機械增壓發(fā)動機

1.8L機械增壓(zēnɡyā)發(fā)動機設計開發(fā)介紹

精品資料內容1、背景2、二種增壓系統(tǒng)比較3、機械增壓器結構和工作原理4、機械增壓發(fā)動機布置5、附件輪系的設計6、與基礎(jīchǔ)發(fā)動機優(yōu)化匹配7、試驗結果8、小結精品資料背景隨著我國和其他國家的汽車燃油消費稅法很快實施，大排量的汽車燃油消費稅將上調，燃油稅法鼓勵發(fā)動機向小排量方向發(fā)展，為了給用戶提供享有最大免稅優(yōu)勢的發(fā)動機，同時又保持并達到大排量發(fā)動機動力性要求，那么在現(xiàn)有自然吸氣發(fā)動機上進行技術改造，采用增壓技術是值得考慮的一個重要途徑。汽油發(fā)動機常用(chánɡyònɡ)的兩種增壓方式：機械增壓和渦輪增壓。由于渦輪增壓器的遲滯效應，導致車輛加速性能較差，往往會影響到車輛駕駛性能，而機械增壓器則有著良好的瞬時響應特性，又因其性能可靠，在低速部分負荷區(qū)域油耗較低，越來越受到設計者的重視。機械增壓器是一種強制性容積置換泵，簡稱容積泵。它通過附件皮帶來驅動增壓器工作。可以增加進氣管內的空氣壓力和密度，往發(fā)動機內壓入更多的空氣，使發(fā)動機每個循環(huán)可以燃燒更多的燃油，從而提高發(fā)動機的升功率和平均有效壓力，使汽車動力性、燃油經濟性和排放都得到改善。在乘用車用的汽油發(fā)動機領域，小排量發(fā)動機采用各種不同增壓方式來提升發(fā)動機動力性和經濟性是今后汽油發(fā)動機發(fā)展趨勢，渦輪增壓系統(tǒng)與汽油發(fā)動機優(yōu)化匹配在國內已經積累大量的實際經驗，機械增壓系統(tǒng)與汽油發(fā)動機設計匹配有其特殊性，這種增壓發(fā)動機在國外已大批量使用，國內機械增壓發(fā)動機在乘用車上很少使用，也幾乎沒有機械增壓發(fā)動機設計優(yōu)化的資料和文章來探討而被忽視。精品資料兩種增壓系統(tǒng)的比較1、高增壓性能

渦輪增壓器在高工況下具有良好的高增壓性能，這是機械增壓器所不及的，而我公司1.8L機械增壓器壓比不超過2.0。2、低速特性渦輪增壓器的增壓壓力跟它的轉速有密切的關系。在發(fā)動機低速範圍內由于廢氣流量較小，渦輪增壓器本身的轉速較低，增壓壓力和增壓空氣流量不可能很高。這就使渦輪增壓發(fā)動機的低速扭矩受到限制，必須采取諧波增壓或變截面噴嘴技術應對。機械增壓器的低速扭矩及汽車加速性能良好，較渦輪增壓器優(yōu)勝。3、對催化轉化器起燃特性的影響渦輪增壓器插在發(fā)動機排氣口和催化轉化器之間，耗費了廢氣內能，使進入催化轉化器的廢氣溫度降低，延長催化轉化器起燃時間，影響發(fā)動機起動和起動後暖機階段有害物質的凈化。機械增壓器跟排氣系統(tǒng)不相干，不會影響催化轉化器的起燃特性。從歐洲(ōuzhōu)第三階段排放法規(guī)開始，取消了這40秒鐘怠速，特別是汽油機，排放測試循環(huán)中起動和起動後暖機階段從排氣管采集到的碳氫化合物和一氧化碳大量增加，并形成整個測試循環(huán)廢氣排放量的大部分，故強調催化轉化器起燃快。因此，在推行歐洲(ōuzhōu)第三階段排放法規(guī)時，機械增壓器用于汽油機特別有利。

