內(nèi)燃機的換氣過程

1關于內(nèi)燃機的換氣過程2第五節(jié)內(nèi)燃機的增壓內(nèi)燃機所能發(fā)出的最大功率受到氣缸內(nèi)所能燃燒的燃料的限制，而燃料量又受到每個循環(huán)內(nèi)氣缸所能吸人空氣量的限制。如果空氣能在進入氣缸前得到壓縮而使其密度增大、則同樣的氣缸工作容積可以容納更多的新鮮充量，從而就可以多供給燃料，得到更大的輸出功率。這就是增壓的基本目的。內(nèi)燃機的增壓問題，涉及到增壓器本身、增壓器與內(nèi)燃機的匹配以及內(nèi)燃機為適應增壓需要而進行的必要調(diào)整等內(nèi)容，第2頁,共170頁，2024年2月25日，星期天3增壓器直觀認識第3頁,共170頁，2024年2月25日，星期天4第4頁,共170頁，2024年2月25日，星期天5第5頁,共170頁，2024年2月25日，星期天6第6頁,共170頁，2024年2月25日，星期天7內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第7頁,共170頁，2024年2月25日，星期天8增壓技術萌生于19世紀，在20世紀初期得到初步應用。隨著材料科學及制造技術的進步，柴油機的渦輪增壓技木在20世紀中葉開始走向大規(guī)模商業(yè)應用、并逐步推廣到汽油機中。目前，大功率柴油機的絕大部分、車用柴油機的半數(shù)以上以及相當比例的高性能汽油機，均采用了增壓技術。一般而言，增壓后的功率可比原機提高40%~60%甚至更多。發(fā)動機的平均有效壓力可達到3MPa。事實上，增壓已經(jīng)成為發(fā)動機強化的一個十分重要而有效的技術手段。一、增壓技術概述第8頁,共170頁，2024年2月25日，星期天9二、內(nèi)燃機的增壓方式

根據(jù)方式的不同，內(nèi)燃機增壓可以分成四種類型：(1)機械增壓發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓器，實現(xiàn)對進氣的壓縮。這種方式提出最早，但其優(yōu)點與缺點同樣突出。(2)排氣渦輪增壓壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。(3)氣波增壓利用進氣及排氣系統(tǒng)中的波動效應來壓縮進氣，著名的氣波增壓器(Comprex)就是其中之一。(4)復合增壓由上述各種方式組合而成，如機械增壓與渦輪增壓的結(jié)合等。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，而機械增壓則在近年來重新得到重視，發(fā)展較快。第9頁,共170頁，2024年2月25日，星期天10（一）機械增壓系統(tǒng)

增壓器由柴油機直接驅(qū)動的增壓系統(tǒng)稱為機械增壓系統(tǒng)。此時驅(qū)動增壓器所需的能量由柴油機本身提供。

福特增壓式6.8升V-10氫內(nèi)燃發(fā)動機第10頁,共170頁，2024年2月25日，星期天11圖1-l機械增壓系統(tǒng)圖

1-排氣管；2-柴油機氣缸；3-曲軸；4-齒輪；5-壓氣機；6-進氣管系統(tǒng)中的增壓器采用離心式，轉(zhuǎn)瓣式（羅茨式）、或其它型式的機械泵，由柴油機曲軸通過齒輪等傳動機構(gòu)直接驅(qū)動或利用十字頭往復運動來帶動。機械增壓工作原理圖

第11頁,共170頁，2024年2月25日，星期天12第12頁,共170頁，2024年2月25日，星期天13優(yōu)點：機械增壓的特征，除了在低轉(zhuǎn)速便可獲得增壓外，增壓的動力輸出也與曲軸轉(zhuǎn)速成一定的比例，即機械增壓引擎的油門反應隨著轉(zhuǎn)速的提高，動力輸出隨之增強，因此機械增壓引擎的操作感覺與自然氣極為相似，卻能擁有較大的馬力與扭力。

缺點：機械增壓系統(tǒng)驅(qū)動增壓器要消耗柴油機的有效功率，增壓壓力越高，驅(qū)動增壓器所消耗的功率也越大。當達到一定增壓壓力后，增壓器所消耗的功率將超過柴油機由于增壓而提高的功率。

因此機械增壓系統(tǒng)只適用于低增壓柴油機，一般單獨機械增壓壓力不超過0.15～0.17。這種增壓系統(tǒng)制造容易、成本低，運轉(zhuǎn)范圍寬，柴油機加速和加載性能較好，且在啟動與低速運轉(zhuǎn)時也能獲得一定的進氣壓力，因而機械增壓在轎車發(fā)動機上的應用重新受到關注。

機械增壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點第13頁,共170頁，2024年2月25日，星期天14（二）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

增壓器由柴油機排氣驅(qū)動的廢氣渦輪所帶動的增壓系統(tǒng)稱為廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。中冷渦輪增壓kavachi發(fā)動機

第14頁,共170頁，2024年2月25日，星期天15圖1-2廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

1-排氣管；2-柴油機氣缸；3-壓氣機；

4-進氣管；5-渦輪該系統(tǒng)中的增壓器由廢氣渦輪和壓氣機兩部分組成，稱為廢氣渦輪增壓器。驅(qū)動增壓器所需的功率由柴油機的排氣能量來提供，即柴油機的排氣驅(qū)動渦輪增壓器的渦輪，由渦輪帶動同軸上的壓氣機來壓縮空氣，經(jīng)進氣管送入氣缸。

第15頁,共170頁，2024年2月25日，星期天16（三）復合增壓系統(tǒng)

compound-super-chargeddieselengine采用機械增壓器和廢氣渦輪增壓器聯(lián)合工作的增壓系統(tǒng)稱為復合增壓系統(tǒng)。

●

串聯(lián)增壓系統(tǒng)

●

并聯(lián)增壓系統(tǒng)

第16頁,共170頁，2024年2月25日，星期天17串聯(lián)增壓系統(tǒng)圖1-3串聯(lián)增壓系統(tǒng)

第17頁,共170頁，2024年2月25日，星期天18（四）氣波增壓氣波增壓器是利用氣體的壓縮波和膨張波來傳遞能量的一種增壓器。它由一個轉(zhuǎn)子和兩個定子組成(圖1—6)。從發(fā)動機排出的高壓燃氣流經(jīng)定子，在轉(zhuǎn)子中對空氣進行壓縮。被壓縮的空氣壓力、溫度升高后、從另一定子進入氣缸。同時，空氣對高壓燃氣產(chǎn)生一個膨脹波、使燃氣壓力、溫度下降。低壓燃氣從原來的定子排入大氣。轉(zhuǎn)子由發(fā)動機曲軸通過傳動裝置驅(qū)動，約消耗整機有效功率1．0％一1．5％。

圖1-6氣波增壓器工作原理圖第18頁,共170頁，2024年2月25日，星期天19與渦輪增壓相比

優(yōu)點：低速運行特性、經(jīng)濟性、加速性↑結(jié)構(gòu)簡單，制造方便缺點：結(jié)構(gòu)尺寸較大，在發(fā)動機的安裝位置受到一定的限制躁聲較大

