發(fā)動機廢氣渦輪增壓

1、發(fā)動機廢氣渦輪增壓第1頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二1主要內(nèi)容與要求理解和掌握提高發(fā)動機功率的方法。理解和掌握廢氣能量的利用。理解和掌握廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。理解和掌握改善車用增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性的途徑。理解和掌握汽油機渦輪增壓的主要技術措施。理解和掌握車用增壓發(fā)動機的性能。第三章 發(fā)動機廢氣渦輪增壓第2頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二2第三章 發(fā)動機廢氣渦輪增壓第一節(jié) 概述增壓：就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。目的：提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性能。第3頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分

2、，星期二3提高發(fā)動機的單機功率有以下三條途徑： 1）改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如增加氣缸數(shù)，增大氣缸直徑D、活塞行程S和減少沖程數(shù)等）。2）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速n或活塞平均速度Cm。3）提高發(fā)動機的平均有效壓力pme。最經(jīng)濟有效的方法：提高發(fā)動機的平均有效壓力。 a pme Pe 增壓c pme Pe增壓s pme Pe 第4頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二4增壓度k ：是指發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。增壓比k ：是指增壓后氣體壓力pk與增壓前氣體壓力p0之比，即 kpkp0 分類： A、按增壓比分類：1) 低增壓：k1.31.6，對應的pme7001000kPa

3、2）中增壓：k1.62.5，對應的pme10001500kPa 3）高增壓：k2.5，對應的pme1500kPa4）超高增壓：k4.5 5.5 ，對應的pme2500kPa10%60%第5頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二5B、按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分類 （1）機械增壓系統(tǒng) 增壓器可用離心式壓氣機、羅茨式壓氣機、螺旋轉(zhuǎn)子式壓氣機或滑片轉(zhuǎn)子式壓氣機等。應用：機械增壓系統(tǒng)可有效地提高內(nèi)燃機功率并能用于二沖程發(fā)動機掃氣，以及用于復合增壓系統(tǒng)中。Pk值不宜超過160170kPa，否則，將導致整機性能下降，特別是比油耗上升。第6頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二

4、6（2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng) 廢氣渦輪增壓器：廢氣渦輪與壓氣機通常裝成一體。 特點：其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，一般自吸式發(fā)動機，合理加裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)后，可提高功率3050，降低比油耗5左右，有利于改善整機動力性能、經(jīng)濟性能及排放品質(zhì)，因而得到廣泛應用。廢氣廢氣空氣第7頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二7（3）復合式增壓系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)：將廢氣動力渦輪與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)起來工作。 特點：可充分利用廢氣能量，使動力性能、經(jīng)濟性能大為改善，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高且技術難度大。 第8頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二8（4）組合式渦輪增壓系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)：由廢氣渦輪增壓與進氣

5、慣性增壓組合而成。進氣慣性的原理：利用壓力峰值可進一步提高增壓后的進氣壓力。特點：該系統(tǒng)使發(fā)動機加速性能變好，并對改善發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩有利。 第9頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二9（5）氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓：是由曲軸驅(qū)動一個特殊轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中廢氣直接與空氣接觸，利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣在互相不混合的情況下受到壓縮，從而提高進氣壓力。特點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；但還存在不少問題?？偨Y(jié)：從實際應用的情況來看，較為常見的是渦輪增壓和機械增壓，其中渦輪增壓占了絕大部分。第10頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二10渦輪增壓的主要優(yōu)點：（與其他增壓方式相比

6、） 1）在內(nèi)燃機不作重大改變，重量體積增加很少的情況下，一般可提高功率2050，而且容易實現(xiàn)高增壓。 2）由于壓氣機消耗的功是渦輪從廢氣中回收的一部分能量，再加上相對地減少了機械損失和散熱損失，提高了機械效率和熱效率，使內(nèi)燃機渦輪增壓后油耗率可降低510，經(jīng)濟性能有明顯提高。 3）可降低排氣噪聲和煙度。廢氣在渦輪中可以實現(xiàn)充分膨脹，排氣噪聲降低；廢氣中的有害成分也可減少，因而減少了對環(huán)境的污染。正是由于渦輪增壓的這些突出優(yōu)點，使其在各種用途的內(nèi)燃機中得到了廣泛的應用。 渦輪增壓的缺點：渦輪增壓內(nèi)燃機氣體流路長，加速性能較差，熱負荷問題較嚴重（特別是高增壓時），對大氣溫度和排氣背壓較敏感。第11

