《汽車發(fā)動機原理(第5版)》 課件 第七章 車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓_第1頁
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文檔簡介

汽車發(fā)動機原理2024/10/132

目錄第一章發(fā)動機的性能第二章發(fā)動機的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機混合氣的形成和燃燒第五章柴油機混合氣的形成和燃燒第六章汽車發(fā)動機特性第七章車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓第八章發(fā)動機排氣污染與噪聲控制第九章新型汽車動力裝置第十章發(fā)動機動力學(xué)第七章車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓

發(fā)動機所能發(fā)出的最大功率主要是由氣缸內(nèi)燃料有效燃燒所放出的熱量決定的,而這受到每循環(huán)吸入氣缸內(nèi)實際空氣量的限制。如果空氣在進入氣缸前得到壓縮,從而使其密度增加,則在相同氣缸工作容積條件下,可以獲得更多的新鮮空氣,因而使得發(fā)動機循環(huán)供油量增加,最終提高發(fā)動機功率。第一節(jié)概述一、發(fā)動機增壓簡介增壓具有的優(yōu)點:①增壓能夠有效提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性能。②增壓可以使發(fā)動機在總質(zhì)量和體積基本保持不變的情況下,輸出功率得到大幅度的提高,升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加,因而可以降低單位功率的造價。③增壓柴油機一般采用較大的過量空氣系數(shù),HC、CO和碳煙排放降低。④柴油機增壓后,缸內(nèi)溫度和壓力水平提高,可以使滯燃期縮短,有利于降低壓力升高率和燃燒噪聲。⑤增壓有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率,因此增壓對補償高原功率損失十分有利。車用發(fā)動機增壓仍然存在著一些技術(shù)上的難題:①增壓使發(fā)動機主要零部件的機械負荷與熱負荷增高。②要滿足車輛對轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性及瞬變工況的要求,需要大量的研究工作。③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的機械強度、耐熱性能、潤滑等方面,而對中冷器的要求是體積小、質(zhì)量輕、效率高。④車用汽油機增壓在發(fā)動機爆燃、熱負荷以及增壓器等方面仍需要克服很多技術(shù)難題。二、基本概念

1、增壓度φ

增壓度是指發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。增壓度反映了發(fā)動機增壓后功率提高的程度。

四沖程柴油機可高達φ=3.0;車用柴油機φ=0.1~0.6

2、增壓比

增壓比是指增壓器壓氣機前后的壓力之比,反映了氣體在壓氣機中的壓縮程度。

三、基本概念內(nèi)燃機的增壓方式增壓分類的方法有兩種:一種是按增壓比分類,將<1.6的稱為低增壓;

=1.6~2.5的稱為中增壓;>2.5的稱為高增壓。另一種是根據(jù)壓氣機能量的來源分類,可以分為機械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓和復(fù)合增壓(圖7-1):

圖7-1汽油機的燃燒過程a)機械增壓b)渦輪增壓c)氣波增壓d)復(fù)合增壓E—發(fā)動機C—壓氣機T—渦輪機1、機械增壓

發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓裝置,實現(xiàn)對進氣的壓縮。機械增壓的特點是響應(yīng)速度快,缺點是要消耗發(fā)動機的部分功率。2、氣波增壓

利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動效應(yīng)來壓縮進氣。氣波增壓的特點是利用了廢氣能量,效率高。3、廢氣渦輪增壓

壓氣機與渦輪同軸相連,構(gòu)成渦輪增壓器,渦輪帶動壓氣機工作,實現(xiàn)進氣增壓。廢氣渦輪增壓的特點是回收了原具有一定熱能、壓力能以及噪聲的廢氣能量,缺點是在發(fā)動機起動和低速時響應(yīng)性差、能量回收率差。4、復(fù)合增壓

