(zhuǎn)速、進(jìn)高轉(zhuǎn)速、進(jìn)/ /排起門動態(tài)效應(yīng)應(yīng)用等。排起門動態(tài)效應(yīng)應(yīng)用等。 由于進(jìn)氣壓力與輸出功率成正比，所以由于進(jìn)氣壓力與輸出功率成正比，所以增壓技術(shù)是強(qiáng)化發(fā)動機(jī)最有效的手段，是增壓技術(shù)是強(qiáng)化發(fā)動機(jī)最有效的手段，是發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展中的一個重要方向。目前，發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展中的一個重要方向。目前，柴油機(jī)中大都采用了增壓技術(shù)，汽油機(jī)中柴油機(jī)中大都采用了增壓技術(shù)，汽油機(jī)中的應(yīng)用也日趨增多。的應(yīng)用也日趨增多。 增壓與自然吸氣機(jī)型相比，主要是換氣增壓與自然吸氣機(jī)型相比，主要是換氣過程方面發(fā)生變

3、化，并由此引起結(jié)構(gòu)、工過程方面發(fā)生變化，并由此引起結(jié)構(gòu)、工作過程和性能的差異。作過程和性能的差異。增壓度 增壓度是指發(fā)動機(jī)增壓后增長的功率與增壓前的在標(biāo)定工況的輸出功率之比。（最高可達(dá)300%以上，車用發(fā)動機(jī)=10%-60% ）按按增壓增壓比比分類分類: 低增壓：低增壓： 1.31.6， 700 1000kPa；中增壓：中增壓： 1.62.5， 10001500kPa；高增壓：高增壓： 2.5， 1500kPa；超高增壓超高增壓 4.55.5， 25003500kPa。kmep增壓比增壓比是指在標(biāo)定工況時增壓后空氣壓力k與增壓前的空氣壓力之比。k 增壓度受到原機(jī)型主要零部件的熱負(fù)荷、機(jī)械強(qiáng)度以

4、及動態(tài)特性和車輛對轉(zhuǎn)矩加大的適應(yīng)性等條件的限制，并非越大越好。 增壓比與增壓度存在一定的非正比函數(shù)關(guān)系。由于增壓比是狀態(tài)參數(shù)壓力的比值，在增壓機(jī)性能分析中應(yīng)用較廣。(1)機(jī)械增壓機(jī)械增壓系統(tǒng)系統(tǒng) 發(fā)動機(jī)輸出軸直接驅(qū)發(fā)動機(jī)輸出軸直接驅(qū)動機(jī)械增壓器，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)動機(jī)械增壓器，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣的壓縮。氣的壓縮。 增壓器有：離心式增壓器有：離心式壓氣機(jī)、羅茨式壓氣機(jī)、壓氣機(jī)、羅茨式壓氣機(jī)、螺旋轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)或滑片螺旋轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)或滑片轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)等。轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)等。 用于用于低增壓低增壓小功率發(fā)動機(jī)。小功率發(fā)動機(jī)。圖3-1增壓增壓的方法多種：的方法多種：它的動態(tài)特性比廢氣渦輪增壓好，因?yàn)闄C(jī)它的動態(tài)特性比廢氣渦輪增

5、壓好，因?yàn)闄C(jī)械響應(yīng)比氣體相應(yīng)快，對排氣系統(tǒng)沒有干械響應(yīng)比氣體相應(yīng)快，對排氣系統(tǒng)沒有干擾，但消耗發(fā)動機(jī)輸出功，所以增壓比不擾，但消耗發(fā)動機(jī)輸出功，所以增壓比不能大。能大。(2)廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓系系統(tǒng)統(tǒng) 壓氣機(jī)與渦輪壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。渦輪在輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。壓。 廣泛應(yīng)用于柴廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)。油機(jī)。渦輪增壓的原理渦輪增壓的原理 紅色為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣紅色為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣廢氣渦輪增壓器廢氣渦輪增壓器()復(fù)合增壓復(fù)合增壓系統(tǒng)系統(tǒng)將廢氣動將廢氣動

6、力渦輪與廢氣力渦輪與廢氣渦輪增壓器串渦輪增壓器串聯(lián)起來工作，聯(lián)起來工作，稱為復(fù)合式增稱為復(fù)合式增壓系統(tǒng)。壓系統(tǒng)。（廢氣動力渦輪（廢氣動力渦輪實(shí)質(zhì)是直接回收實(shí)質(zhì)是直接回收廢能。）廢能。） (4)組合增壓組合增壓系統(tǒng)系統(tǒng) 組合式渦輪增壓組合式渦輪增壓系統(tǒng)由廢氣渦輪增系統(tǒng)由廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣慣性增壓壓與進(jìn)氣慣性增壓組合而成。在該增組合而成。在該增壓系統(tǒng)中，除廢氣壓系統(tǒng)中，除廢氣渦輪增壓器外，還渦輪增壓器外，還有由穩(wěn)壓箱、共振有由穩(wěn)壓箱、共振管、共振室等構(gòu)成管、共振室等構(gòu)成的進(jìn)氣慣性增壓系的進(jìn)氣慣性增壓系統(tǒng)，利用壓力峰值統(tǒng)，利用壓力峰值,進(jìn)一步提高增壓后進(jìn)一步提高增壓后的進(jìn)氣壓力。的進(jìn)氣壓力。 組合增

