研究生課程考核實驗博士綜合考試格式

1、 研究生課程考核試卷科 目： 教 師： 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 類 別： 上課時間： 2014 年 月 至 2014 年 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學(xué)研究生院制廢氣渦輪增壓與機械增壓技術(shù)的特點及比較摘要：在先進(jìn)汽車發(fā)動機中最常用的有兩種系統(tǒng)：廢氣渦輪增壓技術(shù)和機械增壓技術(shù)。它們的工作原理都是通過提升進(jìn)氣的壓力，通過空氣密度提升造成含氧量提高，使得熱效率得到提升。本文介紹了渦輪增壓技術(shù)與機械增壓技術(shù)特點，并對他們的優(yōu)缺點進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞：發(fā)動機；機械增壓；渦輪增壓；1、廢氣渦輪增壓技術(shù)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)是最常見的渦輪增壓裝置，增壓器

2、與發(fā)動機無任何機械聯(lián)系，實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與禍輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。近20年，隨著渦輪增壓技術(shù)的普及深入，有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)新工藝新材料新理念開始不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，正是由于各種排放噪聲法規(guī)的大量出臺和人們對渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是渦輪增壓技術(shù)對高原發(fā)動機的功率補償，車用渦輪增壓技術(shù)迎來了

3、發(fā)展的黃金時期?？傮w來說，當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下5點特征：1)小型化在發(fā)動機重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動機不需要做重大改變，即很容易提高功率20%50%。由于不像機械增壓時壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢越來越明顯。高增壓時，功率提高甚至可大于100%。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動機的整體尺寸，這對發(fā)動機及車輛的小型化輕量化和降低成本有巨大的吸引力。2)節(jié)能渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動機排放的廢氣來驅(qū)動渦輪機，渦輪機轉(zhuǎn)動來帶動同軸的壓氣機工作，壓氣機對將進(jìn)入發(fā)動機的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動機的進(jìn)氣量，提高發(fā)動機的功率機械效率和熱效率，使發(fā)

4、動機渦輪增壓后耗油率可降低5%10%。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動機來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動機，從而達(dá)到節(jié)能的目的。一臺1.65L排量的增壓發(fā)動機的功率等于一臺3.78L排量的非增壓發(fā)動機的功率。3)環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動機節(jié)能，而且將降低發(fā)動機有害氣體和CO2的排放量。但增壓在汽油機和柴油機對排放的影響是有所區(qū)別的。對汽油機來說，由于過量空氣系數(shù)接近于1，增壓對汽油機排放的影響局限于節(jié)能部分。柴油機的過量空氣系數(shù)本來就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 1，增壓使柴油機的過量空氣系數(shù)進(jìn)一步地提高，對排放產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機改成同樣排量的增壓柴油機，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和CO的排放大幅

5、度減少；由于燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強烈，HC化合物的排放也會降低。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效NOx的排放量增加。因增壓柴油機能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，有時可放棄部分在燃油經(jīng)濟(jì)性的好處來換取全面降低排放。同時，提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。這可使重型柴油機N0x降低80%，微粒減少90%，比油耗改善16%。4）高原功率補償在高原條件下，發(fā)動機氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動機的進(jìn)氣量，補償因進(jìn)氣不足而損失的功率。5)渦輪增壓器

6、與發(fā)動機多種匹配方式為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng) 、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機的渦輪增壓器 。此外，還有超高增壓系統(tǒng)(HYPERBAR)、掃氣旁通系統(tǒng)(SCA2BY)及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車用柴油機上應(yīng)用不多。2、機械增壓技術(shù)發(fā)動機機械增壓器主要包括渦旋式、螺桿式、滑片式和羅茨式等類型，鑒于制造工藝及成本等原因，除德國曾采用過渦旋式機械增壓器外，目前應(yīng)用最廣的是羅茨式機械增壓器。羅茨機械增壓器本質(zhì)上是一臺羅茨鼓風(fēng)機，有兩個轉(zhuǎn)子，

7、每個轉(zhuǎn)子都扭轉(zhuǎn)一定的角度(例如60°以形成一個螺旋面)。這兩個轉(zhuǎn)子都由發(fā)動機曲軸通過皮帶驅(qū)動。機械增壓器與曲軸之間存在固定的傳動比，這兩個旋向相反的轉(zhuǎn)子各有3個齒形，在工作時互相嚙合。扭曲的轉(zhuǎn)子跟特殊設(shè)計的進(jìn)口和出口的幾何形狀相結(jié)合，有助于減少壓力波動，使空氣流動平穩(wěn)，降低其工作噪聲；這種設(shè)計也使其效率比傳統(tǒng) 的羅茨鼓風(fēng)機為高。帶有螺旋式轉(zhuǎn)子和軸向進(jìn)口的機械增壓器轉(zhuǎn)速可達(dá)到14000r/min，從而縮小了體積。它可利用出口法蘭直接通過螺栓連接到進(jìn)氣管上。機械增壓器通過它的置換體積和皮帶傳動比來與發(fā)動機匹配，同時能夠在任何發(fā)動機轉(zhuǎn)速下提供過量的空氣流。車用發(fā)動機的機械增壓器在20世紀(jì)3