復(fù)合增壓將上述多種增壓方式加以組合,以獲得更好的增壓效果。第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的工作原理與特性渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機中不同的流通方向,分為徑流式渦輪增壓器與軸流式渦輪增壓器兩類。大中型柴油機多采用軸流式渦輪增壓器,而車用內(nèi)燃機則采用徑流式渦輪增壓器,以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速及較高響應(yīng)性能的要求。徑流式渦輪增壓器圖7-2徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖1-壓氣機蝸殼2-壓氣機葉輪3-推力軸承4-浮動軸承5-渦輪葉輪6-渦輪蝸殼一、離心式壓氣機的工作原理

1、離心式壓氣機的結(jié)構(gòu)

如圖7-3所示,離心式壓氣機主要由進氣管1、工作輪2、擴壓器3和出氣蝸殼4等組成。離心式壓氣機比較適合于大流量低壓比的車用發(fā)動機增壓。為了獲得高效率,壓氣機必須高速旋轉(zhuǎn),其最高轉(zhuǎn)速可超過10萬轉(zhuǎn)/分,因此很適合與排氣渦輪聯(lián)合運行。圖7-3離心式壓氣機簡圖1—進氣管2—工作輪3—擴壓器4—出氣蝸殼2、空氣在壓氣機中的流動整個變化過程如圖7-4所示,并且有以下結(jié)論:1)通過壓氣機后,氣體的壓力升高

,達到增加氣體壓力的目的。氣體壓力升高,則密度增加,所以經(jīng)過壓氣機壓縮的氣體進入發(fā)動機進氣道后壓力升高,進氣密度增加,達到增壓的目的。2)壓氣機出口的氣體溫度升高,不利于氣體密度的提高,故需降低進入發(fā)動機進氣道的氣體溫度,所以在壓氣機出口到發(fā)動機進氣道間可加裝中冷器,冷卻氣體。圖7-4空氣參數(shù)沿壓氣機通道的變化3、擴壓器的工作原理

擴壓器通常由無葉擴壓器與葉片擴壓器組成(圖7-5)。圖7-5擴壓器原理1—工作輪2—無葉擴壓器3—葉片擴壓器4—蝸殼4、壓氣機的熱效率壓氣機的絕熱效率是評價壓氣機性能的基本指標(biāo)。圖7-6為壓氣機的壓縮過程。途中的0點表示壓氣機進口處的空氣狀態(tài);點4’表示空氣按絕熱過程壓縮后壓氣機出口處的狀態(tài);點4表示空氣按多變過程壓縮后壓氣機出口處的狀態(tài)。圖7-6空氣壓縮過程a)p-V圖b)T-S圖(1)壓縮功

按理想情況,將1kg空氣從壓力p0壓縮到壓力p4(pk)耗功最小的為可逆絕熱過程,所需的絕熱壓縮功(J/kg)為:(2)絕熱效率

實際壓氣機工作過程完善的程度是通過與理想壓氣機相比較來評定的。通常以絕熱效率

來評定,亦即壓縮到同一壓力時,在理想壓氣機中壓縮空氣的絕熱壓縮功與在實際壓氣機中消耗的實際壓縮功之比:(3)壓氣機功率

如果已知1kg空氣的絕熱壓縮功

,空氣的質(zhì)量流量

,壓氣機的絕熱效率

,則壓氣機功率

(W)為:5、壓氣機的特性曲線(1)定義

壓氣機流量特性指壓氣機的轉(zhuǎn)速不變時,壓氣機增壓比和絕熱效率

隨空氣流量的變化關(guān)系。將壓氣機不同轉(zhuǎn)速的流量特性表示在同一幅圖面上,并將效率線轉(zhuǎn)換成等效率線,可得到壓氣機的特性曲線。圖7-7離心式壓氣機特性曲線離心式壓氣機的有效功實際上與流量無關(guān)。當(dāng)在壓氣機沒有損失時,完全用來壓縮空氣,因此在任何空氣流量下,壓比不變。但實際上,必然有一部分有效功要消耗在克服各種損失上。如圖7-8所示,在空氣流過壓氣機工作輪時,主要發(fā)生兩種損失:一種是摩擦損失,它是由空氣和工作輪表面產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的損失,這一損失將隨空氣流量的加大而加大;二是撞擊損失,它是由于實際流量偏離設(shè)計而產(chǎn)生的,偏離越大損失也越大。圖7-7壓氣機特性說明(3)通用特性曲線