7、壓系指將幾種增壓方式組合使用。其中一組合增壓系指將幾種增壓方式組合使用。其中一種是機(jī)械增壓與廢氣渦輪增壓組合，該系統(tǒng)空氣先種是機(jī)械增壓與廢氣渦輪增壓組合，該系統(tǒng)空氣先經(jīng)過機(jī)械增壓，然后再經(jīng)過廢氣渦輪增壓，二次增經(jīng)過機(jī)械增壓，然后再經(jīng)過廢氣渦輪增壓，二次增壓。目的是為了保證獲得起動及低速、低負(fù)荷工況壓。目的是為了保證獲得起動及低速、低負(fù)荷工況的增壓壓力，并可改變低速的轉(zhuǎn)矩特性。多用于大的增壓壓力，并可改變低速的轉(zhuǎn)矩特性。多用于大型二沖程機(jī)。型二沖程機(jī)。 另一種是廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)相結(jié)合另一種是廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)相結(jié)合的調(diào)諧增壓（前述，其實(shí)質(zhì)是一種進(jìn)氣調(diào)諧增的調(diào)諧增壓（前述，其實(shí)質(zhì)

8、是一種進(jìn)氣調(diào)諧增壓。）。經(jīng)合理匹配后，在某一轉(zhuǎn)速下，會產(chǎn)生氣壓。）。經(jīng)合理匹配后，在某一轉(zhuǎn)速下，會產(chǎn)生氣柱的諧振，使所屬三各缸在各自進(jìn)氣終了前，都能柱的諧振，使所屬三各缸在各自進(jìn)氣終了前，都能充分利用動態(tài)效應(yīng)而增大充分利用動態(tài)效應(yīng)而增大c值。如果諧振點(diǎn)出現(xiàn)在值。如果諧振點(diǎn)出現(xiàn)在低速，則此組合系統(tǒng)將改善增壓機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩特性。低速，則此組合系統(tǒng)將改善增壓機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩特性。 組組合增壓合增壓 (Combined Supercharging) (Combined Supercharging)Sequential Turbocharging Supercharger-Assisted Turbochar

9、ger ()氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓系統(tǒng) 所謂氣波增壓，所謂氣波增壓，是由曲軸驅(qū)動一個特是由曲軸驅(qū)動一個特殊轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中廢殊轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中廢氣直接與空氣接觸，氣直接與空氣接觸，利用高壓廢氣的脈沖利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣在互相氣波迫使空氣在互相不混合的情況下受到不混合的情況下受到壓縮壓縮利用進(jìn)氣及利用進(jìn)氣及排氣系統(tǒng)中的波動效排氣系統(tǒng)中的波動效應(yīng)來壓縮進(jìn)氣。從而應(yīng)來壓縮進(jìn)氣。從而提高進(jìn)氣壓力。提高進(jìn)氣壓力。 Wave Supercharging 氣波增壓氣波增壓 (COMPREX)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、低速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、低速轉(zhuǎn)矩大，適于載重貨車、工程機(jī)械轉(zhuǎn)矩大，適于載重貨車、工

10、程機(jī)械等柴油機(jī)的要求。但體積大、噪聲等柴油機(jī)的要求。但體積大、噪聲高、有額外功率消耗等缺點(diǎn)，還需高、有額外功率消耗等缺點(diǎn)，還需進(jìn)一步完善。進(jìn)一步完善。在內(nèi)燃機(jī)中，燃料所供給能量的在內(nèi)燃機(jī)中，燃料所供給能量的20%-45%是由排氣帶走的，排氣的最大可用能是由排氣帶走的，排氣的最大可用能約占排氣總能量的約占排氣總能量的60%左右。左右。廢氣的最大可用能量廢氣的最大可用能量 排氣可排氣可利用的廢能利用的廢能回收的能量回收的能量-泵氣正功泵氣正功第二節(jié)第二節(jié) 廢氣能量的利用廢氣能量的利用帶中冷器的廢所渦輪增壓系統(tǒng)帶中冷器的廢所渦輪增壓系統(tǒng)圖中藍(lán)色的為進(jìn)氣管，紅色的為排氣管。圖中藍(lán)色的為進(jìn)氣管，紅色的為

11、排氣管。排氣渦輪增壓排氣渦輪增壓 (Turbocharging)(Turbocharging) 排氣推動渦輪旋轉(zhuǎn)排氣推動渦輪旋轉(zhuǎn), ,渦輪帶動壓氣機(jī)工作，渦輪帶動壓氣機(jī)工作， 實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。l 壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。l 定壓和脈沖渦輪增壓定壓和脈沖渦輪增壓l 徑流渦輪和軸流渦輪徑流渦輪和軸流渦輪一一、徑流式渦輪的工作原理、徑流式渦輪的工作原理 燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的流動燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的流動 離心式壓氣機(jī)徑流式渦輪中間體 廢氣從工作葉輪轉(zhuǎn)子的外緣由進(jìn)廢氣從工作葉輪轉(zhuǎn)子的外緣由進(jìn)氣蝸殼流入，經(jīng)過一系列工作路徑后氣蝸殼流入，經(jīng)過一系列工作