第19頁,共170頁，2024年2月25日，星期天20

從第二章中可知，內(nèi)燃機的動力性指標(以有效功率Pe為代表)與經(jīng)濟性指標（以有效燃油消耗率be為代表）可以表示為

(4—7)(4—8)三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響第20頁,共170頁，2024年2月25日，星期天21假設增壓后發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和過量空氣系數(shù)φa保持不變增壓后換氣過程形成正的泵氣功，指示熱效率ηit增加增壓度增加，ηm增加增壓度增加，ρa增加增壓度增加，φc增加所以Pebe第21頁,共170頁，2024年2月25日，星期天22四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價優(yōu)勢代價第22頁,共170頁，2024年2月25日，星期天23第23頁,共170頁，2024年2月25日，星期天24優(yōu)勢1)增壓器的質(zhì)量與尺寸都較小，內(nèi)燃機的總體質(zhì)量增加不大，而輸出功率可以以得到大幅度的提高，整機的比質(zhì)量減小、升功率相應增大。采用增壓技術可降低內(nèi)燃機單位功率的造價，提高材料的利用率。對于大型柴油機而言，經(jīng)濟效益更加突出。第24頁,共170頁，2024年2月25日，星期天25優(yōu)勢2)由于與非增壓內(nèi)燃機相比，排氣可以在渦輪中獲得進一步的膨脹，的排氣噪聲有所降低。第25頁,共170頁，2024年2月25日，星期天26優(yōu)勢3)增壓后，有利于內(nèi)燃機在高原稀薄空氣條件下恢復功率，以達到或接近平原性能。第26頁,共170頁，2024年2月25日，星期天27優(yōu)勢4)增壓后，由于壓縮終點溫度與壓力提高，滯燃期縮短，壓力升高比有所降低。燃燒柔和，燃燒噪聲有所降低。第27頁,共170頁，2024年2月25日，星期天28優(yōu)勢5)過量空氣系數(shù)較大，HC、CO和煙度排放降低第28頁,共170頁，2024年2月25日，星期天29優(yōu)勢6)技術適用性廣，從低速到高速、二沖程到四沖程、大缸徑到小缸徑．都有應用第29頁,共170頁，2024年2月25日，星期天30代價1)增壓后缸內(nèi)工作壓力以及溫度提高，機械負荷及熱負荷加大，內(nèi)燃機的可靠性受到嚴峻的考驗。2)低速時由于排氣能量不足，可能會使發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩受到影響以及車用發(fā)動機十分不利。3)由于在渦輪增壓器中，從排氣能量的傳遞到進氣壓力的建立需要內(nèi)燃機的加速響應性能較非增壓機型差。4)增壓發(fā)動機性能的進一步優(yōu)化．受到增壓器及中冷器的限制，其中增壓器的問題集中在材料、耐熱性能、潤滑、效率等方面，而中冷器則要求體積小、效率高、質(zhì)量輕。第30頁,共170頁，2024年2月25日，星期天31采用增壓發(fā)動機的利弊：

利：有效功率↑30%——50%

燃油消耗率↓10%

排氣凈化、降低躁聲，使在高原工作的內(nèi)燃機恢復功率

弊：機械負荷↑熱負荷↑排溫要<650度壓縮空氣溫度高，要采用中冷器發(fā)動機要做相應的改造第31頁,共170頁，2024年2月25日，星期天32內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第32頁,共170頁，2024年2月25日，星期天33渦輪增壓器由壓氣機和渦輪兩大部分組成。根據(jù)排氣在渦輪中流動方向的不同，排氣渦輪增壓器可以分為兩大類，即徑流式渦輪增壓器和軸流式渦輪增壓器。一般大型柴油機多采用軸流式，以滿足大流量、高效率的要求；而車用發(fā)動機多采用徑流式，以適應高轉(zhuǎn)速及較高響應性能的要求。增壓器的壓氣機部分，一般都采用單級離心式結(jié)構(gòu)。五、渦輪增壓器的工作特性第33頁,共170頁，2024年2月25日，星期天34按渦輪型式分類（軸流式和徑流式）

大型增壓器多采用軸流式渦輪（即燃氣在渦輪內(nèi)的流動方向平行于轉(zhuǎn)子軸方向）圖2-1軸流式渦輪示意圖

圖2-2徑流式渦輪示意圖1-氣殼；2-工作輪；3-渦輪軸；4-噴嘴環(huán)；5-進氣殼a）向心式（徑向進氣軸相排氣）；b）離心式；c）混流式1-進氣殼；2-噴嘴環(huán)；3-工作輪；4-排氣殼；5-渦輪軸小型增壓器則采用徑流式渦輪（燃氣在渦輪內(nèi)沿垂直于轉(zhuǎn)子軸軸線的徑向流動）五、渦輪增壓器的工作特性第34頁,共170頁，2024年2月25日，星期天35第35頁,共170頁，2024年2月25日，星期天361.離心式壓氣機的工作過程五、渦輪增壓器的工作特性離心式壓氣機的功用是提高氣體的壓力，它主要由進氣道、工作輪(含手風輪)、擴壓器和出氣蝸殼等部件組成。1進氣道2工作葉輪3擴壓器4壓氣機渦殼

離心式壓氣機結(jié)構(gòu)第36頁,共170頁，2024年2月25日，星期天371.離心式壓氣機的工作過程壓氣機通道內(nèi)氣體狀態(tài)的變化五、渦輪增壓器的工作特性第37頁,共170頁，2024年2月25日，星期天38首先，新鮮充量沿截面收縮的軸向進氣道進人工作輪．氣流略有加速(圖4—14b中的位置1)。然后，氣流進人工作輪上葉片組成的氣流通道。由于工作輪的轉(zhuǎn)速很高(一般為每分鐘幾萬轉(zhuǎn)．有時高達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn))，離心力的作用使得新鮮充量得到了很大的壓縮，其壓力、溫度以及氣流速度均有較大程度的增加(圖中位置2)，這部分能量是由驅(qū)動工作輪的機械功轉(zhuǎn)化而來，而機械功又是來源于與之間軸鈾相連的渦輪。第38頁,共170頁，2024年2月25日，星期天39然后，壓力提高了的氣體沿y作輪徑向流出，進人擴壓器和出氣蝸殼。由于兩者均是截面逐漸增大的通道，氣體所擁有動能的大部分會在其中轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋⑦@樣，壓力得以進一步升高．而氣流速度則相應下降(圖中位置3、4)：同時，出氣蝸殼還兼有收集流出的氣體以便向內(nèi)燃機進氣管輸送的目的。由此可見，新鮮充量在壓氣機中完成了一系列的功能轉(zhuǎn)換，并將渦輪機傳給壓氣工作輪的機械能，盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)槌淞康膲毫δ堋５?9頁,共170頁，2024年2月25日，星期天40***-----壓氣機的流量特性壓氣機的通流特性是指在一定環(huán)境條件下（、為一定時），在某一轉(zhuǎn)速時，增壓比和效率隨流量而變化的關系曲線。以流量為橫坐標，增壓比和效率為縱坐標，轉(zhuǎn)速為參變數(shù)繪出壓氣機的流量特性曲線。效率和流量的關系曲線以等效率線的形式畫在增壓比和流量的關系曲線上，以便于分析。壓氣機流量特性

2.離心式壓氣機的特性離心式壓氣機的特性曲線五、渦輪增壓器的工作特性第40頁,共170頁，2024年2月25日，星期天41壓氣機特性曲線的變化主要特點：

2．較低轉(zhuǎn)速時，增壓特性線變化較平坦；轉(zhuǎn)速愈高，則增壓特性線變化愈陡削，這說明在高轉(zhuǎn)速時，較小的流量變化所對應的增壓比的變化較大。1.在等轉(zhuǎn)速運行線上，隨著空氣流量的增加，增壓比開始時是增加的，當增加至某一值時，達最大值。之后再增壓便逐漸下降，所以，增壓特性線似馬鞍形狀。由圖中還可看出，在等轉(zhuǎn)速運行線上，效率隨流量的變化也大致與增壓特性線相似。第41頁,共170頁，2024年2月25日，星期天423．有一條喘振線。它是不同轉(zhuǎn)速下壓氣機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最小流量點的連線，即壓氣機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的邊界線。喘振線以左為喘振區(qū),此時壓氣機工作不穩(wěn)定。流過壓氣機的氣流開始振蕩，嚴重時，整臺壓氣機發(fā)生振動并伴隨著特殊的尖叫聲。這種現(xiàn)象稱為喘振現(xiàn)象。喘振線以右為穩(wěn)定工作區(qū)。最小流量點的數(shù)值是隨著轉(zhuǎn)速的升高向增大的方向移動。第42頁,共170頁，2024年2月25日，星期天43***壓氣機流量特性的成因以徑向葉輪為例，如壓氣機進出口氣流速度相同，在沒有流動損失情況下，有效功完全用來壓縮空氣，即

而

為葉輪出口處的輪周速度

為功率系數(shù)

壓比與絕熱壓縮功的關系為：可見，增壓比與流量無關，在特性曲線上是一條與橫坐標平行的（a-a）直線。2.離心式壓氣機的特性第43頁,共170頁，2024年2月25日，星期天44可見，增壓比與流量無關，在特性曲線上是一條與橫坐標平行的（a-a）直線。但實際流動是有損失的，而且這種損失與流動最直接合關。這些損失有以下兩部分。