7、頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二11第二節(jié) 廢氣能量的利用一、廢氣的最大可用能 1、廢氣的最大可用能E由三部分組成：排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力Pa所作的功，即EbE1十ET； 活塞推出廢氣，廢氣得到的能量Ec；掃氣空氣所具有的能量為Es，即EsEsEsb49KTb498743518763第12頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二12總結(jié)：廢氣的最大可用能EE Eb Ec Es E1十ET Ec EsEs式中Eb：排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力P0所作的功；Ec：活塞推出廢氣使廢氣增加的能量； Es：掃氣空氣所具有的能量；E

8、1：廢氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣支管中自由彭脹所損失的能量；ET：廢氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量；Es：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量；Es：掃氣空氣流經(jīng)進、排氣門的節(jié)流損失； 第13頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二132、廢氣的能量損失排氣門前廢氣具有的能量，在流經(jīng)排氣門、氣缸蓋排氣支管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，能量損失E包括如下幾個方面： EEvEcEDEM十EFEh Ev：流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失；（約占總損失的6070） Ec：流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；ED：管道面積突擴時的流動損失；EM：不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失；EF：由于氣體的粘性而

9、形成的摩擦損失；Eh：氣流向外界散熱所形成的能量損失。 （思考：如何減少E？） 3、廢氣能量傳遞效率E 渦輪進口處氣體的可用能量與排氣門前氣體的可用能量之比。 EETEC 第14頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二14二、影響脈沖能量利用的因素 脈沖增壓系統(tǒng)就是要盡可能地利用脈沖能量。脈沖能量利用主要取決于排氣管中壓力波的合理組織。幾種影響脈沖能量利用的主要因素：（1）排氣門開啟定時 （最佳） （2）排氣門流通面積 （增大）（3）排氣門開啟規(guī)律 （加快）（4）排氣管流通面積 （最佳）（5）排氣管長度 （適當）（6）渦輪當量流通面積 （ 優(yōu)化）第15頁，共29頁，2022年，

10、5月20日，4點14分，星期二15第三節(jié) 廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 廢氣渦輪增壓器：是指利用內(nèi)燃機排出的部分廢氣能量，推動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動安裝在同一根軸上的離心式壓氣機，增大內(nèi)燃機進氣壓力的工作機械。分類：徑流式廢氣渦輪增壓器和軸流式廢氣渦輪增壓器應用：一般車用發(fā)動機多采用徑流式。 第16頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二16徑流式渦輪增壓器由離心式壓氣機（包括壓氣機葉輪、壓氣機蝸殼等）、徑流式渦輪（包括渦輪葉輪、渦輪蝸殼等）和中間體三個主要部分，以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等組成。壓氣機渦輪機中間體構(gòu)造支承裝置第17頁，共29頁，2022

11、年，5月20日，4點14分，星期二17 、徑流式渦輪的工作原理 渦輪的功用是將廢氣所擁有的能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為渦輪旋轉(zhuǎn)的機械功。 1廢氣在渦輪機中的流動 徑流式渦輪機的主要組成：進氣蝸殼噴嘴葉片環(huán)工作葉輪進、出氣道渦輪殼噴嘴葉片工作葉輪第18頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二182、渦輪機特性曲線 渦輪機的主要工作參數(shù)：渦輪效率、膨脹比、氣體流量和渦輪轉(zhuǎn)速等。用這些參數(shù)及其相互關系來表示渦輪機的工作性能。（1）渦輪效率T ：渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的有效程度。T渦輪機軸上的有用功 廢氣所擁有的能量 WTHT據(jù)統(tǒng)計，渦輪效率T 0.650.85 （2）膨脹比T ：渦輪進口