12、路徑后從渦輪中心軸向流出。從渦輪中心軸向流出。 在渦輪工作葉輪中，葉片之間的在渦輪工作葉輪中，葉片之間的通道也是呈漸縮狀，氣體在通道中將通道也是呈漸縮狀，氣體在通道中將繼續(xù)膨脹。當(dāng)氣流流過工作葉輪葉片繼續(xù)膨脹。當(dāng)氣流流過工作葉輪葉片時，氣流轉(zhuǎn)彎。由于離心力作用的結(jié)時，氣流轉(zhuǎn)彎。由于離心力作用的結(jié)果，在葉面的凹面上壓力得到提高，果，在葉面的凹面上壓力得到提高，而在凸面則降低。作用在葉片表面的而在凸面則降低。作用在葉片表面的壓力的合力，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。此時，壓力的合力，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。此時，在在工作輪出口處壓力、溫度以及速度均工作輪出口處壓力、溫度以及速度均下降，而出口處的氣體速度已經(jīng)大大下降，而出口處的

13、氣體速度已經(jīng)大大小于進(jìn)口速度，氣體膨脹所獲得的動小于進(jìn)口速度，氣體膨脹所獲得的動能已大部分傳給了工作葉輪。能已大部分傳給了工作葉輪。 二二、離心式壓氣機(jī)的工作原理與特性、離心式壓氣機(jī)的工作原理與特性圖圖310 離心式壓氣機(jī)簡圖離心式壓氣機(jī)簡圖1進(jìn)氣道；進(jìn)氣道；2工作輪；工作輪；3擴(kuò)壓器；擴(kuò)壓器；4出氣蝸殼出氣蝸殼基本工作原理基本工作原理 ：空氣沿：空氣沿收斂型的軸向進(jìn)氣道略收斂型的軸向進(jìn)氣道略有加速地進(jìn)入工作輪，有加速地進(jìn)入工作輪，并沿著工作輪上葉片所并沿著工作輪上葉片所構(gòu)成的通道流動，由于構(gòu)成的通道流動，由于工作輪中的空氣隨工作工作輪中的空氣隨工作輪一起旋轉(zhuǎn)，工作輪的輪一起旋轉(zhuǎn)，工作輪的機(jī)械

14、能傳遞給氣體，轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給氣體，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，使氣變?yōu)闅怏w的動能，使氣體運(yùn)動的線速度增大，體運(yùn)動的線速度增大，使之能克服氣體微團(tuán)所使之能克服氣體微團(tuán)所受徑向壓差的作用，而受徑向壓差的作用，而沿著螺旋線軌跡向輪緣沿著螺旋線軌跡向輪緣方向運(yùn)動，達(dá)到了增壓方向運(yùn)動，達(dá)到了增壓的目的。的目的。 定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng) 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)一）、定壓渦輪增壓系統(tǒng)一）、定壓渦輪增壓系統(tǒng) 定壓增壓定壓增壓 把內(nèi)燃機(jī)所有氣缸的排氣收集到一根尺寸較大的排氣總把內(nèi)燃機(jī)所有氣缸的排氣收集到一根尺寸較大的排氣總管管, ,然后再引入渦輪。由于總管尺寸大，同時各缸排氣相然后再引入渦輪。由于總管

15、尺寸大，同時各缸排氣相互交替補(bǔ)充，使排氣管內(nèi)壓力波動很小，由于排氣管的互交替補(bǔ)充，使排氣管內(nèi)壓力波動很小，由于排氣管的穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為定壓增定壓增壓壓。特特 點(diǎn)點(diǎn) 渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，渦輪效率較高渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，渦輪效率較高 氣流引起的激振和沖擊小，工作穩(wěn)定氣流引起的激振和沖擊小，工作穩(wěn)定 排氣系統(tǒng)簡單，成本較低，易于布置和維護(hù)排氣系統(tǒng)簡單，成本較低，易于布置和維護(hù)缺缺 點(diǎn)點(diǎn) 脈沖能量的利用率較低，加速性能差。脈沖能量的利用率較低，加速性能差。CONSTANT PRESSURE TURBOCHARGING SYSTEM

16、CONSTANT PRESSURE TURBOCHARGING SYSTEM24定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng)能量平衡定壓渦輪增壓系統(tǒng)能量平衡 Energy AnalysisEnergy Analysis Vs26 假定渦輪發(fā)動機(jī)按理想循環(huán)運(yùn)行，在渦輪機(jī)假定渦輪發(fā)動機(jī)按理想循環(huán)運(yùn)行，在渦輪機(jī)和壓氣機(jī)中也實(shí)現(xiàn)等熵膨脹和壓縮的理想循環(huán)和壓氣機(jī)中也實(shí)現(xiàn)等熵膨脹和壓縮的理想循環(huán) 增壓機(jī)循環(huán)增壓機(jī)循環(huán)aczzb543aaczzb543a；渦輪機(jī)工作過程；渦輪機(jī)工作過程egifeegife；壓氣機(jī)工作過程；壓氣機(jī)工作過程agioaagioa p pb b、p pk k(p(pT T) )

17、、p p0 0為壓氣機(jī)出口平均壓力、渦輪為壓氣機(jī)出口平均壓力、渦輪機(jī)入口平均壓力和大氣壓力機(jī)入口平均壓力和大氣壓力 543a5543a5表示泵氣正功表示泵氣正功 排氣中可利用的能量排氣中可利用的能量（1 1）廢氣最大可利用能）廢氣最大可利用能bf1bbf1b（2 2）排氣過程中，活塞推動廢氣所作的功）排氣過程中，活塞推動廢氣所作的功5421554215（3 3）掃氣部分具有的能量轉(zhuǎn)入廢氣）掃氣部分具有的能量轉(zhuǎn)入廢氣3gi233gi2327 渦輪機(jī)所作的理論功渦輪機(jī)所作的理論功egifeegife。燃?xì)庠诘竭_(dá)渦輪機(jī)前。燃?xì)庠诘竭_(dá)渦輪機(jī)前有節(jié)流、不可逆膨脹、摩擦等能量損失，（平均壓有節(jié)流、不可逆膨