由無因次參數(shù)整理的曲線稱為通用特性曲線(圖7-9)。圖7-9通用特性曲線二、徑流式渦輪機的工作原理

1、燃氣在渦輪機中的流動

徑流式渦輪機主要由進氣蝸殼1、噴嘴環(huán)2、工作輪3以及出氣道4等組成,如圖7-10所示。圖7-10空氣壓縮過程徑流式渦輪機簡圖1—進氣蝸殼2—噴嘴環(huán)3—工作輪4—出氣道由發(fā)動機排氣管中排出的氣體具有壓力

、溫度

、并以速度經(jīng)進氣蝸殼流入噴嘴環(huán)。在噴嘴環(huán)上均勻的安裝了具有一定角度的葉片,這就使燃氣經(jīng)過葉片間的通道后更具有方向性,使氣流更加均勻且有秩序的流入渦輪機工作輪。葉片間的通道面積是漸縮的,使部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能,即氣體的壓力降低到

,溫度降低到

,氣體流動的速度增加到

(見圖7-11)。圖7-11渦輪機中氣流參數(shù)的變化2、渦輪機的特性增壓器的渦輪機是利用發(fā)動機排出的廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的一種動力機械。渦輪機作變工況運行時,燃氣在渦輪機中流動,隨著膨脹比增大,流量跟隨增加,當(dāng)膨脹比增加到某一臨界值時,流量達到最大值,不再增加,該現(xiàn)象即為渦輪機的阻塞。一般來說,渦輪機流量特性雖然受阻塞現(xiàn)象的限制,但渦輪機的工作范圍常比壓氣機大得多,一種渦輪機可以和多種不同的壓氣機配套使用。第三節(jié)廢氣能量的利用

一、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本型式1、恒壓系統(tǒng):如圖7-12a所示,這種增壓系統(tǒng)的特點是渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本恒定。2、變壓系統(tǒng):如圖7-12b所示,這種增壓系統(tǒng)的特點是使排氣管中的壓力產(chǎn)生盡可能大的變動。圖7-12渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式a)恒壓系統(tǒng)b)變壓系統(tǒng)二、基本概念恒壓增壓系統(tǒng)廢氣能量的利用恒壓系統(tǒng)四沖程渦輪增壓柴油機的理論示功圖(見圖7-13)說明了發(fā)動機廢氣能量的利用情況。

圖7-13四沖程增壓柴油機的理論示功圖三、脈沖增壓系統(tǒng)廢氣能量的利用設(shè)計變壓系統(tǒng)的目的,就是在于盡量改善面積

那部分能量的利用情況。從圖7-14可以看到,變壓系統(tǒng)比恒壓系統(tǒng)可以較好的利用柴油機的廢氣能量。排氣管容積較小,廢氣能量利用也就較好。

圖7-14排氣脈沖波a)排氣管容積小b)排氣管容積大四、恒壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較恒壓系統(tǒng)及脈沖系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較如下所述。①由于脈沖系統(tǒng)部分利用了廢氣的脈沖能量,所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。②脈沖增壓系統(tǒng)對氣缸中掃氣有明顯的好處。③在脈沖系統(tǒng)中,由于排氣管容積較小,當(dāng)柴油機負荷改變時,排氣的壓力波立刻發(fā)生變化,并迅速傳遞到渦輪機,引起增壓器轉(zhuǎn)速較快地變動,所以脈沖系統(tǒng)的加速性能較好。④從廢氣渦輪的效率來看,脈沖系統(tǒng)的渦輪平均絕熱效率比恒壓環(huán)境的略低。⑤脈沖系統(tǒng)的廢氣瞬時流量也是周期性變化的,其瞬時最大流量比恒壓系統(tǒng)的流量(相當(dāng)于脈沖系統(tǒng)的平均流量)大。第四節(jié)車用增壓柴油發(fā)動機的性能一、渦輪增壓器與柴油機聯(lián)合運行的基本特點1、特點:

為了使渦輪增壓器與車用發(fā)動機能夠良好地配合,使它們在各種工況下合理工作,首先是根據(jù)發(fā)動機的特定工況(如額定工況或最大轉(zhuǎn)矩工況)確定其在壓氣機特性曲線上的位置(即根據(jù)發(fā)動機選用合適型號的增壓器);其次是要解決發(fā)動機在整個運行區(qū)與增壓器實現(xiàn)良好的配合。所以選好增壓器是前提,增壓器選擇不當(dāng),發(fā)動機可能達不到預(yù)期的增壓效果。例如車用發(fā)動機選配增壓器時,常以最大轉(zhuǎn)矩工況作為設(shè)計工況,把最大轉(zhuǎn)矩工況點放在高效率區(qū),而額定工況常偏離在高效率區(qū)之外(圖7-16)。圖7-16按最大轉(zhuǎn)矩點匹配1—喘振線2—外特性3—最大轉(zhuǎn)矩點每一種渦輪增壓器都有確定的工作范圍。在小流量范圍,壓氣機受喘振限制;在大流量范圍,壓氣機因效率下降過多,亦受到限制;在增壓器的高速、高負荷范圍內(nèi),可能由于廢氣能量過高,使渦輪增壓器超過機械強度允許的轉(zhuǎn)速,或者由于排氣溫度過高,超過了渦輪機葉片所能承受的溫度,使渦輪增壓器受到了超速或超溫的限制。由此可以大致確定渦輪增壓器的工作范圍(圖7-17)。圖7-17渦輪機增壓器的工作范圍在此允許的工作范圍之內(nèi),根據(jù)與發(fā)動機聯(lián)合運行的位置,可以判斷增壓器與柴油機的配合是否良好。圖7-18所示為一臺車用增壓發(fā)動機的聯(lián)合運行區(qū)。對于車用增壓發(fā)動機來說,其負荷與轉(zhuǎn)速都在較大范圍內(nèi)變化,該聯(lián)合運行區(qū)在壓氣機特性曲線上占有面積偏大,配合的困難相對較大。圖7-18車用增壓發(fā)動機的聯(lián)合運行區(qū)2、根據(jù)特性曲線進行匹配根據(jù)特性曲線匹配主要考慮以下因素:①增壓器選型確定,即可得壓氣機特性曲線(圖7-16);②將發(fā)動機的速度特性和負荷特性轉(zhuǎn)換為空氣流量與壓比的關(guān)系,表示到壓氣機特性曲線上;③壓氣機的工作范圍(圖7-17)主要考慮以下限制:喘振限制、超速限制和低效率限制;④聯(lián)合運行的范圍(圖7-18)主要考慮發(fā)動機的工況范圍應(yīng)在壓氣機的工作范圍內(nèi)以及發(fā)動機常用工況在高效率區(qū)。為了達到匹配要求,盡管改變發(fā)動機的某些參數(shù)(如排氣管設(shè)計、配氣系統(tǒng)參數(shù)等),可以調(diào)整聯(lián)合運行區(qū),但改變渦輪增壓器的某些參數(shù)(如噴嘴環(huán)截面積、壓氣機有葉擴壓器葉片安裝角度等),也可以調(diào)整聯(lián)合運行區(qū)和喘振線位置,以滿足匹配要求。匹配一般可采用以下方法:①流量范圍的選擇②聯(lián)合運行線調(diào)整③喘振線的調(diào)整④壓氣機堵塞的控制⑤渦輪增壓器超速和增壓壓力的調(diào)整二、增壓柴油機在結(jié)構(gòu)上的變動