1．流動損失包括摩檫損失、渦流損失等。這種損失以表示，與氣流速度c有關。當流量增大，c必然加快，相應增大。則相應用來提高壓力的絕熱壓縮功減少，壓比降低。所以，在特性線上、計及流動損失后的壓比線為b—b所示第44頁,共170頁，2024年2月25日，星期天452．撞擊損失當壓氣機離開設計工況時，氣流角度和葉片的幾何角度不能保持一致，產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象。計及撞擊損失后，壓比與流量的關系線用c—B—c來表示。第45頁,共170頁，2024年2月25日，星期天46如圖所示，當流量增大時，入口軸向分速增大，而—定，則氣流撞擊入口邊的背面；當流量減小時，入口軸向分速減小，而不變，則撞擊入口邊的凹面。說明只要氣流偏離設計工況，都會產(chǎn)生撞擊損失。

圖2-10轉(zhuǎn)速不變、流量變化時葉輪入口處的撞擊現(xiàn)象（a）設計工況（b）流量增大（c）流量減小第46頁,共170頁，2024年2月25日，星期天47***壓氣機的喘振與堵塞2.離心式壓氣機的特性流量過小過大喘振堵塞當壓氣機的流量過小,氣體會在葉輪或擴壓器入口出現(xiàn)邊界層分離,導致氣體回流.分離渦流迅速擴展到壓氣機通道的其他部分,氣流出現(xiàn)強烈的振蕩,引起工作輪葉片強烈振動,產(chǎn)生很大的噪音,為壓氣機的喘振.當流量超過設計工況到一定數(shù)值后,壓氣機的增壓比和效率均急劇下降,而流量卻不再增加,這一現(xiàn)象稱為壓氣機的堵塞.設計或選配時保證壓氣機具有寬廣的工作范圍,以滿足增壓發(fā)動機的運轉(zhuǎn)要求.第47頁,共170頁，2024年2月25日，星期天48圖2-10轉(zhuǎn)速不變、流量變化時葉輪入口處的撞擊現(xiàn)象（a）設計工況（b）流量增大（c）流量減小第48頁,共170頁，2024年2月25日，星期天49圖2-11在一定轉(zhuǎn)速、不同流量下葉片擴壓器的空氣流動情況（a）設計工況（b）流量增大

（c）流量減小第49頁,共170頁，2024年2月25日，星期天50一般來說,葉片擴壓器流道內(nèi)氣體分離的擴大是壓氣機喘振的主要原因,而工作葉輪進口處氣流分離的擴大會使喘振進一步加劇.如小型增壓器中普遍采用的無葉擴壓器,不僅使工作流量范圍擴大,又可避免壓氣機的喘振現(xiàn)象的發(fā)生.第50頁,共170頁，2024年2月25日，星期天513.徑流式渦輪機的工作原理五、渦輪增壓器的工作特性**徑流式渦輪的結(jié)構(gòu)渦輪主要內(nèi)進氣殼、噴嘴環(huán)、工作葉輪和排氣殼等部件組成。進氣殼

(也稱蝸殼)的作用，是把發(fā)動機排出的具有一定能量的廢氣，以盡量小的流動損失和盡量均勺的分布引導到渦輪噴嘴環(huán)的入口。噴嘴環(huán)

又稱導向器，流通截面呈漸縮形，其作用是使具有一定壓力和溫度的燃氣膨脹加速并按規(guī)定的方向進入工作葉輪。工作葉輪

(簡稱葉輪)是唯一承受氣體作功的元件．它與壓氣機葉輪同軸、把氣體的動能轉(zhuǎn)化為機械功向壓氣機輸出。排氣殼

收集葉輪排出的廢氣并送入大氣。第51頁,共170頁，2024年2月25日，星期天52**渦輪機工作原理噴嘴環(huán)上的導向葉片構(gòu)成的是漸縮曲線型通道，廢氣進入噴嘴通道，在此彎曲的收縮通道內(nèi)廢氣膨脹，部分壓力能變成動能，廢氣的絕對速度↑，溫度和壓力↓。工作輪葉片一般也組成收縮通道，在工作輪葉片中，燃氣繼續(xù)膨脹，壓力溫度↓。當氣流流過工作葉輪時，氣流轉(zhuǎn)彎，由于離心力作用的結(jié)果，在葉片凹面壓力得到提高，而凸面降低。產(chǎn)生帶動工作葉輪旋轉(zhuǎn)的扭矩。3.徑流式渦輪機的工作原理第52頁,共170頁，2024年2月25日，星期天53**廢氣渦輪的特性曲線與壓氣機一樣，渦輪在變工況時氣流參數(shù)的變化是通過特性曲線來表示的。渦輪特性曲線表示了在各種工況下渦輪主要工作參數(shù)間的變化關系，是確定渦輪與發(fā)動機匹配合理與否的至要依據(jù)。渦輪性能曲線最常用的形式是表征渦輪通流能力的流量特性曲線和表征渦輪效率變化的效率特性曲線。

3.徑流式渦輪機的工作原理第53頁,共170頁，2024年2月25日，星期天54**廢氣渦輪的特性曲線3.徑流式渦輪機的工作原理n一定時，隨著流量的增加有一最佳效率值。每一轉(zhuǎn)速下，有相應的流量及范圍。隨著流量的增加，有一最大值為A，再增大，流量不再增加，稱為廢氣的阻塞現(xiàn)象。發(fā)生流量阻塞的原因是噴嘴環(huán)或渦輪葉輪中某處氣流速度已達到了當?shù)芈曀佟u輪實際工作時，由于噴嘴出口處流速最高。往往是該處先于葉輪發(fā)生流量阻塞。第54頁,共170頁，2024年2月25日，星期天55內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第55頁,共170頁，2024年2月25日，星期天56六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介廢氣渦輪增壓的兩種基本形式

渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式

a）定壓增壓系統(tǒng)（b）脈沖增壓系統(tǒng)第56頁,共170頁，2024年2月25日，星期天57六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)內(nèi)燃機所有氣缸的排氣管都連接于一根排氣總管而排氣總管的容積又盡可能做得大。這樣一來，排氣管實際上就起了集氣箱作用。這時雖然各氣缸的排氣時間是岔開的，但由于集氣箱的穩(wěn)壓作用，因而在排氣總管內(nèi)的壓力振蕩是較小的。可以認為渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本上是恒定的，即工質(zhì)在恒定壓力狀態(tài)下進入渦輪。第57頁,共170頁，2024年2月25日，星期天58六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)***定壓增壓對內(nèi)燃機廢氣能量的利用2-0：增壓器進氣過程0-a：增壓器充量的壓縮過程，a為增壓壓力

a-3：增壓器等壓排氣3-a：內(nèi)燃機等壓吸氣過程a-c：壓縮過程c-z：燃燒過程z-b：膨脹過程b-5：排氣門打開時的定容排氣5-4：定壓排氣排氣管為恒定壓力4-e：渦輪進氣e-f：渦輪中的膨脹f-2：渦輪等壓排氣第58頁,共170頁，2024年2月25日，星期天59排氣門打開時排氣等熵膨脹至大氣壓力時所作的功1－b－f－1排氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣歧管中自由膨脹所損失的能量排氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)***定壓增壓對內(nèi)燃機廢氣能量的利用第59頁,共170頁，2024年2月25日，星期天60活塞推出排氣使排氣增加的能量排氣中渦輪的可用能量掃氣空氣進入渦輪后具有的能量排氣在渦輪中的膨脹功1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)***定壓增壓對內(nèi)燃機廢氣能量的利用第60頁,共170頁，2024年2月25日，星期天61活塞推出排氣使排氣增加的能量掃氣空氣進入渦輪后具有的能量排氣在渦輪中的膨脹功損失的能量E1中的一小部分，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱排氣，使焓值增加而得到的附加能量渦輪前排氣的可用能量***定壓增壓對內(nèi)燃機廢氣能量的利用1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)第61頁,共170頁，2024年2月25日，星期天62廢氣的擁有能分為：(b-e-5-b)(5-e-f-1-5)無論是變壓還是恒壓系統(tǒng)均在渦輪中膨脹做功恒壓系統(tǒng)、變壓系統(tǒng)的差別很大。恒壓系統(tǒng)中，由于排氣管壓力維持恒定，全部在節(jié)流中損失，損失而產(chǎn)生的熱量將用來加熱排氣管中的工質(zhì)，使溫度提高。渦輪功面積增加e-e’-f’-f-e.***定壓增壓對內(nèi)燃機廢氣能量的利用1.定壓渦輪增壓系統(tǒng)第62頁,共170頁，2024年2月25日，星期天63廢氣回收率占損失能量的比例為:

且廢熱回收的比例愈大.