18、脹、摩擦等能量損失，（平均壓力為力為p pk k）其中一部分能量轉(zhuǎn)化為摩擦熱，提高了排）其中一部分能量轉(zhuǎn)化為摩擦熱，提高了排氣工質(zhì)的溫度，可以多做一部分功氣工質(zhì)的溫度，可以多做一部分功eeffeeeffe，be5b-be5b-eeffeeeffe是廢氣可用能的耗損，是廢氣可用能的耗損，3gg433gg43是掃氣能量是掃氣能量損失。損失。 壓氣機(jī)將汽缸排量與掃氣量兩部分工質(zhì)由壓氣機(jī)將汽缸排量與掃氣量兩部分工質(zhì)由p p0 0壓縮到壓縮到p pk k的壓縮功的壓縮功agi0aagi0a 根據(jù)能量守恒，渦輪機(jī)輸出功根據(jù)能量守恒，渦輪機(jī)輸出功egifeegife應(yīng)與壓氣機(jī)應(yīng)與壓氣機(jī)壓縮功壓縮功agioa

19、agioa相等。二者共同面積部分的功量相等。二者共同面積部分的功量dgioddgiod抵消后，燃燒廢氣回收的能量抵消后，燃燒廢氣回收的能量ed0feed0fe正好正好用于支付增壓機(jī)的泵氣正功和掃氣的能量損失。這用于支付增壓機(jī)的泵氣正功和掃氣的能量損失。這樣就可確定增壓比的值。樣就可確定增壓比的值。 事實(shí)上渦輪機(jī)和壓氣機(jī)以及發(fā)動機(jī)泵氣過程中還存事實(shí)上渦輪機(jī)和壓氣機(jī)以及發(fā)動機(jī)泵氣過程中還存在各種流動和機(jī)械損失，進(jìn)入渦輪機(jī)的能量要比壓在各種流動和機(jī)械損失，進(jìn)入渦輪機(jī)的能量要比壓氣機(jī)輸出的能量大很多。因此實(shí)際壓縮比比上述理氣機(jī)輸出的能量大很多。因此實(shí)際壓縮比比上述理論值要小，甚至?xí)霈F(xiàn)論值要小，甚至?xí)?/p>

20、出現(xiàn)p pb bppk k的情況。的情況。二二) )、脈沖渦輪增壓系統(tǒng)、脈沖渦輪增壓系統(tǒng)排氣管短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積小，排氣過程造成渦輪進(jìn)排氣管短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積小，排氣過程造成渦輪進(jìn)口壓力的周期性脈動。渦輪是在進(jìn)口壓力有較大波動的口壓力的周期性脈動。渦輪是在進(jìn)口壓力有較大波動的情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓。情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓。Pulse Turbocharging System脈沖增壓脈沖增壓缺缺 點(diǎn)點(diǎn)特特 點(diǎn)點(diǎn)排氣系統(tǒng)容積小，渦輪是在進(jìn)口壓力脈動。排氣系統(tǒng)容積小，渦輪是在進(jìn)口壓力脈動。節(jié)流損失減小，排氣能量利用率提高。節(jié)流損失減小，排氣能量利用率提高。加速響應(yīng)快加速響

21、應(yīng)快排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置較困難。排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置較困難。渦輪受沖擊較大，對壽命有一定影響。渦輪受沖擊較大，對壽命有一定影響。脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈動能量利用脈動能量利用 合理組織排氣管內(nèi)的壓力波合理組織排氣管內(nèi)的壓力波（同時為（同時為了適當(dāng)簡化結(jié)構(gòu)，將排氣互不重疊的幾了適當(dāng)簡化結(jié)構(gòu)，將排氣互不重疊的幾個缸合為一組，廢氣仍能保持脈沖波的個缸合為一組，廢氣仍能保持脈沖波的變速狀態(tài)沖擊渦輪），變速狀態(tài)沖擊渦輪），充分利用廢氣脈充分利用廢氣脈動能量動能量1 1、盡快建立排氣管內(nèi)的壓力、盡快建立排氣管內(nèi)的壓力2 2、排氣阻力盡可能小、排氣阻力盡可能小3 3、排氣管內(nèi)的壓力要配合柴油機(jī)

22、掃氣、排氣管內(nèi)的壓力要配合柴油機(jī)掃氣（掃氣時低壓）（掃氣時低壓）三三) )、定壓增壓與脈沖增壓系統(tǒng)的比較、定壓增壓與脈沖增壓系統(tǒng)的比較COMPARISON OF TURBO-SYSTEM圖-渦輪增壓柴油機(jī)的排氣壓力曲線)脈沖系統(tǒng))恒壓系統(tǒng)排氣脈沖與發(fā)動機(jī)的掃氣排氣脈沖與發(fā)動機(jī)的掃氣 Scavenging Performance恒壓與脈沖兩種增壓系統(tǒng)的比較恒壓與脈沖兩種增壓系統(tǒng)的比較) )由于脈沖系統(tǒng)部分利用了廢氣脈沖能量由于脈沖系統(tǒng)部分利用了廢氣脈沖能量，所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。，所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。主要主要是減少了定壓系統(tǒng)廢氣匯集到總管時出現(xiàn)的是減少了定壓系統(tǒng)廢氣匯集到總

