第三章 廢氣渦輪增壓

1、本章要求：本章要求：了解：發(fā)動機增壓方式。了解：發(fā)動機增壓方式。理解：渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理。理解：渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握：離心式渦輪增壓器的原理，增壓發(fā)動掌握：離心式渦輪增壓器的原理，增壓發(fā)動機的特點。機的特點。 第三章第三章 發(fā)動機增壓發(fā)動機增壓一、提高發(fā)動機功率的方法可由下列公式給出：一、提高發(fā)動機功率的方法可由下列公式給出：第第1 1節(jié)節(jié) 發(fā)動機增壓概述發(fā)動機增壓概述31030 niVpPsmee /22memmeepCiDSnpiDP scmaitmep 而而 1 1、改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如增加氣缸數(shù)、改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如增加氣缸數(shù)i i，增大氣，增大氣缸直徑缸直

2、徑D D、活塞行程、活塞行程S S和減少沖程數(shù)和減少沖程數(shù)等。等。 受到重量、體積、安裝等條件的限制。受到重量、體積、安裝等條件的限制。 式中：式中： 為過量空氣系數(shù)；為過量空氣系數(shù)； 為進氣密度。為進氣密度。 a s 利用增壓器將空氣或可燃混合氣壓縮后送入發(fā)利用增壓器將空氣或可燃混合氣壓縮后送入發(fā)動機氣缸。動機氣缸。定義：定義： 2 2、提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速、提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速n n和活塞平均速度和活塞平均速度C Cm m 3 3、提高發(fā)動機平均有效壓力、提高發(fā)動機平均有效壓力p pmeme 受到充量系數(shù)受到充量系數(shù)c c、m m和機械強度、使用壽命、噪音等的和機械強度、使用壽命、噪音等的限限制。制。

3、 具體可通過減少過量空氣系數(shù)具體可通過減少過量空氣系數(shù)a a、提高充量系數(shù)、提高充量系數(shù)c c和和進氣密度進氣密度s s來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。二、進氣增壓：二、進氣增壓： 增大每循環(huán)進入氣缸新鮮氣體的密度，使實際增大每循環(huán)進入氣缸新鮮氣體的密度，使實際充量增大，從而改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。充量增大，從而改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。作用：作用： 發(fā)動機增壓后增加的功率與增壓前功發(fā)動機增壓后增加的功率與增壓前功率之比，率之比，用來表示增壓后功率提高的程度。用來表示增壓后功率提高的程度。1 1、增壓度、增壓度 ：k k 1000 eekeeekkPPPPP 式中：式中： 為增壓后功率；為增壓后功率；

4、為增壓前功率。為增壓前功率。 ekP0eP 一般車用發(fā)動機增壓度在一般車用發(fā)動機增壓度在10%-60%10%-60%的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 發(fā)動機增壓后氣體壓力與增壓前氣體發(fā)動機增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比，壓力之比，用來表示增壓強度。用來表示增壓強度。2 2、增壓比、增壓比 ：0ppkk 式中：式中： 為增壓后氣體壓力；為增壓后氣體壓力； 為增壓前氣體壓力。為增壓前氣體壓力。 kp0p （1 1）按增壓度來分：）按增壓度來分：3 3、增壓的種類：、增壓的種類：低增壓：低增壓： 中增壓：中增壓：高增壓：高增壓：超高增壓：超高增壓：6 . 13 . 1 k 5 . 26 . 1 k 5 .

5、45 . 2 k 5 . 4 k （2 2）按增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分：）按增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分：A A、機械增壓：、機械增壓：特點：特點：缺點：缺點： 壓氣機由曲軸通過傳動裝置來驅(qū)動壓氣機由曲軸通過傳動裝置來驅(qū)動。p pk k不宜過大（不宜過大（160-170kPa)160-170kPa)，否則會使比油耗上升。，否則會使比油耗上升。B B、廢氣渦輪增壓：、廢氣渦輪增壓： 利用排氣推動渦輪，利用排氣推動渦輪，帶動壓氣機壓縮空氣帶動壓氣機壓縮空氣。原理：原理： 充分利用廢氣能充分利用廢氣能量，可提高功率量，可提高功率30%-50%30%-50%，降低油耗降低油耗5%5%。特點：特點：C C、復(fù)合增壓：、復(fù)合