8、0年代曾一度興起，但由于當(dāng)時的機械增壓器體積大、噪聲大、成本高、壽命短和效率低等原因未被汽車工業(yè)界所接納，逐漸淡出汽車發(fā)動機行業(yè)；而渦輪增壓技術(shù)卻從20世紀(jì)60年代起得到了迅速的發(fā)展。到了20世紀(jì)80 年代初，機械增壓技術(shù)又被汽車工業(yè)界重新重視，其主要因其有如下特點 ：1）結(jié)構(gòu)簡單機械增壓器結(jié)構(gòu)簡單，工作溫度介于70100，冷卻系統(tǒng)和潤滑油脂的要求與自然進(jìn)氣發(fā)動機相同；2）工作轉(zhuǎn)速范圍大由于制造成本的限制，汽車發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速均在7500r/min以下 ；機械增壓器理想的工作轉(zhuǎn)速為1000r/min7500r/min，產(chǎn)生足夠且穩(wěn)定的增壓值，使發(fā)動機輸出功率提升20%40%；通常發(fā)動機一脫離怠速

9、區(qū)，在1000r/min1300r/min即能帶動機械增壓器產(chǎn)生增壓效果，并延續(xù)至發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速；同時機械增壓器轉(zhuǎn)速完全與發(fā)動機轉(zhuǎn)速聯(lián)動，兩者能形成一組穩(wěn)定的等差數(shù)列特性；3）加速性能好機械增壓發(fā)動機的加速性能優(yōu)于渦輪增壓發(fā)動機，其只在發(fā)動機的吸氣端工作，不受排氣端的影響；而渦輪增壓發(fā)動機的性能卻直接受渦輪出口處排氣背壓的影響，在冷起動時，渦輪增壓使廢氣冷卻，造成排煙污染；渦輪增壓器轉(zhuǎn)速高，容易產(chǎn)生噴火、漏油、冒黑煙以及喘振等故障；雖然渦輪增壓器采用了可變幾何形狀蝸殼和小慣量的陶瓷葉輪等措施，但其響應(yīng)時間仍比機械增壓器高3倍，機械增壓發(fā)動機在加速性能上與渦輪增壓發(fā)動機相比占有絕對優(yōu)勢。3、廢氣

10、渦輪增壓與機械增壓的比較在先進(jìn)汽車發(fā)動機的增壓系統(tǒng)中，最常用的有兩種系統(tǒng)：渦輪增壓系統(tǒng)和機械增壓系統(tǒng)。簡單地說，它們的工作原理都是提升進(jìn)氣的壓力，因此當(dāng)進(jìn)氣閥門打開的時候，這些相對壓力較高的氣體，自己就會因為壓力差的關(guān)系，自動地全數(shù)灌進(jìn)汽缸里，不像自然進(jìn)氣引擎，還需要靠著活塞的下行動作造成吸力，才把空氣吸進(jìn)。除了因進(jìn)氣的主動/被動關(guān)系，導(dǎo)致容積效率提升外。增壓引擎的進(jìn)氣壓縮緣故，空氣密度提升造成含氧量提高，熱效率也因此得到提升。但是渦輪增壓系統(tǒng)和機械增壓系統(tǒng)也有著以下許多差異：1）價格：在同一具體引擎上，兩者差別不大(這是指一般的產(chǎn)品，同增壓性能而言，超高性能的則很難比較)，所以價格通常不在考

11、慮之列。效率高是渦輪增壓最大優(yōu)點，因為渦輪增壓只是由廢氣驅(qū)動，相對比要由引擎驅(qū)動的機械增壓，它不用浪費部分引擎動力，也較經(jīng)濟(jì)省油。2)動力輸出：這是渦輪增壓最大缺點，也是機械增壓的最大優(yōu)點，因為要等到渦輪增壓的渦輪到達(dá)一定轉(zhuǎn)速時(大約12000RPM)才能啟動壓氣機工作。盡管所需時間很短，但是對于駕駛者來說，是很不舒服的感覺，而機械增壓就像之前所說的，只要引擎開著就在工作，不會有任何的延遲。機械增壓與渦輪增壓在動力輸出上有著明顯的區(qū)別，前者有接近自然進(jìn)氣的線性輸出，而后者則因為有渦輪遲滯的現(xiàn)象，出力相對多一點突兀，沒那么線性。因為機械增壓的作動原理，使其在低轉(zhuǎn)速下便可獲得增壓。增壓的動力輸出也

12、與曲軸轉(zhuǎn)速成一定的比例，即機械增壓引擎的動力輸出隨著轉(zhuǎn)速的提高，也隨之增強。因此機械增壓引擎的出力表現(xiàn)與自然氣極為相似，卻能擁有較大的馬力與扭力。相較之下，利用廢氣推動的渦輪增壓在低轉(zhuǎn)速時，因廢氣排放還不足以推動渦輪葉輪，不但沒有增壓的效果，反而造成排氣的阻礙（因此容易造成低扭的損失）。因此，必須等到一定轉(zhuǎn)速后，才會推動渦輪葉片運轉(zhuǎn)進(jìn)行增壓。這種渦輪遲滯現(xiàn)象，渦輪尺寸越大，就會越嚴(yán)重（因為大尺寸的渦輪其葉片也越大，推動它就需要更大的排氣壓力）。也就是說，在駕駛大渦輪車時，突然涌現(xiàn)的馬力會使順暢度變差。3)散熱：因為渦輪增壓的壓氣機是在排氣管里面的，加上它超高速的運轉(zhuǎn)軸承(12000RPM以上)，由此而來的高溫高壓是不可避免的，因此需要采取如機油冷卻/水冷卻，機械開關(guān)/電腦泄壓的方式來保證車子安全。另外，幾乎所有的渦輪增壓車上一定得有中央冷卻器裝置。因為更多的空氣