當增壓壓力較低，而渦輪增壓器的綜合效率又不很高時，恒壓系統(tǒng)就難以實現(xiàn)功率平衡要求。其原因就在于能量E1沒有很好地加以利用。

為了很好地利用E1，提出了脈沖增壓系統(tǒng)。第63頁,共170頁，2024年2月25日，星期天642脈沖增壓系統(tǒng)使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力波動，渦輪增壓器盡量靠近氣缸；把排氣管做得短而細，盡量減小排氣管容積。為在一根排氣管中形成互不干擾的排氣脈沖波進入廢氣渦輪機，要根據(jù)氣缸數(shù)按內(nèi)燃機的發(fā)火順序組成幾根排氣管，每根排氣管各自連接幾個氣缸(通常為2缸或3缸)。必須把渦輪的噴嘴環(huán)(即渦輪進口)，根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開，使它們互不干擾。如發(fā)火順序為l—5—3—6—2—4的六缸四沖程增壓柴油機排氣管分組情況。六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介第64頁,共170頁，2024年2月25日，星期天65

兩種增壓系統(tǒng)在廢氣能量利用的區(qū)別（1）采用脈沖增壓可以對面積E1所示脈沖能量加以利用。在脈沖增壓系統(tǒng)中，由于排氣管容積很小，在排氣閥開啟后，排氣管中壓力迅速升高，形成了圖中所示的壓力波---排氣脈沖波。由于排氣管的壓力迅速提高，使氣體處于亞臨界流動。排氣壓差的減小，使排氣節(jié)流損失下降，從而提高了對能量E1的利用率。且瞬時進入渦輪的廢氣壓力較高，在渦輪內(nèi)瞬時膨脹功大。（2）排氣管截面細，氣流速度高，部分氣流的動能可以在渦輪中加以利用。

可見，脈沖增壓系統(tǒng)比定壓增壓系統(tǒng)可以較好地利用內(nèi)燃機的廢氣能量。

第65頁,共170頁，2024年2月25日，星期天663．脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的比較和選用排氣能量的利用比較六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介脈沖增壓:排氣節(jié)流造成的排氣能量的損失比定壓增壓系統(tǒng)小,而且能利用排氣的脈沖能量。而定壓增壓不能利用脈沖能量。所以脈沖增壓對排氣能量的利用比定壓要好。但當增壓比提高時，排氣管內(nèi)壓力升高，定壓系統(tǒng)的排氣能量損失有所下降。且脈沖能量在排氣能量中所占的比重降低，所以兩種系統(tǒng)對排氣能量的利用效果隨增壓比的提高而接近。當增壓比小于2.5時，脈沖增壓對排氣能量的利用比定壓要好。第66頁,共170頁，2024年2月25日，星期天673．脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的比較和選用掃氣作用

比較定壓增壓系統(tǒng)：

脈沖增壓系統(tǒng)：

較小，組織良好掃氣有一定困難

因排氣前期高，排氣速度大，后期下降快，正處于氣門疊加期，

大，有利于掃氣第67頁,共170頁，2024年2月25日，星期天683．脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的比較和選用加速性能比較脈沖增壓的加速加載性能較好，由于脈沖增壓排氣管容積小，幾個工作循環(huán)后壓力很快上升，增壓器能迅速加速到規(guī)定轉(zhuǎn)速，保證柴油機掃氣的要求。而定壓增壓在柴油機加速加載時反應性能差，即快速加速加載時，排氣能量不能快速增加，壓力因而也難于快速提高，造成短時間內(nèi)空氣流量不足，使柴油機冒煙。此外，在內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速減低時，脈沖增壓系統(tǒng)的可用能與定壓增壓系統(tǒng)的可用能之比增大，有利于改善內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩特性。第68頁,共170頁，2024年2月25日，星期天693．脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的比較和選用增壓器的效率比較定壓增壓由于進入渦輪的壓力基本恒定，故渦輪效率較高。脈沖增壓：在開始排氣時排氣以很高的流速進入渦輪，流動損失增加；脈沖增壓渦輪為脈動進氣，進入工作輪葉片的排氣流動方向也是周期地改變，使氣流撞擊損失增加；脈動的壓力有時還造成渦輪機的部分進氣現(xiàn)象，因此渦輪效率較低。第69頁,共170頁，2024年2月25日，星期天703．脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的比較和選用增壓器的結(jié)構(gòu)比較定壓增壓系統(tǒng)排氣管結(jié)構(gòu)簡單，這對于氣缸數(shù)目很多的柴油機在結(jié)構(gòu)布置上尤為重要。而脈沖增壓系統(tǒng)排氣管要進行分支，使排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，布置困難。第70頁,共170頁，2024年2月25日，星期天71脈沖系統(tǒng)和定壓系統(tǒng)的選用

高增壓柴油機高，排出的廢氣能量回收比例大，故多采用定壓增壓。且渦輪前壓力恒定，渦輪效率提高。低增壓柴油機定壓系統(tǒng)低，節(jié)流損失大，采用脈沖增壓系統(tǒng)更好。高增壓柴油機變工況特別是出現(xiàn)低負荷情況下，用脈沖增壓系統(tǒng)更好。船用、發(fā)電用車用第71頁,共170頁，2024年2月25日，星期天72內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第72頁,共170頁，2024年2月25日，星期天73七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配內(nèi)燃機與渦輪增壓器只通過內(nèi)燃機的進排氣流動聯(lián)系。內(nèi)燃機的工作特性參數(shù)是用轉(zhuǎn)速和負荷來表示的，不同轉(zhuǎn)速和負荷下排氣的流量和溫度不同，即排氣的能量不同，通過增壓器轉(zhuǎn)換后，反過來影響進氣狀態(tài)，進而影響發(fā)動機的性能和排氣狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)下達到一種平衡。內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速范圍是從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速到標定轉(zhuǎn)速，負荷變化從零到滿負荷，要使增壓內(nèi)燃機有良好的性能，就必須使渦輪和壓氣機的聯(lián)合運行在寬廣的范圍內(nèi)與內(nèi)燃機有良好的配合，彼此適應，這就是所謂的渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配。第73頁,共170頁，2024年2月25日，星期天741.內(nèi)燃機使用特性的坐標轉(zhuǎn)換第74頁,共170頁，2024年2月25日，星期天75第75頁,共170頁，2024年2月25日，星期天762.聯(lián)合運行線聯(lián)合運行線

為了討論運行線的聯(lián)合，以單級渦輪增壓系統(tǒng)為例

2發(fā)動機某一工況下，對應該工況功率所需的增壓力基本確定，因此，壓氣機提供的增壓壓力必須等于發(fā)動機所需的增壓壓力。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，壓氣機所提供的空氣正好等于內(nèi)燃機所需的空氣量。因此，在穩(wěn)定工況下，壓氣機特性線上的流量和內(nèi)燃機所需的流量相等。

因此，可以將內(nèi)燃機的使用特性圖與壓氣機特性圖統(tǒng)一起來，構(gòu)成增壓器和內(nèi)燃機聯(lián)合后的工作運行線。第76頁,共170頁，2024年2月25日，星期天77第77頁,共170頁，2024年2月25日，星期天783、聯(lián)合運行線的限制

內(nèi)燃機增壓系統(tǒng)由壓氣機、渦輪及內(nèi)燃機等聯(lián)合運行，它們之間的參數(shù)互相影響，十分復雜。各自的限制條件均反映在運行線上。換句話說，聯(lián)合運行線的限制條件是壓氣機、渦輪和內(nèi)燃機三者限制條件的綜合反映。

第78頁,共170頁，2024年2月25日，星期天793、聯(lián)合運行線的限制

壓氣機的限制

1最高轉(zhuǎn)速限制線

發(fā)動機按負荷特性運行時，隨著負荷的增加，雖然發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，但循環(huán)供油量增加，廢氣溫度和壓力都相應提高，既渦輪進口焓值增加，增壓器轉(zhuǎn)速增加。第79頁,共170頁，2024年2月25日，星期天80壓氣機的限制

1最高轉(zhuǎn)速限制線

當發(fā)動機按外特性運行時，循環(huán)供油量變化不大，隨著負荷減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，流量增大，廢氣流量也增大，渦輪轉(zhuǎn)速升高。

當增壓器轉(zhuǎn)速超過某一值后，離心力增加過大，以致超過葉輪機械強度所能承受的程度，就會發(fā)生事故。因此壓氣機有一條最高轉(zhuǎn)速限制線(曲線6)。第80頁,共170頁，2024年2月25日，星期天81壓氣機的限制