6、增壓：D D、氣波增壓：、氣波增壓： 曲軸驅(qū)動一個曲軸驅(qū)動一個特殊轉(zhuǎn)子，利用高壓廢氣特殊轉(zhuǎn)子，利用高壓廢氣脈沖迫使空氣被壓縮，從脈沖迫使空氣被壓縮，從而提高進氣壓力。而提高進氣壓力。原理：原理： 結(jié)構(gòu)簡單，加結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，低速轉(zhuǎn)矩性能好；工方便，低速轉(zhuǎn)矩性能好；但體積大、噪音大，且易但體積大、噪音大，且易受進、排氣阻力的影響受進、排氣阻力的影響。特點：特點：4 4、廢氣渦輪增壓與其他增壓方式相比、廢氣渦輪增壓與其他增壓方式相比優(yōu)點有：優(yōu)點有： （1 1）發(fā)動機結(jié)構(gòu)無須做重大改變，且增壓器）發(fā)動機結(jié)構(gòu)無須做重大改變，且增壓器體積小、重量輕，且易實現(xiàn)高增壓；體積小、重量輕，且易實現(xiàn)高增壓；

7、（2 2）由于驅(qū)動能量來自廢氣，相對減少了機）由于驅(qū)動能量來自廢氣，相對減少了機械損失（泵氣損失）和散熱損失，提高了機械效械損失（泵氣損失）和散熱損失，提高了機械效率和熱效率（油耗降低率和熱效率（油耗降低5%-10%5%-10%）；）； （3 3）能降低排氣噪音和煙度。）能降低排氣噪音和煙度。 （1 1）增加了進、排管路，使加速反應(yīng)滯后；）增加了進、排管路，使加速反應(yīng)滯后； （2 2）熱復(fù)合嚴(yán)重，對大氣溫度和排氣背壓敏感。）熱復(fù)合嚴(yán)重，對大氣溫度和排氣背壓敏感。缺點有：缺點有：第第2 2節(jié)節(jié) 廢氣渦輪增壓器基本結(jié)構(gòu)和工作原理廢氣渦輪增壓器基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、基本結(jié)構(gòu)：一、基本結(jié)構(gòu)：二、徑流式

8、廢氣渦輪：二、徑流式廢氣渦輪：噴嘴葉片環(huán)噴嘴葉片環(huán)工作葉輪工作葉輪渦輪殼渦輪殼廢氣入口廢氣入口廢氣出口廢氣出口1 1、渦輪的結(jié)構(gòu)：、渦輪的結(jié)構(gòu)：噴嘴葉片環(huán)噴嘴葉片環(huán)工作葉輪工作葉輪渦輪殼渦輪殼2 2、渦輪的作用：、渦輪的作用： 將廢氣中的能量將廢氣中的能量盡可能多的轉(zhuǎn)變成推盡可能多的轉(zhuǎn)變成推動渦輪轉(zhuǎn)動的機械功動渦輪轉(zhuǎn)動的機械功。徑流式廢氣渦輪結(jié)構(gòu)徑流式廢氣渦輪結(jié)構(gòu)3 3、渦輪的工作過程（原理）：、渦輪的工作過程（原理）：徑流式廢氣渦輪工作簡圖徑流式廢氣渦輪工作簡圖c c0 0c c1 1c c2 2c cr rp p0 0p p1 1p p2 2p pr rT T0 0T T1 1T T2 2

9、T Tr r（1 1）廢氣進入渦輪殼道）廢氣進入渦輪殼道（2 2）廢氣壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽▏娮烊~片環(huán)）廢氣壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽▏娮烊~片環(huán)）（3 3）動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能（工作葉輪）動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能（工作葉輪） 可見，經(jīng)過渦輪后，廢氣中的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿訙u輪可見，經(jīng)過渦輪后，廢氣中的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿訙u輪旋轉(zhuǎn)的機械能。旋轉(zhuǎn)的機械能。4 4、渦輪特性：、渦輪特性： 廢氣能量轉(zhuǎn)化為機械功的有效程廢氣能量轉(zhuǎn)化為機械功的有效程度，度，即渦輪獲得的軸功與廢氣總能量之比（一般為即渦輪獲得的軸功與廢氣總能量之比（一般為0.65-0.65-0.850.85）。（1 1）渦輪效率）渦輪效率 ：T 廢氣從渦輪入口狀態(tài)到出口狀