精品資料4、瞬時響應特性雖然渦輪增壓系統(tǒng)可以提供更高的有效壓力(yālì)，但它加速性能差、熱負荷問題嚴重以及可靠性差。而機械增壓發(fā)動機獨有的優(yōu)點：瞬時增壓響應突出，提高了駕駛性能，增壓器直接由曲軸驅動和引擎的動作同步,直覺上油門反應快，無渦輪增壓發(fā)動機的滯后、不穩(wěn)定的弱點，幾乎是一離開怠速便開始有線性、實時的增壓,尤其是車輛在發(fā)動機的中低速時，操縱駕駛時動力強勁的感覺就如裝上大排量的自然吸氣發(fā)動機，提供獨一無二的駕駛樂趣。下圖是1.8L排量的兩種增壓發(fā)動機瞬態(tài)增壓響應特性比較（發(fā)動機轉速在2000轉/分鐘），其中1.8T—代表1.8L排量渦輪增壓(Turbocharger)發(fā)動機，1.8S—代表1.8L排量機械增壓(Supercharger)發(fā)動機。精品資料從圖上可看出：壓氣機出口壓力要達到同樣壓力150kPa，機械增壓發(fā)動機僅用了1秒時間，而渦輪增壓發(fā)動機用了4秒時間。表明機械增壓發(fā)動機的瞬時(shùnshí)增壓響應性非常突出。試驗研究還進一步證明：轉速越低，機械增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應特性越明顯。5、燃油油耗率兩種增壓發(fā)動機燃油油耗率也是非常重要的問題，通常認為機械增壓發(fā)動機比渦輪增壓發(fā)動機油耗高很多，理由是機械增壓發(fā)動機通過曲軸帶動增壓器需要消耗發(fā)動機的功率，而渦輪增壓發(fā)動機是利用廢氣能量驅動渦輪做功，但試驗結果并不是這樣。從下面試驗圖比較兩種增壓系統(tǒng)的功率損失，并從理論分析和試驗數(shù)據(jù)來說明兩種發(fā)動機油耗是在同一水平上。對高效的機械增壓器來說，發(fā)動機曲軸皮帶輪通過皮帶來驅動增壓器工作，增壓器獲得的輸入功率并非全部被消耗掉，因為機械增壓系統(tǒng)能夠使發(fā)動機進氣比排氣保持正壓，從而推動活塞做功，使發(fā)動機又重新獲得一部分功率，對此過程進行優(yōu)化，可以最小化機械增壓發(fā)動機的燃油消耗。以1.8L機械增壓發(fā)動機和1.8L渦輪增壓發(fā)動機試驗曲線為例，當使用機械增壓時，進氣歧管壓力總是大于排氣歧管的背壓，這個正的壓差可使發(fā)動機獲得正的功率，見圖2；當使用渦輪增壓時，在大部分時間里進氣歧管壓力總是小于排氣歧管的背壓，這個壓差使發(fā)動機失去功率，見圖。通過降低機械增壓器的輸入功率，優(yōu)化增壓器工作效率，能有效的改善發(fā)動機的燃油經濟性。精品資料機械(jīxiè)增壓的正壓做功區(qū)域圖渦輪增壓器的負壓做功(zuògōng)區(qū)域圖精品資料6、機械增壓更適合非直噴汽油機。6.1機械增壓適用于非直噴汽油機，渦輪增壓適用于柴油機和直噴汽油機

渦輪增壓的根本特點是，它所能處理的質量流量跨度範圍比較小，當質量流量增幅達到一定程度，就必須讓部分流量通過放空閥旁通。這給發(fā)動機的工作過程帶來一些不利的因素。恰恰在質量流量的跨度範圍這一點上，柴油機跟汽油機有很大的差別。柴油機因為依靠變質調節(jié)的方式調節(jié)扭矩，沒有節(jié)氣門，每個循環(huán)吸入的空氣量相差不大，其質量流量的差異主要由轉速變動造成，所以柴油機的質量流量跨度範圍只有6.5:1左右。相比之下，傳統(tǒng)的汽油機（指缸內直噴式汽油機GDI以外的汽油機）依靠變量調節(jié)的方式調節(jié)扭矩，通過節(jié)氣門調節(jié)空氣流量，隨負荷的變動，每個循環(huán)吸入的空氣量相差很大，加上汽油機轉速的變動範圍比柴油機大得多，所以汽油機的質量流量跨度範圍可達75:1，接近于柴油機這個指標的12倍。這導致渦輪增壓汽油機的瞬時工況較差。而采用機械增壓就沒有這個問題。

缸內直噴式汽油機在低工況下的節(jié)氣門是全開，這跟柴油機差不多；只是在高工況下節(jié)氣門開度才會隨負荷變動而變動。所以GDI的質量流量跨度範圍跟柴油機比較接近，也比較適合采用渦輪增壓。6.2機械增壓器有利于降低汽油機排放