23、管時出現(xiàn)的較大不可逆膨脹的能量損失。增壓比愈低，較大不可逆膨脹的能量損失。增壓比愈低，定壓系統(tǒng)所損失的能量愈大，兩種系統(tǒng)能量定壓系統(tǒng)所損失的能量愈大，兩種系統(tǒng)能量利用的差距就愈顯著；增壓比大于利用的差距就愈顯著；增壓比大于2.52.5后，差后，差異就不明顯。異就不明顯。) )脈沖增壓系統(tǒng)掃氣效果好，因?yàn)槊}沖系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)掃氣效果好，因?yàn)槊}沖系統(tǒng)在掃氣時在掃氣時脈沖系統(tǒng)已基本排空，脈沖系統(tǒng)已基本排空，廢氣壓力廢氣壓力P P正處于低谷，正處于低谷，掃氣壓差掃氣壓差大于恒壓系統(tǒng)的大于恒壓系統(tǒng)的(P(PP P) )。) )脈沖系統(tǒng)的加速性能好，因?yàn)槠渑艢庀得}沖系統(tǒng)的加速性能好，因?yàn)槠渑艢庀到y(tǒng)容積小，

24、當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷改變時，排氣壓力統(tǒng)容積小，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷改變時，排氣壓力波動立刻發(fā)生變化，并迅速傳到渦輪機(jī)，引波動立刻發(fā)生變化，并迅速傳到渦輪機(jī)，引起渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化。起渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化。) )脈沖系統(tǒng)的絕熱效率較低，這是因?yàn)樵撁}沖系統(tǒng)的絕熱效率較低，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)有較大的流動損失、撞擊損失和部分進(jìn)系統(tǒng)有較大的流動損失、撞擊損失和部分進(jìn)氣損失。氣損失。) )脈沖系統(tǒng)的渦輪尺寸大，這是因?yàn)槊}沖脈沖系統(tǒng)的渦輪尺寸大，這是因?yàn)槊}沖系統(tǒng)流量是脈動的，最大瞬時流量比恒壓系系統(tǒng)流量是脈動的，最大瞬時流量比恒壓系統(tǒng)大統(tǒng)大；排氣管結(jié)構(gòu)復(fù)雜。；排氣管結(jié)構(gòu)復(fù)雜。四).增壓系統(tǒng)的選擇 增壓系統(tǒng)的選擇原則是：增壓系統(tǒng)的選擇原則

25、是：在低增壓在低增壓時，采用脈沖增壓是較為有利的；而時，采用脈沖增壓是較為有利的；而在高增壓時，則是兩種系統(tǒng)同時存在、在高增壓時，則是兩種系統(tǒng)同時存在、各有所長。各有所長。車用發(fā)動機(jī)均選用脈沖增車用發(fā)動機(jī)均選用脈沖增壓系統(tǒng)，這是因?yàn)檐囉冒l(fā)動機(jī)大部分壓系統(tǒng)，這是因?yàn)檐囉冒l(fā)動機(jī)大部分時間在部分負(fù)荷下工作，對轉(zhuǎn)矩特性時間在部分負(fù)荷下工作，對轉(zhuǎn)矩特性和加速性能等要求較高的緣故。和加速性能等要求較高的緣故。二二、改善車用增壓發(fā)動機(jī)扭矩特性的途徑、改善車用增壓發(fā)動機(jī)扭矩特性的途徑 （一）排氣旁通（一）排氣旁通（二）進(jìn)氣旁通（二）進(jìn)氣旁通部分增壓空氣返回到壓氣機(jī)入口或大氣中，減少進(jìn)入氣缸的空氣量部分增壓空氣

26、返回到壓氣機(jī)入口或大氣中，減少進(jìn)入氣缸的空氣量使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力適當(dāng)降低，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的要求。使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力適當(dāng)降低，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的要求。（三）可變截面渦輪（三）可變截面渦輪.雙蝸殼通道渦輪；雙蝸殼通道渦輪；.可變蝸殼通道流通截面渦輪可變蝸殼通道流通截面渦輪 ；.變噴嘴變噴嘴環(huán)流通截面渦輪環(huán)流通截面渦輪 第四節(jié)第四節(jié) 汽油機(jī)增壓概述汽油機(jī)增壓概述一、汽油機(jī)增壓的特點(diǎn)一、汽油機(jī)增壓的特點(diǎn) 從廢氣能量利用的觀點(diǎn)看，汽油機(jī)的渦輪增壓與從廢氣能量利用的觀點(diǎn)看，汽油機(jī)的渦輪增壓與柴油機(jī)相比并沒有本質(zhì)區(qū)別，但長期以來，渦輪增壓柴油機(jī)相比并沒有本質(zhì)區(qū)別，但長期以來，渦輪增壓技術(shù)除了在賽車發(fā)動機(jī)和高性能轎車發(fā)