2.喘振邊界線

當發(fā)動機負荷或轉(zhuǎn)速降低都伴隨著流量的減少。若發(fā)動機流量減少到壓氣機喘振邊界線以左，使壓氣機進入喘振區(qū)，即無法工作。因此，壓氣機運行受喘振邊界線的限制(如曲線5)。第81頁,共170頁，2024年2月25日，星期天82渦輪限制條件1.最高溫度限制線

隨著發(fā)動機負荷增加，轉(zhuǎn)速升高，都伴隨著排氣溫度升高。當排氣溫度超過渦輪材料熱應力承受的程度，就會發(fā)生事故。因此，渦輪有一條最高溫度限制線(如曲線7)。

第82頁,共170頁，2024年2月25日，星期天83渦輪限制條件2.最高轉(zhuǎn)速限制線

這與壓氣機一樣，轉(zhuǎn)速過高，離心力過大，以致超過葉輪材料強度所能承受的程度，就會發(fā)生事故。渦輪葉輪的材料優(yōu)于壓氣機葉輪，但渦輪工作溫度顯著高于壓氣機。所以增壓器最高轉(zhuǎn)速限制線應根據(jù)壓氣機和渦輪的實際薄弱環(huán)節(jié)來確定。第83頁,共170頁，2024年2月25日，星期天84渦輪限制條件

3.噴嘴環(huán)出口流量阻塞線

廢氣流經(jīng)渦輪，在噴嘴環(huán)出口處流通面積最小，流速最大。根據(jù)噴嘴流動理論、喉部最大流速為當?shù)匾羲?，即當發(fā)動機流量增大，以致噴嘴中的膨脹比為臨界膨脹比時，流經(jīng)渦輪的流量達到最大值。這時，即使發(fā)動機流量再增大，渦輪的流量也不再增大，除非增大噴嘴環(huán)喉部流通而積。因此，渦輪有一條最大流量的限制線，也稱流量阻塞線(如曲線l0)。

不過，在增壓系統(tǒng)中，渦輪的流量范圍很寬，而且噴嘴環(huán)面積可以變動，所以這條限制線一般不會出現(xiàn)。

第84頁,共170頁，2024年2月25日，星期天85發(fā)動機的限制條件

1.冒煙限制線

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷降低時，廢氣溫度降低，渦輪轉(zhuǎn)速下降，壓氣機壓比和流量減少，然而按外特性運行的柴油機供油量不變，造成低速冒煙，煙度超標后，柴油機不能運行。因而，運行線受冒煙限制線的制約。（如曲線9）

第85頁,共170頁，2024年2月25日，星期天86發(fā)動機的限制條件

2.最低效率線

增壓系統(tǒng)的熱效率與發(fā)動機的熱效率、渦輪增壓器的總效率有關。渦輪增壓器的總效率和壓氣機絕熱效率、渦輪絕熱效率及機械效率有關。尤其是壓氣機絕熱效率的高低對增壓系統(tǒng)的熱效率關系最為密切。若聯(lián)合運行線在壓氣機的低效區(qū)工作，則發(fā)動機的功率、油耗率將會直接受損。因此，運行線受壓氣機最低效率線的限制(見曲線8)。

第86頁,共170頁，2024年2月25日，星期天87綜合增壓系統(tǒng)的各組成件的限制條件，聯(lián)合運行線受6條限制線的制約：即喘振邊界線：最高轉(zhuǎn)速線；最高溫度線；冒煙限制線；流量阻塞線及最低效率線。換句話說，聯(lián)合運行線必須在這6條限制線之內(nèi)，工作才會正常。

第87頁,共170頁，2024年2月25日，星期天88聯(lián)合運行線合理性判別

增壓系統(tǒng)的聯(lián)合運行線即使在6條限制線以內(nèi)，仍不一定說明匹配合理。聯(lián)合運行線的合理與否判別標準有以下兩條：1．運行線在壓氣機特性線的高效區(qū)，即發(fā)動機各使用工況都在壓氣機特性線的高效區(qū)。

2．為避免運行線竄入喘振區(qū)，運行線應和喘振邊界線大致平行，并與其保持一定的距離，大體為設計工況流量的10％一15％★如果聯(lián)合運行線不符合上述標準，就應進行調(diào)節(jié)。第88頁,共170頁，2024年2月25日，星期天894、聯(lián)合運行線的調(diào)整

為了達到匹配要求，盡管改變內(nèi)燃機的某些參數(shù)（如排氣管設計、配氣系統(tǒng)參數(shù)等），可使聯(lián)合運行線的位置發(fā)生變動，但改變渦輪增壓器的某些參數(shù)（如噴嘴環(huán)截面積、壓氣機葉片擴壓器葉片安裝角等），也可以使聯(lián)合運行線和喘振線位置發(fā)生移動，達到滿意的效果。后者更方便。第89頁,共170頁，2024年2月25日，星期天904、聯(lián)合運行線的調(diào)整

每個型號的渦輪增壓器都有其合適的使用流量范圍，通常是從喘振線到某一效率等值線或堵塞線所包括的區(qū)域**流量范圍的選擇若聯(lián)合運行線在壓氣機喘振邊界線左邊較遠的距離，如下圖中的曲線1所示位置，說明選取的壓氣機型號偏大，無法匹配，應另選小一號的壓氣機。若聯(lián)合運行線在線2所示的位置，則說明所選用的壓氣機太小，其流量可以勉強滿足發(fā)動機的要求，但壓氣機在低效區(qū)工作，增壓系統(tǒng)的熱效率不高，應換取大一號壓氣機。

第90頁,共170頁，2024年2月25日，星期天91平行移動法

若聯(lián)合運行線在喘振邊界線附近，但離喘振線距離大近，換一個型號、離高效區(qū)又太遠。在這種情況下，可采取平行移動法使壓氣機特性曲線相對原位置平移一個較小的距離。

水平移動法

垂直移動法

4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第91頁,共170頁，2024年2月25日，星期天92平行移動法

水平移動法

4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第92頁,共170頁，2024年2月25日，星期天93平行移動法

垂直移動法

增大壓氣機渦殼尺寸，減少無葉擴壓器及集氣渦殼動能對壓力能的轉(zhuǎn)換，可以減小壓氣機出口靜壓力，使壓氣機特性垂直下移，反之，上移。4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第93頁,共170頁，2024年2月25日，星期天94轉(zhuǎn)動移動法

若聯(lián)合運行線在喘振線附近，但又不平行，或大流量在工作區(qū)，小流量在喘振區(qū)；或大流量在喘振區(qū)，小流量在工作區(qū)。對采用有擴壓器的壓氣機，可以改變擴壓器葉片安裝角的方法使特性曲線轉(zhuǎn)動一個角度，以適應聯(lián)合運行線的需要。當擴壓器葉片安裝角減小，流通面積縮小，同時，氣流進入擴壓葉片產(chǎn)生撞擊損失。這影響擴壓器效率及壓氣機出口壓力，在大流量時表現(xiàn)更為突出，故壓氣機特性曲線順時針轉(zhuǎn)動一個角度。反之，逆時針轉(zhuǎn)動。但減小安裝角的方法是以降低效率為代價。

4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第94頁,共170頁，2024年2月25日，星期天95利用噴嘴環(huán)出口面積的變化對渦輪增壓及內(nèi)燃機發(fā)生的一系列影響來實現(xiàn)的調(diào)節(jié)法。這種影響互相牽連和制約。對增壓器的影響當噴嘴環(huán)出口面積減小，在發(fā)動機及增壓器其它條件不變的情況下，噴嘴出口氣流速度增大，轉(zhuǎn)子速度升高，壓氣機出口壓力升高，壓氣機特性線上移。反之既下移。4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第95頁,共170頁，2024年2月25日，星期天962、對內(nèi)燃機的影響

當噴嘴環(huán)出口面積減小，內(nèi)燃機通流能力減小，使用特性線向減小流量方向移動。反之，向增大流量方向移動。

4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第96頁,共170頁，2024年2月25日，星期天97噴嘴環(huán)面積的變動對內(nèi)燃機排氣背壓有直接影響，這影響內(nèi)燃機的換氣品質(zhì)。另外，噴嘴環(huán)面積變化過大，大于15%以后，對反動度有明顯的影響。實驗結(jié)果表明，當噴嘴環(huán)出口通流面積減小20％，反動度將下降10％左右，這時渦輪效率下降約6%。噴嘴環(huán)出口通流面積變動20％左右，可以認為是調(diào)整的一個限度，否則要同時改變動葉輪通流面積。