汽油機起動和起動後暖機階段的混合氣需要特別加濃，造成大量的碳氫化合物和一氧化碳排放。如前所述，迅速提高催化轉化器的溫度，對于汽油機驅動(qūdònɡ)的轎車滿足歐洲第三階段排放法規(guī)的要求具有特別重要的意義。渦輪增壓器會降低排氣溫度，使催化轉化器的溫度不能迅速升高，影響它的轉化凈化效率。如果采用機械增壓器，就沒有這個問題。另外兩者過渡工況不一樣，對排放的影響也不一樣。精品資料機械增壓器結構和工作原理

機械增壓器本質上是高度工程化的羅茨式鼓風機，它沒有內部壓縮。兩個三葉片轉子都扭轉了60度，這兩個轉子都由發(fā)動機曲軸通過皮帶驅動，與廢氣系統(tǒng)不相干。機械增壓器跟曲軸之間存在固定的傳動比。這兩個相向旋轉的轉子各有若干個突齒，在工作時互相嚙合。扭曲的轉子跟特殊設計的進口和出口幾何形狀相結合，有助減少壓力波動，使空氣流動平穩(wěn)，工作時噪聲較低。這種設計也使其效率比傳統(tǒng)的羅茨鼓風機為高。這種設計也使其效率比傳統(tǒng)的羅茨鼓風機為高。這種帶有螺旋式轉子和軸向進口的機械增壓器可達到16,000r/min的轉速，從而縮小了體積。加上獨有的SSI減振單元(dānyuán)設計，以降低噪聲和改進空氣處理效率。轉子上的涂層是EATON申請專利的APC（耐磨粉末涂層），以加強嚙合，降低泄漏，提高效率（效率接近65%）。扭轉的轉子同時也使空氣流可以軸向流動，方便了增壓器在發(fā)動機上的布置。下圖是顯示增壓器內部結構的爆炸圖：精品資料爆炸(bàozhà)圖組裝(zǔzhuānɡ)圖工作示意圖精品資料機械增壓發(fā)動機布置機械增壓發(fā)動機通常有兩種布置：節(jié)氣門上游型和節(jié)氣門下游型布置結構。兩種布置各有其優(yōu)缺點：節(jié)氣門上游型（見下圖）布置特點：節(jié)氣門體放在增壓器進氣口前和空氣濾清器之后，這種布置最大的好處是旁通閥可用一種自調節(jié)機械操縱真空膜片式旁通閥（旁通閥系統(tǒng)設計將在第4章詳細介紹），這種旁通閥結構簡單，可靠性好，成本上的優(yōu)勢非常明顯。另外旁通閥開啟特性不需要ECU單元控制真空電磁閥來操縱，簡化了電控標定軟件程序和硬件設備，缺點是節(jié)氣門體離發(fā)動機進氣歧管比較遠，發(fā)動機的瞬態(tài)響應比節(jié)氣門的響應速度略有滯后，瞬態(tài)增壓響應性略差一些。相反地，節(jié)氣門下游型布置特點：節(jié)氣門體直接放在進氣歧管之前和增壓器之后，這種布置最大的好處是節(jié)氣門體離發(fā)動機進氣歧管很近，瞬態(tài)增壓響應性要好一些，缺點是，節(jié)氣門體后的真空度因為增壓器始終工作(gōngzuò)而不穩(wěn)定，旁通閥開啟操縱無穩(wěn)定的真空來源，必須要用電機驅動旁通閥片，類似于增加一個電子節(jié)氣門體，這樣ECU控制單元的軟件程序復雜，導致系統(tǒng)成本增加得很高。綜合各方面因素，1.8L機械增壓發(fā)動機選用了節(jié)氣門上游型布置。精品資料節(jié)氣門上游(shàngyóu)型布置精品資料節(jié)氣門上游(shàngyóu)型布置精品資料精品資料附件(fùjiàn)輪系的設計精品資料與基礎發(fā)動機優(yōu)化匹配

機械增壓汽油機熱力學開發(fā)主要以扭矩、功率輸出最大化，以及降低油耗為目標。通常影響(yǐngxiǎng)因數(shù)有：傳動比、進/排氣道、進/排氣歧管、壓縮比、配氣相位、殘余廢氣系數(shù)等。這些影響(yǐngxiǎng)因素的合理匹配直接決定了發(fā)動機的動力性、經濟性以及排放等性能。