27、動中得到應(yīng)用技術(shù)除了在賽車發(fā)動機(jī)和高性能轎車發(fā)動中得到應(yīng)用外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，其普及性遠(yuǎn)不如柴油機(jī)。外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，其普及性遠(yuǎn)不如柴油機(jī)。限制汽油機(jī)壓的主要技術(shù)障礙限制汽油機(jī)壓的主要技術(shù)障礙與解決方案與解決方案： . 爆燃爆燃傾向增大傾向增大 汽油機(jī)增壓后，由于混合氣壓縮始點(diǎn)的壓力、溫汽油機(jī)增壓后，由于混合氣壓縮始點(diǎn)的壓力、溫度增高，度增高，壓縮終了的壓力、溫度都加大，相當(dāng)于提高壓縮終了的壓力、溫度都加大，相當(dāng)于提高了壓縮比，了壓縮比，以及燃燒室受熱零件熱負(fù)荷提高等原因，以及燃燒室受熱零件熱負(fù)荷提高等原因，將促使爆燃的發(fā)生，限制汽油機(jī)增壓。將促使爆燃的發(fā)生，限制汽油機(jī)增壓。 2 2. .

28、熱負(fù)荷熱負(fù)荷 汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，膨脹比小，廢氣溫度也比柴油機(jī)高膨脹比小，廢氣溫度也比柴油機(jī)高200200300300。同時，為避免新鮮充量流失，掃氣作同時，為避免新鮮充量流失，掃氣作用也要低一些。所以，用也要低一些。所以，增壓后，汽油機(jī)的整增壓后，汽油機(jī)的整體溫度水平提高，熱負(fù)荷問題體溫度水平提高，熱負(fù)荷問題更嚴(yán)更嚴(yán)重。重。 以上兩個方面以上兩個方面采用降低壓縮比采用降低壓縮比（增加壓力（增加壓力控制系統(tǒng)，如進(jìn)控制系統(tǒng)，如進(jìn)/ /排氣放氣裝置、節(jié)流控制，排氣放氣裝置、節(jié)流控制，減少渦輪機(jī)入口或汽油機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)量，此減少渦輪機(jī)入口或汽油機(jī)進(jìn)口

29、的工質(zhì)量，此方法還有利于高、低速轉(zhuǎn)矩特性的控制）方法還有利于高、低速轉(zhuǎn)矩特性的控制）、推遲點(diǎn)火時刻推遲點(diǎn)火時刻、電控廢氣再循環(huán)、電控爆燃、電控廢氣再循環(huán)、電控爆燃控制、增壓控制、增壓中冷技術(shù)中冷技術(shù)（同時還提高動力性能、（同時還提高動力性能、降低燃油消耗率，減少降低燃油消耗率，減少NOxNOx排放）排放）解決。解決。 3. 3. 增壓器布置困難增壓器布置困難 化油器式汽油機(jī)，若將增壓器置于化油化油器式汽油機(jī)，若將增壓器置于化油器之前，化油器將在變壓力、變密度的進(jìn)氣器之前，化油器將在變壓力、變密度的進(jìn)氣條件下工作，難于調(diào)整、控制混合氣的新問條件下工作，難于調(diào)整、控制混合氣的新問題，同時化油器也難

30、于密封；若置于化油器題，同時化油器也難于密封；若置于化油器之后，在節(jié)氣門關(guān)小的小負(fù)荷條件下，壓氣之后，在節(jié)氣門關(guān)小的小負(fù)荷條件下，壓氣機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)，又會出現(xiàn)機(jī)油被吸到壓氣機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)，又會出現(xiàn)機(jī)油被吸到壓氣機(jī)葉片上等新問題。機(jī)葉片上等新問題。 采用電控汽油噴射式汽油機(jī)解決采用電控汽油噴射式汽油機(jī)解決4. 4. 動態(tài)響應(yīng)遲緩動態(tài)響應(yīng)遲緩 增壓汽油機(jī)在節(jié)氣門開度突然改變時，增增壓汽油機(jī)在節(jié)氣門開度突然改變時，增壓器的反應(yīng)將嚴(yán)重滯后，致使加速性能變差。壓器的反應(yīng)將嚴(yán)重滯后，致使加速性能變差。 采用電控可變渦輪噴嘴環(huán)截面控制、電控采用電控可變渦輪噴嘴環(huán)截面控制、電控放氣閥控制解決放氣閥控制解決5

31、5. . 對增壓器的特殊要求對增壓器的特殊要求 汽油機(jī)要求增壓器體積要小、耐高溫汽油機(jī)要求增壓器體積要小、耐高溫性能要好、轉(zhuǎn)動慣量要小，同時效率還要保性能要好、轉(zhuǎn)動慣量要小，同時效率還要保證在一定的范圍內(nèi)，還要求有證在一定的范圍內(nèi)，還要求有增壓調(diào)節(jié)裝置增壓調(diào)節(jié)裝置，這就造成它的成本比柴油機(jī)用增壓器要高。這就造成它的成本比柴油機(jī)用增壓器要高。其他方面：提高燃料辛烷值、改進(jìn)制造工藝和其他方面：提高燃料辛烷值、改進(jìn)制造工藝和增壓器葉片材質(zhì)都促進(jìn)了汽油機(jī)增壓技術(shù)的增壓器葉片材質(zhì)都促進(jìn)了汽油機(jī)增壓技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。應(yīng)用和發(fā)展。二、汽油機(jī)渦輪增壓的主要技術(shù)措施二、汽油機(jī)渦輪增壓的主要技術(shù)措施. 降低壓縮比