10、態(tài)的總焓降廢氣從渦輪入口狀態(tài)到出口狀態(tài)的總焓降 渦輪進口氣體滯止壓力渦輪進口氣體滯止壓力 與出口氣與出口氣體靜壓力體靜壓力 之比，之比，反映廢氣在渦輪中作功能力的大小。反映廢氣在渦輪中作功能力的大小。（2 2）膨脹比）膨脹比 ：T Tp0p （3 3）質(zhì)量流量）質(zhì)量流量 ：mTq TTmTPTq/ 單位時間通過渦輪的氣體質(zhì)量。單位時間通過渦輪的氣體質(zhì)量。相似流量：相似流量： 式中：式中： 為滯止溫度；為滯止溫度； 為滯止壓力。為滯止壓力。 TT TPTH渦輪發(fā)出的功率：渦輪發(fā)出的功率：TTmTTHqP 1000 與壓氣機轉(zhuǎn)速相等與壓氣機轉(zhuǎn)速相等（幾萬（幾萬- -十幾萬轉(zhuǎn)）十幾萬轉(zhuǎn)）。（4 4）

11、渦輪轉(zhuǎn)速）渦輪轉(zhuǎn)速n n： TTn/相似轉(zhuǎn)速：相似轉(zhuǎn)速： 式中：式中： 為滯止溫度。為滯止溫度。 TT（5 5）渦輪特性曲線：）渦輪特性曲線：T T TTmTPTq/0.60.60.80.81.01.06 . 0 TTn1.01.00.80.80 0 a a、膨脹比、膨脹比，流量，流量； b b、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速，效率，效率； c c、膨脹比不變時，轉(zhuǎn)速、膨脹比不變時，轉(zhuǎn)速，流量，流量； 流量不變時，轉(zhuǎn)速流量不變時，轉(zhuǎn)速，膨脹比，膨脹比。渦輪特性曲線渦輪特性曲線 氣阻：氣阻：流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r，流量不再增流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r，流量不再增加，加，易發(fā)生在噴嘴葉片環(huán)出口處。易發(fā)生在噴嘴葉片環(huán)出口處。三、離

12、心式壓氣機：三、離心式壓氣機：1 1、壓氣機結(jié)構(gòu)：、壓氣機結(jié)構(gòu)：2 2、壓氣機作用：、壓氣機作用：空氣入口空氣入口空氣出口空氣出口外殼外殼擴壓器擴壓器工作輪工作輪外殼外殼 利用渦輪產(chǎn)生的利用渦輪產(chǎn)生的機械能壓縮空氣，使機械能壓縮空氣，使進氣壓力增大進氣壓力增大。工作輪工作輪擴壓器擴壓器離心式壓氣機結(jié)構(gòu)離心式壓氣機結(jié)構(gòu)3 3、壓氣機的工作原理：、壓氣機的工作原理：c c0 0c c1 1c c2 2c c3 3c ck kp p0 0p p1 1p p2 2p p3 3p pk kT T0 0T T1 1T T2 2T T3 3T Tk k離心式壓氣機工作過程離心式壓氣機工作過程（1 1）空氣被

13、吸入進氣管）空氣被吸入進氣管（2 2）機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓能與動能（工作輪）機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓能與動能（工作輪）（3 3）動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽〝U壓器）動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽〝U壓器）（4 4）動能進一步轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽さ溃﹦幽苓M一步轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽さ溃?（1 1）增壓比）增壓比 4 4、壓氣機主要參數(shù)：、壓氣機主要參數(shù)：0V0ppkk （2 2）質(zhì)量流量）質(zhì)量流量 （kg/s)kg/s)和容積流量和容積流量 （m m3 3/s)/s)。km壓氣機入口狀態(tài)下壓氣機入口狀態(tài)下 1kg1kg空氣絕熱壓縮功與實空氣絕熱壓縮功與實際壓縮功之比，表明壓氣機際壓縮功之比，表明壓氣機軸功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏脡嚎s功的程軸功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏脡嚎s功

14、的程度度（一般為（一般為0.6-0.80.6-0.8）。（3 3）壓氣機絕熱效率）壓氣機絕熱效率 ：k （4 4）壓氣機轉(zhuǎn)速壓氣機轉(zhuǎn)速n n：與渦輪轉(zhuǎn)與渦輪轉(zhuǎn)速相等速相等（幾萬十幾萬轉(zhuǎn)）。（幾萬十幾萬轉(zhuǎn)）。5 5、壓氣機特性曲線：、壓氣機特性曲線：大大小?。? 1）堵塞：）堵塞： k km 當(dāng)當(dāng) 增大到一定程度時增大到一定程度時（流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲魉龠_(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲?k km不在增大不在增大km（2 2）喘振：）喘振： 流量（流速）過小，造成氣流量（流速）過小，造成氣流與壁面分離而產(chǎn)生渦流，引發(fā)流與壁面分離而產(chǎn)生渦流，引發(fā)強烈振蕩，危機設(shè)備安全。強烈振蕩，危機設(shè)備安全。 所以，離心式壓氣