4、聯(lián)合運行線的調(diào)整

第97頁,共170頁，2024年2月25日，星期天98在試驗中，一般用負荷特性來尋找最佳噴嘴環(huán)出口通流面積，減小噴嘴環(huán)出口通流面積將增加活塞排氣推出功，使燃油消耗率增加，只是在高速、高負荷時由于渦輪功增大，壓縮空氣功增大，使進入的空氣量增大．才使燃油消耗率下降，因此渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積的選取在于高、低負荷工況下燃油稍耗率值之間的折衷。4、聯(lián)合運行線的調(diào)整第98頁,共170頁，2024年2月25日，星期天994、聯(lián)合運行線的調(diào)整

**聯(lián)合運行線的調(diào)整調(diào)整渦輪增壓器的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增大渦輪噴嘴環(huán)出口截面積等，將發(fā)動機的聯(lián)合運行線向下移動。對于書上的例子，將使其離開喘振線進入正常區(qū)域。當噴嘴環(huán)出口面積減小，在發(fā)動機及增壓器其它條件不變的情況下，噴嘴出口氣流速度增大，轉(zhuǎn)子速度升高，壓氣機出口壓力升高，壓氣機特性線上移。反之既下移。第99頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1004、聯(lián)合運行線的調(diào)整

**壓氣機堵塞的控制壓氣機堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生，是在某個流通截面下，氣體運動速度達到了聲速而導致流量不再增加。臨界截面一般出現(xiàn)在葉片擴壓器的進口喉部附近，但當葉輪進口喉部面積過小時，也可能造成在葉輪喉口發(fā)生堵塞。因此，適當增加葉片擴壓器喉口面積和葉輪喉口面積，可以提高壓氣機的堵塞流量，從而擴大壓氣機的工作流量范圍。第100頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1014、聯(lián)合運行線的調(diào)整

**渦輪增壓器超速和增壓壓力的調(diào)整渦輪增壓器超速采用增大渦輪噴嘴面積的方法，減小渦輪前的排氣能量，可克服增壓器的超速問題。增壓內(nèi)燃機的功率尚未達到標定值時，增壓器轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到允許的最大值，若繼續(xù)增加發(fā)動機功率，增壓器將處于超速狀態(tài)，這是不允許的。第101頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1024、聯(lián)合運行線的調(diào)整

**渦輪增壓器超速和增壓壓力的調(diào)整為避免渦輪增壓器超速，同時改善車用增壓發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性放氣（廢氣旁通）可變幾何參數(shù)渦輪第102頁,共170頁，2024年2月25日，星期天103第103頁,共170頁，2024年2月25日，星期天104第104頁,共170頁，2024年2月25日，星期天105第105頁,共170頁，2024年2月25日，星期天106第106頁,共170頁，2024年2月25日，星期天107第107頁,共170頁，2024年2月25日，星期天108第108頁,共170頁，2024年2月25日，星期天109內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第109頁,共170頁，2024年2月25日，星期天110為了適應增壓的要求，內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)要進行適當?shù)母膭觕1．壓縮比與過量空氣系數(shù)為了降低爆發(fā)壓力，增壓內(nèi)燃機應適當降低壓縮比。增壓比越高，壓縮比降低越大，但過高的降幅會惡化內(nèi)燃機的經(jīng)濟性能，而且會引起冷起動困難。對于汽油機而言，更容易誘發(fā)爆燃，故降低壓縮比更是比較普通的選擇；為了降低內(nèi)燃機的熱負荷和改善經(jīng)濟性。增壓內(nèi)燃機可適當加大過量空氣系數(shù)，如車用柴油機的a：一般較小，增壓后一般將其增大10%~30%。八、內(nèi)燃機的增壓改造第110頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1112．供油系統(tǒng)為廠適應增壓后功率增大的要求，需要增加每循環(huán)的供油量。對于增壓柴油機而言，為了使供油持續(xù)期近似不變，常采用以下方法：增大柱塞直徑、增加供油速率、提高噴油比例、加大噴孔直徑等，這些措施也可保證燃油噴注在空氣密度提高的情況下有足夠的貫穿距離。同時，適當?shù)販p小噴油提前角，可以限制最高爆發(fā)壓力的增長?；推魇狡蜋C在增壓后．也需要對量孔、供袖泵、點火角調(diào)整裝置等處進行調(diào)整。八、內(nèi)燃機的增壓改造第111頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1123．配氣系統(tǒng)利用增壓壓力比排氣壓力高的有利條件，應合理地加大配氣系統(tǒng)的氣門疊開角。以增加氣缸掃氣，從而降低內(nèi)燃機的熱負荷。增壓柴油機的試驗表明，氣門疊開角每增加10o（CA）活塞平均溫度降低4o（CA）。合理增大氣門疊開角，除了降低發(fā)動機的熱負荷以外，還由于氣缸內(nèi)廢氣掃除徹底和進氣終點溫度的降低，使充量系數(shù)增大。此外，由于降低了排氣溫度，渦輪的工作條件也在一定程度上得到了改善；但當增壓壓力較高(如pb＞300kPa)和采用進氣中冷技術后，氣門疊開角反而和非增壓相差不多，主要是為了防止低負荷時的排氣倒流以及過大的活塞頂上的避讓坑。八、內(nèi)燃機的增壓改造第112頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1134．進排氣系統(tǒng)進排氣系統(tǒng)的設計，要與增壓系統(tǒng)的要求相一致。如脈沖系統(tǒng)，為了使排氣期間各缸的排氣不致于互相干擾，要求同一排氣文管所連各缸內(nèi)的排氣不能重疊或盡可能地減小重要如發(fā)火次序為1-5-3-6-2-4的六缸機，可以來用1、2、3缸和4、5、6缸各連一根排氣管，每一根管內(nèi)相鄰兩缸間的工作夾角為240o(CA)，與排氣脈沖波的持續(xù)時間大致相同，排氣間干擾不大。增壓內(nèi)燃機的進氣管容積希望盡可能大一些效率和改善發(fā)動機的性能。八、內(nèi)燃機的增壓改造第113頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1145．增壓空氣的冷卻將增壓器出口空氣進行冷卻，一方面可以進一步提高內(nèi)燃機進氣管內(nèi)空氣的密度，從而提高內(nèi)燃機的功率輸出；另一方面可以降低內(nèi)燃機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度、從而降低內(nèi)燃機的排氣溫度、熱負荷以及N02排放：為達到這一目的，一般利用中冷器、用循環(huán)冷卻水或冷卻風扇氣流對增壓后的充量進行間接冷卻。利用冷卻風扇或車輛運行過程中所產(chǎn)生的高速氣體流動來冷卻增壓空氣的“空一空”中冷方式，可以獲得比較好的冷卻效果、且布置較為靈活，近年來在車用發(fā)動機上應用較多。八、內(nèi)燃機的增壓改造第114頁,共170頁，2024年2月25日，星期天115內(nèi)容提要一、增壓技術概述二、內(nèi)燃機的增壓方式三、增壓對經(jīng)濟性及動力性能的影響四、發(fā)動機增壓技術的優(yōu)勢與代價五、渦輪增壓器的工作特性六、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介七、渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配八、內(nèi)燃機的增壓改造九、汽油機的增壓技術第115頁,共170頁，2024年2月25日，星期天116

從排氣能量利用的觀點看，汽油機的渦輪增壓與柴油機相比并沒有本質(zhì)的區(qū)別，但長期以來，渦輪增壓技術除了在賽車發(fā)動機和高性能轎車發(fā)動機中得到應用外，在其他應用領域，其普及性遠不如柴油機。究其原因，是由于兩種發(fā)動機在工作過程中的不同特點所決定的。限制汽油機增壓的主要技術障礙是爆燃、混合氣的控制、熱負荷和增壓器的特殊要求等方面，現(xiàn)分述如下。九、汽油機的增壓技術第116頁,共170頁，2024年2月25日，星期天117汽油機增壓后，由于混合氣壓縮始點的壓力、溫度增高，以及燃燒室受熱零件熱負荷提高等原因，將促使爆燃的發(fā)生。為此，必須采用降低壓縮比、推遲點火時刻、采用進氣中冷等技術措施，但相應會帶來熱效率下降、排溫過高、成本增加等不利影響。正因為如此．汽油機的增壓比一般比柴油機低得多，一般不超過2，這樣，功率最高增加幅度約為40%~50%，而燃油經(jīng)濟性則不一定有所改善。1．爆燃第117頁,共170頁，2024年2月25日，星期天118爆燃控制：（即點火提前角控制）應用點火提前角自適應控制系統(tǒng)克服由于增壓而增加的爆燃傾向。利用爆震傳感器檢測爆燃信息，并傳送給ECU，電控單元則發(fā)出指令推遲點火時刻以消除爆震。待爆震消除后，自適應地加大點火提前角，使發(fā)動機在最理想的狀況下工作。爆震傳感器1—爆燃傳感器2—切換閥控制電磁閥3—ECU