32、降低壓縮比 汽油機(jī)增壓由于受爆燃的限制，必須降低壓縮汽油機(jī)增壓由于受爆燃的限制，必須降低壓縮比比 。. 增壓壓力控制系統(tǒng)增壓壓力控制系統(tǒng) 汽油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍比柴油機(jī)寬，從低速到高速汽油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍比柴油機(jī)寬，從低速到高速進(jìn)氣流量變化范圍大，渦輪增壓器的特性很難完全滿進(jìn)氣流量變化范圍大，渦輪增壓器的特性很難完全滿足各種工況的要求，可能出現(xiàn)低速時增壓壓力不足，足各種工況的要求，可能出現(xiàn)低速時增壓壓力不足，高速對增壓壓力過高的情況，出現(xiàn)爆燃，為此，必須高速對增壓壓力過高的情況，出現(xiàn)爆燃，為此，必須對汽油機(jī)增壓壓力進(jìn)行控制。對汽油機(jī)增壓壓力進(jìn)行控制。. 減小增壓后的減小增壓后的“反應(yīng)滯后反應(yīng)滯后”現(xiàn)

33、象現(xiàn)象 采用脈沖渦輪增壓、增壓器前置方案、帶旁通閥采用脈沖渦輪增壓、增壓器前置方案、帶旁通閥的控制系統(tǒng)、減小進(jìn)排氣管長度及容積、提高壓縮比的控制系統(tǒng)、減小進(jìn)排氣管長度及容積、提高壓縮比及可變點(diǎn)火正時等措施，來減小及可變點(diǎn)火正時等措施，來減小“反應(yīng)滯后反應(yīng)滯后”現(xiàn)象。現(xiàn)象。. 燃料供給系統(tǒng)的調(diào)整燃料供給系統(tǒng)的調(diào)整 汽油泵汽油泵 采用由電動油泵和燃油壓力調(diào)節(jié)閥聯(lián)合工作的采用由電動油泵和燃油壓力調(diào)節(jié)閥聯(lián)合工作的方法，來滿足增壓所需的供油壓力和供油量。方法，來滿足增壓所需的供油壓力和供油量。 點(diǎn)火提前角的調(diào)整點(diǎn)火提前角的調(diào)整 采用了電子控制裝置來自動推遲點(diǎn)火提前角。采用了電子控制裝置來自動推遲點(diǎn)火提前

34、角。三、汽油機(jī)廢氣渦輪增壓器的布置三、汽油機(jī)廢氣渦輪增壓器的布置 在直接噴射式汽油機(jī)上增壓時，一般燃油在增壓在直接噴射式汽油機(jī)上增壓時，一般燃油在增壓器之后噴入，也有的在壓氣機(jī)前吸入一小部分燃油。器之后噴入，也有的在壓氣機(jī)前吸入一小部分燃油。 第五節(jié) 渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配一、柴油機(jī)選配渦輪增壓器的要求) )柴油機(jī)應(yīng)能達(dá)到預(yù)定的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，渦輪柴油機(jī)應(yīng)能達(dá)到預(yù)定的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，渦輪增壓器應(yīng)能供給柴油機(jī)所需的增壓壓力和空氣流量。增壓器應(yīng)能供給柴油機(jī)所需的增壓壓力和空氣流量。) )渦輪增壓器應(yīng)能在柴油機(jī)的各種工況下穩(wěn)定的工作，渦輪增壓器應(yīng)能在柴油機(jī)的各種工況下穩(wěn)定的工作，壓氣機(jī)不應(yīng)

35、出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，渦輪機(jī)不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。壓氣機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，渦輪機(jī)不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。) )渦輪增壓器在柴油機(jī)的各種工況下都能高效率的運(yùn)渦輪增壓器在柴油機(jī)的各種工況下都能高效率的運(yùn)行。行。) )渦輪增壓柴油機(jī)在各種工況下都能可靠的工作。渦輪增壓柴油機(jī)在各種工況下都能可靠的工作。二、二、內(nèi)燃機(jī)的增壓改造、內(nèi)燃機(jī)的增壓改造 Engine Retrofit for Boosting壓縮比壓縮比過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)供油系統(tǒng)供油系統(tǒng)配氣相位配氣相位進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)排氣系統(tǒng) 增壓空氣冷卻增壓空氣冷卻. .增大供油量，調(diào)整供油系增大供油量，調(diào)整供油系增大循環(huán)供油量，但必須保證不增加供油增大循環(huán)供油量，但必須保證

36、不增加供油持續(xù)角。否則燃燒過程拉長，經(jīng)濟(jì)性變差，持續(xù)角。否則燃燒過程拉長，經(jīng)濟(jì)性變差，排氣溫度升高，熱負(fù)荷增加。排氣溫度升高，熱負(fù)荷增加。. .改變配氣相位改變配氣相位) )合理地加大氣門重疊角，以增加掃氣空氣，合理地加大氣門重疊角，以增加掃氣空氣，冷卻受熱零件，降低熱負(fù)荷，提高充氣效率，改冷卻受熱零件，降低熱負(fù)荷，提高充氣效率，改善渦輪的工作條件。善渦輪的工作條件。) )為使充氣效率提高，可增大進(jìn)、排氣門的升為使充氣效率提高，可增大進(jìn)、排氣門的升程，為避免氣門碰撞活塞，活塞頂部可挖凹坑。程，為避免氣門碰撞活塞，活塞頂部可挖凹坑。) )改進(jìn)氣門和氣門座的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，以提高其改進(jìn)氣門和氣門座的結(jié)