15、機的特點所以，離心式壓氣機的特點是：是：轉(zhuǎn)速高堵塞，轉(zhuǎn)速低喘振。轉(zhuǎn)速高堵塞，轉(zhuǎn)速低喘振。第第3 3節(jié)節(jié) 廢氣渦輪增壓的類型廢氣渦輪增壓的類型一、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的基本類型：一、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的基本類型：定壓增壓系統(tǒng)定壓增壓系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)定壓增壓與脈沖增壓的特點：定壓增壓與脈沖增壓的特點： 1 1、廢氣能量利用率：、廢氣能量利用率： 2 2、掃氣效果：、掃氣效果： 3 3、加速性：、加速性： 脈沖式排氣容積小，脈沖式排氣容積小，因而廢氣壓力能迅速建立，響應(yīng)負(fù)荷因而廢氣壓力能迅速建立，響應(yīng)負(fù)荷的變化；的變化； 脈沖式可利用排氣脈沖式可利用排氣動力效應(yīng)提高掃氣效果，增加充量；動力效應(yīng)

16、提高掃氣效果，增加充量； 脈沖式利脈沖式利用率高，但隨著增壓比提高，兩者用率高，但隨著增壓比提高，兩者的差別逐漸縮?。坏牟顒e逐漸縮?。?4 4、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)： 脈沖式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。脈沖式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。車用脈沖增壓管路連接車用脈沖增壓管路連接二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑：二、改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑： 改善的目標(biāo)：改善的目標(biāo)： 1 1、進氣旁通：、進氣旁通： 原理：將部分壓縮空原理：將部分壓縮空氣回流，適當(dāng)降低進氣壓氣回流，適當(dāng)降低進氣壓力，使發(fā)動機負(fù)荷不致過力，使發(fā)動機負(fù)荷不致過高。高。 低速要有較高增壓壓力，確保良好的低速要有較高增壓壓力，確保良好的低速扭矩特性；高速防止超速

17、，避免熱負(fù)荷過高。低速扭矩特性；高速防止超速，避免熱負(fù)荷過高。 2 2、排氣旁通：、排氣旁通： 帶旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)帶旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng) 原理：原理：將部分廢氣直接排入大氣，適當(dāng)降低渦輪將部分廢氣直接排入大氣，適當(dāng)降低渦輪及壓氣機轉(zhuǎn)速，使增壓壓力控制在允許范圍內(nèi)。及壓氣機轉(zhuǎn)速，使增壓壓力控制在允許范圍內(nèi)。 排氣旁通閥排氣旁通閥 3 3、雙渦殼通道渦輪：、雙渦殼通道渦輪： 原理：原理：低速時使用一個進氣通道，增加廢氣流速；高速時使用兩個低速時使用一個進氣通道，增加廢氣流速；高速時使用兩個通道，適當(dāng)降低氣流流速，從而將增壓器轉(zhuǎn)速保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。通道，適當(dāng)降低氣流流速，從而將增壓器轉(zhuǎn)速保持在適

18、當(dāng)范圍內(nèi)。 4 4、可變截面渦輪：、可變截面渦輪：截面調(diào)節(jié)板截面調(diào)節(jié)板低速低速高速高速 原理：原理：低速、低負(fù)荷時使渦輪流通截面變小，增大氣流速度；高速、低速、低負(fù)荷時使渦輪流通截面變小，增大氣流速度；高速、大負(fù)荷時增大渦輪流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。大負(fù)荷時增大渦輪流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。 5 5、可變噴嘴環(huán)：、可變噴嘴環(huán)： 原理：原理：低速、低負(fù)荷時使噴嘴葉片環(huán)流通截面變小，增大氣流速度；低速、低負(fù)荷時使噴嘴葉片環(huán)流通截面變小，增大氣流速度；高速、高負(fù)荷時增大流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。高速、高負(fù)荷時增大流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。第第4 4節(jié)節(jié) 汽油機增壓概述汽油機增壓概述一