4—進氣管絕對壓力傳感器5—空氣流量計

6—噴嘴環(huán)控制電磁問7—噴嘴環(huán)驅(qū)動氣室

8—切換閥驅(qū)動氣室

第118頁,共170頁，2024年2月25日，星期天119汽油機采用定質(zhì)變量調(diào)節(jié)，化油器式發(fā)動機進行增壓時，氣體流經(jīng)化油器喉口的壓力足變化的，不僅難于精確供應一定濃度的混合氣，還增加了一些如增壓方案的選揮、化油器的密封、加速響應性能等新問題。電控汽油噴射技術的應用，為增壓技術在汽油機中的應用掃除了大障礙。2．混合氣的調(diào)節(jié)第119頁,共170頁，2024年2月25日，星期天120汽油機的過量空氣系數(shù)?。紵郎囟雀撸蛎洷刃?，排氣溫度也比柴油機高200o~300oC。增壓后．汽油機的整體溫度水平提高，熱負荷問題加重。同時，為避免可燃混合氣的損失，一般氣門疊開角不大，燃燒室的掃氣作用不明顯，因此，增壓汽油機的排氣門、活塞、渦輪等處的熱負荷均比增壓柴油機嚴重。為此，汽油機在進行渦輪增壓時，一般都采用渦輪前放氣的調(diào)節(jié)方案，以抑制發(fā)動機高速、高負荷時增比壓力的過度增長，這不僅是限制最高燃燒壓力的需要，也是抑制爆燃、降低熱負荷的需要。3．熱負荷第120頁,共170頁，2024年2月25日，星期天121抑制爆震燃燒和降低熱負荷汽油機的最大增壓壓力主要受爆震的限制，而爆震加劇的最大原因是由于熱負荷增加。對一臺汽油機要進行渦輪增壓首要問題是防止發(fā)生爆震燃燒。方法1.降低壓縮比2.減小點火提前角3.對增壓空氣進行中冷第121頁,共170頁，2024年2月25日，星期天122抑制爆震燃燒和降低熱負荷1.降低壓縮比2.減小點火提前角3.對增壓空氣進行中冷可改善排放，壓縮比從8.5下降到6.5，HC降低50%，氮氧化合物減少30％～40％，但壓縮比下降，使熱效率下降。推遲點火提前角有助于防止爆燃，但過晚點火，使后燃加劇，使有效功率下降，排溫升高，對渦輪不利。理想的點火提前角是調(diào)整到即將爆震而尚未爆震時，動力性和經(jīng)濟性均最好。中冷使指示功率增大，熱負荷降低，防止爆震。第122頁,共170頁，2024年2月25日，星期天123汽油機增壓比低、流量范圍廣、熱負荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速變化范圍大c這就要求增壓器體積要小、耐高溫性能要好、轉(zhuǎn)動慣量要小，同時效率還要保證在一定的范圍內(nèi)，還要求有增壓調(diào)節(jié)裝置。因此，要求是很苛刻的，這就造成它的成本比柴油機用增壓器要高。實際上，汽油機增壓技術的應用與進步，很大程度上取決于高性能渦輪增壓器的發(fā)展情況c在這方面，已經(jīng)有較多的適合于汽油機增壓的渦輪增壓器產(chǎn)品可供選擇，除此之外，有些新技術還在進一步的發(fā)展中，如陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子、可變截面渦輪增壓器等。4．對增壓器的特殊要求第123頁,共170頁，2024年2月25日，星期天124

總體而言，汽油機的增壓技術在過去的20年中獲得了重大的突破，各種裝備增壓汽油機的高性能轎車陸續(xù)維出。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1990年全世界的增壓汽油機已經(jīng)占到廠汽油機總量的15%。隨著電子控制技術以及發(fā)動機管理系統(tǒng)的大規(guī)模應用，以及高性能增壓器的不斷出現(xiàn)，汽油機增壓技術的發(fā)展將有一個新的局面。第124頁,共170頁，2024年2月25日，星期天125補充一：車用柴油機對增壓系統(tǒng)的要求車用柴油機的增壓度還不高，從廢氣能量利用程度考慮應采用變壓增壓系統(tǒng)。

車用柴油機是在相當廣泛的轉(zhuǎn)速、負荷范圍內(nèi)變化，為了使低負荷時仍具有良好的掃氣應采用變壓增壓系統(tǒng)。

從瞬間反應來看，當負荷和轉(zhuǎn)速突然變化時，對于恒壓系統(tǒng)主要由于排氣管容積較大，顯然需要較長的時間才能反應氣缸狀態(tài)的變化，使瞬間反應遲緩。變壓系統(tǒng)由于排氣管小而短，改善了反應。

一、增壓系統(tǒng)1.車用柴油機應以采用變壓系統(tǒng)為宜

第125頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1262.柴油機和渦輪增壓器的最佳匹配點應放在低速扭矩最大處。一、增壓系統(tǒng)對于車用柴油機一般在外特性上額定轉(zhuǎn)速的50％一60％處出現(xiàn)最大平均有效壓力，匹配點就選在該點，使渦輪增壓器的效率在該點達到最大值，保證充氣量達到最大，而在全負荷時渦輪增壓器的效率反而略低一些，充氣量也就低一些，來保證有較好適應性系數(shù)的可能性。3.車用發(fā)動機室的空間很小，因此要求增壓器的體積小。4.車用柴油機的變工況多，起動性和加速性很重要。因而增壓器的轉(zhuǎn)動慣量應盡量小，質(zhì)量要輕。

5.車用柴油機的變工況范圍廣，因此需要壓氣機的高效區(qū)也相應地寬廣。同時與柴油機的配合運行線離喘振邊界線應遠一些，以避免出現(xiàn)突然的變工況時，進入喘振區(qū)。6.渦輪增壓器的工作可靠，價格低廉。第126頁,共170頁，2024年2月25日，星期天127二、對廢氣渦輪的要求

1.車用柴油機相對其他類型柴油機而言，它的流量較小，又要具有較高效率，而且高效區(qū)較寬廣，因此一般采用徑流渦輪。2.渦輪所用的噴嘴環(huán)有整體式，可調(diào)噴嘴環(huán)和無葉噴嘴環(huán)三種。無葉噴嘴實質(zhì)上是渦殼的一部分，其出口截面根據(jù)所需噴嘴面積決定。由于無葉噴嘴環(huán)有結(jié)構(gòu)筒單、尺寸小、重量輕以及變工況適應性好等優(yōu)點，尤其適合于車用柴油機需要，因而大部分車用柴油機用無葉噴嘴的結(jié)構(gòu)。

第127頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1283.由于車用柴油機的匹配點選擇在低速時出現(xiàn)最大輸出功率，這時流量較小，因此噴嘴環(huán)的流通面積或噴嘴角要?。坏硪环矫?，在柴油機高速時往往使渦輪超速，使氣缸的最大爆發(fā)壓力超過允許值。因而最理想情況是低速時具有較小的噴嘴環(huán)面積而當高速時又有較大的噴嘴環(huán)面積。也就是采用可調(diào)噴嘴環(huán)或稱可變幾何參數(shù)渦輪，是車用增壓的一個重要發(fā)展方向，但在非設計工況時，因效率低，部分抵消它的優(yōu)越性，且結(jié)構(gòu)復雜。

二、對廢氣渦輪的要求

第128頁,共170頁，2024年2月25日，星期天129三、對壓氣機的要求對于車用柴油機來說，低轉(zhuǎn)速時，增壓器的轉(zhuǎn)速也相應降低，流入氣缸的空氣量就少，為了避免柴油機低速時冒黑煙，除了在燃油供應系統(tǒng)應適當采取措施外，壓氣機應盡量做到在低轉(zhuǎn)速時仍有較大的空氣量供應給柴油機。為此，壓氣機應盡最量提高其絕熱效率，并且使高效區(qū)盡量寬廣，以便壓氣機在低流量點和大流量點都接近較高的效率區(qū)域。但近年來出現(xiàn)的一種后彎(掠)式壓氣機葉輪能同時滿足這兩種工況。后彎葉輪的流量范圍有顯著的改善，穩(wěn)定運行邊界及劇烈喘振線均移向更低的流量區(qū)，還顯示出它有較寬廣的和較高的效率特性曲線。第129頁,共170頁，2024年2月25日，星期天130三、對壓氣機的要求2.由于車用柴油機的工況頻繁變化，壓氣機的擴壓部分也應以無葉擴壓器結(jié)構(gòu)為宜，這樣可以避免因工況而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