12、氣體滯止壓力P*T與渦輪出口氣體靜壓力P0之比，即TP*TP0第19頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二19（3）氣體質(zhì)量流量qmT 是指單位時間內(nèi)通過渦輪的氣體質(zhì)量。（在渦輪增壓發(fā)動機中，無泄漏和放氣時，通過渦輪的氣體流量等于壓氣機流量和發(fā)動機燃燒的燃料流量之和。） 在分析各性能參數(shù)之間的關系時，為使渦輪性能在不同入口氣體狀態(tài)下具有可比性，采用相似流量qmTT*TP*T來表征渦輪的流量。其中T*T為滯止溫度，P*T為氣體滯止壓力。（4）渦輪轉(zhuǎn)速n 在分析各性能參數(shù)之間的關系時，應采用相似轉(zhuǎn)速nT*T，但渦輪的相似轉(zhuǎn)速和壓氣機的相似轉(zhuǎn)速并不相等。 渦輪機所發(fā)出的功率PT（k

13、 w）為 PTqmT HTT1000渦輪機的特性：在渦輪機變工況運行時，上述參數(shù)之間的關系。 第20頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二20渦輪機特性曲線：以相似流量qmTT*TP*T為橫坐標，以膨脹比P*TPo為縱坐標，以相似轉(zhuǎn)速nT*T為參變量的一組曲線，如圖3-9所示?？梢?，當轉(zhuǎn)速一定時，相似流量隨膨脹比的增大而增大，直到達到流量最大值，噴嘴環(huán)或渦輪葉片輪中某處氣流速度已經(jīng)達到了當?shù)芈曀?，即使再繼續(xù)增大膨脹比，該處的氣流速度仍維持當?shù)芈曀?，渦輪流量也不會再增加，這種現(xiàn)象稱為渦輪機的阻塞現(xiàn)象，這時的流量稱為阻塞流量。相似轉(zhuǎn)速相似流量膨脹比渦輪效率第21頁，共29頁，20

14、22年，5月20日，4點14分，星期二21 徑流式渦輪的優(yōu)點：效率高、膨脹比大、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，制造成本低等。徑流式渦輪的缺點：變工況的性能不佳，工作葉輪和高溫氣流接觸面積大，熱應力大等。應用：在小功率的內(nèi)燃機中應用較多。第22頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二22二、離心式壓氣機的工作原理與特性 1、基本工作原理和主要參數(shù) 構(gòu)造：一般由進氣道、工作輪、擴壓器及出氣蝸殼所組成。 空氣流經(jīng)壓氣機的各個通道之后，完成了一系列的能量轉(zhuǎn)換，將渦輪機傳給壓氣機工作輪的大部分機械功轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝饬鞯膲毫δ?。?3頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二23壓氣機的主要參

15、數(shù)： 1）增壓比kpk/p0 2）流經(jīng)壓氣機的每秒質(zhì)量流量mk（kgs）或容積流量V0（ms）（相應于壓氣機的進口狀態(tài)）3）壓氣機轉(zhuǎn)速nk ：等于渦輪的轉(zhuǎn)速n 4）壓氣機的絕熱效率ad-k：1kg空氣的絕熱壓縮功had-k與實際壓縮功hk之比。 壓氣機的壓縮過程如圖3-12所示絕熱壓縮：04實際壓縮04第24頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二24第25頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二25目前在渦輪增壓器上應用的單級離心式壓氣機的絕熱效率為ad-k 0.600.81。驅(qū)動壓氣機所需的功率：2壓氣機特性曲線（1）壓氣機的流量特性 ：是指壓氣機轉(zhuǎn)速nk不變時，壓氣機的增壓比k和絕熱效率ad-k隨空氣流量mk的變化關系。式中had-k ：1kg空氣的絕熱壓縮功； mk：空氣的質(zhì)量流量為第26頁，共29頁，2022年，5月20日，4點14分，星期二26（2）壓氣機的喘振與堵塞出現(xiàn)喘振的原因：是由于流量過小時，在葉片擴壓器內(nèi)和工作輪進口處氣流與壁面分離而引起的。 堵塞現(xiàn)象:在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，壓氣機的氣體流量隨增壓比的降低而增加;當流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機通道中的某個截面達到臨界條件，當增壓比繼續(xù)