19、、汽油機增壓需考慮的關(guān)鍵性問題：一、汽油機增壓需考慮的關(guān)鍵性問題： 1 1、爆燃（爆震）：、爆燃（爆震）： 2 2、熱負(fù)荷：、熱負(fù)荷： 3 3、苛刻要求：、苛刻要求： 隨著壓縮終點壓力、溫度以及零隨著壓縮終點壓力、溫度以及零件熱負(fù)荷的升高，爆震傾向加大。件熱負(fù)荷的升高，爆震傾向加大。 汽油機燃燒溫度高、排氣溫度高，進氣增汽油機燃燒溫度高、排氣溫度高，進氣增壓后又不能像柴油機那樣利用大的氣門重疊角來加強掃氣壓后又不能像柴油機那樣利用大的氣門重疊角來加強掃氣效果，因而熱負(fù)荷將更加嚴(yán)重。效果，因而熱負(fù)荷將更加嚴(yán)重。 要有寬廣的工作范圍；耐熱性要好、轉(zhuǎn)要有寬廣的工作范圍；耐熱性要好、轉(zhuǎn)動慣量要?。w積

20、小、質(zhì)量輕）。動慣量要?。w積小、質(zhì)量輕）。二、改善汽油機增壓性能的主要措施：二、改善汽油機增壓性能的主要措施： 1 1、降低壓縮終點的壓力和溫度：、降低壓縮終點的壓力和溫度： 2 2、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高）、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高） 進氣中冷、向氣缸進氣中冷、向氣缸噴水、降低壓縮比。噴水、降低壓縮比。00/ ppkk 式中：式中： 為增壓前壓縮比；為增壓前壓縮比； 為增壓后進氣壓力；為增壓后進氣壓力； 為增壓前進氣壓力。為增壓前進氣壓力。 0 kP 增壓后的壓縮比可按下式進行計算：增壓后的壓縮比可按下式進行計算：0P 3 3、增加增壓壓力控制系統(tǒng)：、增加增壓壓力控制系統(tǒng)： 使其

21、在寬廣的轉(zhuǎn)速和流使其在寬廣的轉(zhuǎn)速和流量變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作（如進、排氣旁通等）。量變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作（如進、排氣旁通等）。 4 4、減小增壓后的、減小增壓后的“加速滯后加速滯后”現(xiàn)象：現(xiàn)象： 采用脈沖增壓、采用脈沖增壓、減小進排氣管長度、增壓器前置（節(jié)氣門之前）、提高減小進排氣管長度、增壓器前置（節(jié)氣門之前）、提高壓縮比等措施。壓縮比等措施。 5 5、點火提前角的調(diào)整：、點火提前角的調(diào)整： 根據(jù)爆震傳感器信號，適當(dāng)根據(jù)爆震傳感器信號，適當(dāng)推遲點火提前角。推遲點火提前角。 6 6、燃油供給的調(diào)整：、燃油供給的調(diào)整： 供油壓力要能隨增壓壓力變化供油壓力要能隨增壓壓力變化而自動調(diào)整（增壓壓力過高時能適

22、當(dāng)減少供油量）。而自動調(diào)整（增壓壓力過高時能適當(dāng)減少供油量）。三、汽油機增壓后噴油器的布置：三、汽油機增壓后噴油器的布置： 1 1、增壓器之前、增壓器之前 2 2、增壓器之后、增壓器之后第第5 5節(jié)節(jié) 增壓發(fā)動機的性能增壓發(fā)動機的性能一、增壓后發(fā)動機動力性與經(jīng)濟性：一、增壓后發(fā)動機動力性與經(jīng)濟性： 假設(shè)假設(shè)過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)a a和和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n n基本不變：基本不變： 進氣壓力增大進氣壓力增大 （進氣量多）（進氣量多） 噴油量增加噴油量增加 功率增大功率增大 （動力性增強）（動力性增強） 機械損失基本不變機械損失基本不變 機械效率提高機械效率提高經(jīng)濟性好（油耗低）經(jīng)濟性好（油耗低） 非增壓發(fā)動機受冒煙限制，非增壓發(fā)動機受冒煙限制，高負(fù)荷期無法通過增大噴油量實高負(fù)荷期無法通過增大噴油量實現(xiàn)上述性能的改進?，F(xiàn)上述性能的改進。二、增壓后對發(fā)動機其他性能的影響