第130頁,共170頁，2024年2月25日，星期天131補充二：渦輪增壓柴油機的扭矩特性及其改善措施一．車用增壓柴油機的扭矩特性要求

車用柴油機渦輪增壓主要不在于其能在最高轉(zhuǎn)速時有盡量大的輸出功率，而是在于低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生更大的扭矩，或提供更大的牽引力，以利于提高在大負荷下的起步和爬坡能力。一般車用柴油機有兩個動力指標：速度系數(shù)

適應性系數(shù)或扭矩儲備系數(shù)

第131頁,共170頁，2024年2月25日，星期天132動力指標1．速度系數(shù)

既表示柴油機的最高轉(zhuǎn)速與柴油機最大扭矩時的轉(zhuǎn)速之比。最大扭矩時的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的55％一60％。：55％一60％2．適應性系數(shù)或扭矩儲備系數(shù)

即表示柴油機的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速時的扭矩之比。

絕大多數(shù)生產(chǎn)廠對柴油機在額定轉(zhuǎn)速的60％處能獲得20%的扭矩增加就很滿意。一般扭矩儲備系數(shù)

第132頁,共170頁，2024年2月25日，星期天133一般車用柴油機與廢氣渦輪增壓器匹配在60%的額定轉(zhuǎn)速處，此時扭矩最大，增壓器效率最高。農(nóng)用、建筑機械工作條件差，匹配點轉(zhuǎn)速要求低50%，而高

第133頁,共170頁，2024年2月25日，星期天134二、渦輪增壓柴油機的扭矩特性

一般，四沖程柴油機在增壓后，在0.9----1.0之間，采取適當措施，其扭矩特性就能滿足車用柴油機的特殊要求，但隨著增壓壓力的不斷提高，渦輪增壓柴油機的扭矩特性就越來越差。恒壓增壓系統(tǒng)

柴油機扭矩特性最差

燃氣流量減少，增壓比減小

明顯減少

扭矩減小。

采用較大的氣門重疊角有助于改善扭矩特性。因為轉(zhuǎn)速降低一半時，較大的氣門重疊角能使通過柴油機的空氣流量大于全負荷流量的一半，因此壓力的下降程度比以上所說的要少些。第134頁,共170頁，2024年2月25日，星期天135變壓增壓系統(tǒng)

比恒壓增壓系統(tǒng)有利得多，因為柴油機在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，各個排氣脈沖之間的時間間隔增大，每個氣缸排氣流過渦輪的時間相應延長，使排氣壓力波的波谷既深又寬。相當于縮小渦輪的等效流通面；也相當于提高了渦輪效率，這兩項因素都使柴油機在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，增壓壓力的降低程度不像恒壓增壓系統(tǒng)那樣明顯。

總之，對于一般增壓柴油機在采用變壓增壓系統(tǒng)、低速匹配以后，再加上燃油供應系統(tǒng)進行適當?shù)男Ｕ?，使隨著轉(zhuǎn)速降低而供油量有適當?shù)脑黾樱敲从锌赡軡M足車用柴油機的一般要求。第135頁,共170頁，2024年2月25日，星期天136三、提高渦輪增壓柴油機的扭矩措施

1.在車用柴油機中提高扭矩特性的最常用的方法是采用放氣。

在高轉(zhuǎn)速時采用放走一部分廢氣或在壓氣機后放走一部分空氣。

旁通閥由增壓空氣控制。柴油機在高負荷時排氣流量很大，這時增壓壓力加大，將旁通閥打開，部分燃氣繞過渦輪直接進入渦輪后的排出管，以防止渦輪增壓器的超速和供應過高的增壓壓力，在調(diào)試時應保證在時旁通閥完全關閉，其余工況則旁通閥有相應的開度。

第136頁,共170頁，2024年2月25日，星期天137第137頁,共170頁，2024年2月25日，星期天138第138頁,共170頁，2024年2月25日，星期天139用放掉增壓空氣的辦法也可以達到同樣目的。但從效果來看，放掉一部分排氣比放掉一部分增壓空氣更有利。可是不管怎么說在柴油機高負荷下運行，放掉一部分排氣總會降低渦輪增壓器的效率，但對于車用柴油機高負荷運行時間不長，因此還是有效的。第139頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1401采用匹配方法。2表示在排氣放氣情況下，可在較大的平均有效壓力范圍內(nèi)具有最高扭矩儲備。3是采用可調(diào)噴嘴環(huán)面積措施，得到最好的效果。但結(jié)構(gòu)復雜。且噴嘴環(huán)在高溫下工作，必須在噴嘴葉片安裝環(huán)間留有較大徑向間隙。當柴油機轉(zhuǎn)速下降，排氣溫度降低，徑向間隙間出現(xiàn)嚴重漏氣現(xiàn)象，惡化葉柵中的流動狀態(tài)，使渦輪效率明顯下降，只在特殊場合下應用。

第140頁,共170頁，2024年2月25日，星期天1412.采用復合增壓提高扭矩特性

通過利用內(nèi)燃機進氣管中的不穩(wěn)定流動，回收進氣過程中加速氣流的大部分動能，這對渦輪增壓柴油機特別有利。

第141頁,共170頁，2024年2月25日，星期天142包括諧振管的諧振系統(tǒng)與柴油機的進氣管相連接。為了更好地利用不穩(wěn)定流動，將進氣相位互不重疊的氣缸組成一個諧振系統(tǒng)，把六缸柴油機分兩組，亦即用兩個獨立的諧振系統(tǒng)，它們通過穩(wěn)壓箱同渦輪增壓器相連。第142頁,共170頁，2024年2月25日，星期天143諧振系統(tǒng)由諧振室和諧振管組成，氣缸的進氣頻率越接近固有率，壓力波動就越強烈，兩個頻率相同時就產(chǎn)生共振。共振時，活塞在前半部進氣沖程中所做的功轉(zhuǎn)化為諧振管中的動能；在后半部進氣沖程中，這個動能使氣缸的進氣管內(nèi)的壓力升高，在正壓力波的作用下，氣缸內(nèi)的氣體壓力要高于渦輪增壓器出口壓力，使充氣效率提高。

由于利用進氣管內(nèi)空氣的波動，在等于和低于共振轉(zhuǎn)速的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)柴油機的充氣效率提高，改善其扭矩特性。

第143頁,共170頁，2024年2月25日，星期天144復合增壓的主要性能：

充氣效率和供氣量更接近于車用柴油機的工作要求。

在車用柴油機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，泵吸損失減少，使比油耗比一般增壓低。柴油機在一個較小的空氣流量范圍內(nèi)工作，從而使柴油機和渦輪增壓器更好的匹配。

第144頁,共170頁，2024年2月25日，星期天145補充三：車用增壓柴油機的熱負荷及解決途徑

車用增壓柴油機的熱負荷問題增壓柴油機，其新鮮充量的溫度是壓氣機出口溫度的函數(shù)，比非增壓高，即使是低增壓度，也要高60一80℃。壓縮始溫的增加，造成工作循環(huán)各特征點溫度的相應提高。同時，循環(huán)供油量增加以后，固然用于轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃吭黾印５c此同時，損失的熱量也增加。這表現(xiàn)在機油溫度、冷卻水溫度及排氣溫度顯著提高。這對柴油機和渦輪增壓器都存在熱負荷過大的問題，會出現(xiàn)氣缸蓋“鼻梁骨”斷裂、燃燒室鑲塊燒裂、活塞環(huán)燒結(jié)、卡死、活塞燒裂等現(xiàn)象。渦輪轉(zhuǎn)子也會因熱負荷過大而損壞，如密封環(huán)燒結(jié)、葉片變形等。隨著增壓度的提高，熱應力問題更加突出。在增壓匹配試驗中，如何解決熱負荷過大是極其重要的一個問題。增壓內(nèi)燃機的熱負荷表現(xiàn)形式很多，比較集中地反映在排氣溫度上。第1