37、構(gòu)和材質(zhì)，以提高其耐磨性。耐磨性。. .減小壓縮比，增大過量空氣系數(shù)減小壓縮比，增大過量空氣系數(shù)) )為了降低最高爆發(fā)壓力，壓縮比可適當(dāng)為了降低最高爆發(fā)壓力，壓縮比可適當(dāng)降低。降低。) )增加過量空氣系數(shù)，其目的在于降低熱增加過量空氣系數(shù)，其目的在于降低熱負(fù)荷和改善經(jīng)濟(jì)性。負(fù)荷和改善經(jīng)濟(jì)性。. .進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)、排氣系統(tǒng) 脈沖系統(tǒng)中，為了使掃氣期間各缸排氣不脈沖系統(tǒng)中，為了使掃氣期間各缸排氣不致互相干擾，排氣管必須分支。致互相干擾，排氣管必須分支。分支的原則分支的原則是一根排氣管所連各缸排氣必須不相重疊。是一根排氣管所連各缸排氣必須不相重疊。四沖程機(jī)一根排氣管所連接氣缸數(shù)目一般不四沖程機(jī)一根排

38、氣管所連接氣缸數(shù)目一般不超過三個，三個氣缸的排氣期必須合理岔開。超過三個，三個氣缸的排氣期必須合理岔開。. .冷卻增壓空氣冷卻增壓空氣 增壓空氣冷卻，一方面可提高進(jìn)入氣缸增壓空氣冷卻，一方面可提高進(jìn)入氣缸的空氣密度，提高功率，同時也降低了熱負(fù)的空氣密度，提高功率，同時也降低了熱負(fù)荷和排氣溫度。荷和排氣溫度。試驗(yàn)表明，增壓空氣溫度每試驗(yàn)表明，增壓空氣溫度每降低降低，柴油機(jī)的循環(huán)平均溫度可降低，柴油機(jī)的循環(huán)平均溫度可降低，在壓比為，在壓比為.時，供時，供氣量能比不用中冷器時提高，氣量能比不用中冷器時提高，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性都會得到改善。發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性都會得到改善。冷冷卻增壓空氣的方法有

39、水冷和空氣冷卻兩種。卻增壓空氣的方法有水冷和空氣冷卻兩種。 第六節(jié)第六節(jié) 車用增壓發(fā)動機(jī)的性能車用增壓發(fā)動機(jī)的性能一、增壓前后發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的變化一、增壓前后發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的變化 增壓后平均指示壓力提高。增壓后平均指示壓力提高。 增壓后機(jī)械效率提高。增壓后機(jī)械效率提高。 增壓后內(nèi)燃機(jī)的充量系數(shù)是增大的。增壓后內(nèi)燃機(jī)的充量系數(shù)是增大的。二、廢氣渦輪增壓對發(fā)動機(jī)其它性能的影響二、廢氣渦輪增壓對發(fā)動機(jī)其它性能的影響 . 降低排氣污染和噪聲降低排氣污染和噪聲 通常增壓柴油機(jī)為富氧燃燒，有害氣體通常增壓柴油機(jī)為富氧燃燒，有害氣體HC和和CO的排放量一般為非增壓機(jī)的的排放量一般為非增壓機(jī)的13

40、l2，如果措，如果措施得當(dāng)（例如采用高噴射率并延遲噴射），施得當(dāng)（例如采用高噴射率并延遲噴射），NOx 排排放量也顯著降低。放量也顯著降低。 2. 低速轉(zhuǎn)矩性能變差低速轉(zhuǎn)矩性能變差 主要是由于低速時發(fā)動機(jī)排出的廢氣能量低，增壓器主要是由于低速時發(fā)動機(jī)排出的廢氣能量低，增壓器增壓壓力不高，致使循環(huán)供氣量不足，轉(zhuǎn)矩增量明顯比高增壓壓力不高，致使循環(huán)供氣量不足，轉(zhuǎn)矩增量明顯比高速時低。采用脈沖增壓，充分利用低速時的脈沖能量，使速時低。采用脈沖增壓，充分利用低速時的脈沖能量，使增壓器與柴油機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)最佳配合，以及采用低增壓器與柴油機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)最佳配合，以及采用低速氣門定時等，是可以改善其低速轉(zhuǎn)矩的。速氣門定時等，是可以改善其低速轉(zhuǎn)矩的。3. 加速性能變差加速性能變差 由于廢氣渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)沒有機(jī)械聯(lián)系，增壓器由于廢氣渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)沒有機(jī)械聯(lián)系，增壓器自身的慣性使其對突變負(fù)荷的響應(yīng)能力變差，因此，增壓自身的慣性使其對突變負(fù)荷的響應(yīng)能力變差，因此，增壓內(nèi)燃機(jī)的加速性能比非增壓內(nèi)燃機(jī)的差。內(nèi)燃機(jī)的加速性能比非增壓內(nèi)燃機(jī)的差。 為了改善加速性能，可以采用脈沖增壓系統(tǒng)，減少進(jìn)、為了改善加速性能，可以采用脈沖增壓系統(tǒng)，減少進(jìn)、排氣管道