6.1傳動比計算為基礎發(fā)動機匹配合適的增壓器主要是傳動比的選擇，而傳動比的選擇主要考慮兩個方面：使得發(fā)動機常用工況落在增壓器的高效率區(qū)域內，而且發(fā)動機的極限轉速通過傳動比換算后不超過增壓器的極限轉速；另外發(fā)動機對增壓器傳動比選擇還需要考慮皮帶的可靠性和壽命。下圖是1.8L機械增壓器的全特性圖。主要包括質量流量（或體積流量）、等熵效率和功率消耗。確定發(fā)動機常用工況轉速后，可以先通過簡單模型計算獲得增壓器一些特性參數(shù)，對應于全特性圖可以確定常用工況轉速是否落在增壓器高效率區(qū)域；然后通過全模型設定傳動比，驗證計算結果是否與簡單模型的結果相符合。如下圖所示，在常用轉速工況內，增壓器效率都比較高，已經超過了50%。精品資料機械(jīxiè)增壓器全特性圖外特性(tèxìng)機械增壓器效率圖精品資料6.2、進氣道和排氣道增壓發(fā)動機由于進氣管內的壓力大于大氣壓力，所以在進氣量會比自然吸氣的發(fā)動機增加很多，所以在氣道的選擇上與自然吸氣的發(fā)動機有所區(qū)別：自然吸氣發(fā)動機氣道的選擇需要考慮高速時的進氣量，保證高速時的功率；增壓發(fā)動機氣道的選擇則需要考慮增加缸內流動，保證空氣、燃油和殘余廢氣混合充分，增加燃燒速度，減少爆震傾向；另外，由于增壓機缸內混合氣質量遠遠超過自然吸氣的發(fā)動機，所以考慮排氣道時，需要考慮排氣門座圈直徑，在排氣沖程時，能夠排出更多的廢氣，特別是低速時需要保證缸內殘余廢氣系數(shù)保持在比較合適的水平；殘余廢氣系數(shù)如果比較大，不僅各循環(huán)燃燒壓力波動比較大，燃燒不穩(wěn)定，而且會增加發(fā)動機的爆震傾向。6.3、進氣歧管和排氣歧管：由于增壓作用僅僅使進氣歧管內混合氣密度增加，而氣流速度與非增壓汽油機變化不大，所以進氣歧管的截面機無須大于非增壓汽油機所用截面積。因布置方面的原因，進氣歧管是全新設計，最初試驗把兩種長度（100mm和200mm）的進氣歧管放在發(fā)動機臺架上測試(cèshì)，試驗后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機輸出扭矩和功率曲線幾乎重疊，試驗和計算表明進氣歧管長度和諧振腔容積對發(fā)動機的輸出性能（功率、扭矩等）影響很小。另外，為了排氣系統(tǒng)噪音優(yōu)化的需要，排氣管截面積應使氣體在排氣管中的流速控制在40-45m/s之間。一般來說，機械增壓發(fā)動精品資料機對排氣歧管設計要求與自然吸氣發(fā)動機類似，基礎發(fā)動機的排氣歧管為典型螃蟹(pánɡxiè)型等長度管道設計，根據(jù)CFD計算分析和評估，非常適合機械增壓發(fā)動機，這一點與渦輪增壓發(fā)動機不同，渦輪增壓發(fā)動機對排氣歧管內氣流脈動效果考慮較多，對排氣歧管長度、截面直徑、形狀等設計匹配也復雜很多。6.4、壓縮比選擇試驗研究和對比計算表明，壓縮比增大，內燃機指示效率提高，其功率扭矩都會增加（見圖7不同壓縮比扭矩對比圖），但壓縮比增大到一定程度后，指示效率上升越來越慢，因為循環(huán)熱效率增長速度減少時，在基本燃燒階段所放出的相對熱量減少，而在膨脹過程中后燃的燃料份額增大，汽缸中的最高溫度提高，熱分解及向汽缸壁傳熱的強度都增大，暴燃傾向加劇，這要求提高燃料的辛烷值，所以內燃機指示效率減慢，升功率隨壓縮比提高的增長速度也減慢。隨著壓縮比的提高，汽缸中的最高壓力提高，機械損失增大，啟動變得困難。也就是說在增壓發(fā)動機中，當增壓壓力提高時，壓縮比要減少。應使壓縮比與增壓壓力合理匹配才能顯著增大發(fā)動機的升功率和升扭矩，同時燃油經濟性也不會明顯惡化。機械增壓汽油機的壓縮比范圍在8.5—9.0合適。精品資料不同(bùtónɡ)壓縮比的發(fā)動機扭矩輸出對比圖精品資料6.5、氣門重疊角合適的氣門重疊角對于(duìyú)機械增壓發(fā)動機性能的提高有很重要的作用：氣門重疊角比較大，不僅會使廢氣發(fā)生倒流，進入到進氣道中，從而使得缸內殘余廢氣系數(shù)超過穩(wěn)定燃燒的極限而造成燃燒不穩(wěn)定，甚至發(fā)生失火，而且會使機械增壓發(fā)動機在高速大負荷時，由于進氣管內壓力遠遠大于排氣管內的壓力，所以在進排氣門同時打開時，會使得新鮮混合氣被掃入排氣管中，而造成HC排放過高。氣門重疊角過小，掃氣不充分，內部EGR過大，殘余廢氣系數(shù)過大，不僅各循環(huán)燃燒壓力波動比較大，燃燒不穩(wěn)定，而且會增加發(fā)動機的爆震傾向。氣門重疊角的選擇需要考慮進氣門處與排氣門處的壓力之比，特別是怠速時進氣管內的真空度。在進行匹配計算時，需要考慮氣流速度方向，防止氣流發(fā)生倒流。如圖顯示，不同氣門重疊角高度對機械增壓發(fā)動機性能的影響。精品資料6.7增壓機的中冷系統(tǒng)設計汽油機增壓時，提高增壓壓力主要受到爆震和熱負荷的限制，而降低增壓空氣的溫度對減輕爆震和降低熱負荷具有較大作用，增壓發(fā)動機采用中冷器后對提高發(fā)動機功率和燃油經濟性以及減輕爆震都是有利的，一般增壓空氣溫度每降低10℃，汽油機功率可增加2.5%，燃油經濟性也有改善，采用中冷，使進氣溫度降低，相應氣缸內壓縮溫度和最高燃燒溫度，排氣溫度都有所降低，這對改善汽油機的熱負荷也是有利的。增壓空氣的中冷效果取決于熱交換器的大小，冷卻介質溫度以及冷卻介質的流量等因素。中冷系統(tǒng)兩種典型的結構型式：獨立循環(huán)水—空氣式中冷系統(tǒng)；空氣—空氣式中冷系統(tǒng)，由于布置原因，本文討論的這款增壓發(fā)動機采用空氣—空氣式中冷系統(tǒng)。根據(jù)機械增壓器與發(fā)動機匹配計算，要求在發(fā)動機最大功率點和最大扭矩點，中冷后的進氣溫度不允許超過65℃；中冷器前后的最大進氣壓降不超過8KPa；中冷器效率大于75%，以此(yǐcǐ)來定義中冷器的尺寸。6.7增壓機的旁通閥系統(tǒng)設計在汽車用增壓發(fā)動機應用領域，一般都在增壓機進氣管路或排氣管路上采用了旁通閥，為防止發(fā)動機過增壓，或者當發(fā)動機不需增壓時，旁通閥就會使增壓空氣進行環(huán)流，以便節(jié)省燃油。本文討論的這款機械增壓發(fā)動機，其旁通閥系統(tǒng)設計非常獨特：既不是常用的電磁閥控制真空膜片式旁通閥；也不是步進電機直接驅動的旁通閥，而是一種自調節(jié)機械操縱真空膜片式旁通閥。這種旁通閥結構，不需要增加任何電磁閥控制和電機控制裝置，直接從發(fā)動機節(jié)氣門體附近取真空，做到與增壓發(fā)動機自適應和自調節(jié)。通過真空執(zhí)行器里的膜片推動拉桿來操縱旁通閥片精品資料開度，其旁通閥片開度與推桿的行程成比例，而推桿的行程完全由真空執(zhí)行器的真空度決定。這種旁通閥結構簡單，可靠性好，與前面的兩種旁通閥比較，成本上也具有很大優(yōu)勢。其旁通閥的主要參數(shù)如下：旁通閥開啟真空度90mmHg，完全開啟真空度250mmHg，而旁通閥完全關閉真空度76mmHg。另外旁通閥開啟閥片與閥座間隙很小，旁通閥允許的泄漏量要求，在500mmHg真空壓力下，其允許的最大泄漏量為50cm3/min。這種旁通閥的開啟曲線特性是通過仔細研究