1、增大供油量、調(diào)整供油系

為了增加循環(huán)供油量,如果仍采用非增壓的噴油泵,勢必增加供油持續(xù)角,使燃燒過程拉長,經(jīng)濟性變壞??s短供油持續(xù)時間的方法有:增大柱塞直徑、增加供油速率(使噴油泵凸輪廓線變陡)以及加大噴油嘴孔徑等。從限制最高爆發(fā)壓力的角度考慮,應(yīng)適當(dāng)減小噴油提前角,即減少上止點前燃燒的燃料量。但過多地減小噴油捉前角,可使燃燒大量地延續(xù)至膨脹線上,以致發(fā)動機經(jīng)濟性和渦輪工作條件變壞。

2、改變配氣相位合理地增加氣閥疊開角,可加強氣缸的掃氣作用,有助于降低燃燒室零件的表面溫度,增加充量系數(shù),改善渦輪的工作條件。氣閥疊開角也不宜過大。

3、減小壓縮比、增大過量空氣系數(shù)為了降低爆發(fā)壓力,宜適當(dāng)減小壓縮比1~2個單位。過多地減小,不僅會惡化整機經(jīng)濟性,也會使起動性能變差。增大過量空氣系數(shù),可降低熱負荷,改善經(jīng)濟性,一般適宜將過量空氣系數(shù)增大10%~30%4、設(shè)置分支排氣管在脈沖增壓系統(tǒng)中,為了充分利用脈沖能量,使各缸排氣互不干擾,排氣管必須分支。分支的原則是一根排氣管所連各缸排氣必須不互相重疊(或重疊很少)。例如,一般四沖程柴油機排氣脈沖延續(xù)時間為240o曲軸轉(zhuǎn)角,這時一根排氣管所連接氣缸的數(shù)目不宜超過三個,同時應(yīng)該使相鄰發(fā)火的各缸排氣相互隔開,如發(fā)火次序為1—5—3—6—2—4的六缸機,就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各連一根排氣管。表7-2為脈沖增壓柴油機排氣管分支的例子。表7-2中所列一根排氣管連接兩個氣缸的情況:例如直列4缸或V8缸,由于所連接氣缸的發(fā)火間隔大于一個氣缸的排氣延續(xù)角,所以排氣管有一段時間并不向渦輪機的噴嘴環(huán)供氣,此時工作輪葉片產(chǎn)生鼓風(fēng)作用而損耗能量,稱為鼓風(fēng)損失(或稱為脈沖渦輪的部分進氣損失)。表7-2四沖程脈沖增壓系統(tǒng)排氣管分支

5、冷卻增壓空氣將增壓器出口的增壓空氣加以冷卻,一方面可以提高充氣密度,從而提高柴油油機功率;另一方面也可以降低柴油機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度,從而降低柴油機的熱負荷和排氣溫度。冷卻增壓空氣的方法一般是用水或空氣在中間冷卻器中進行間接冷卻,如圖7-19所示。圖7-19車用增壓柴油機的一種空氣冷卻的方案1—進氣管2—中冷器3—冷卻空氣4—吸入空氣5—空氣渦輪風(fēng)扇6—抽氣管道7—渦輪增壓器8—排氣管三、車用增壓柴油機性能

1、低速轉(zhuǎn)矩性能變化一般渦輪增壓柴油機在低速時轉(zhuǎn)矩性能差。如圖7-20所示,近代各種增壓機型可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩儲備,但增壓后最大轉(zhuǎn)矩所在的轉(zhuǎn)速比非增壓機型均有所增加,這對改善載貨車的牽引性能仍有不利之處。圖7-20增壓與非增壓機型的轉(zhuǎn)矩曲線增壓發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩儲備不好,也受高速、高負荷區(qū)的廢氣能量過高,或壓氣機供氣量過多影響。在發(fā)動機高速運行時放掉渦輪機前一部分廢氣,或者放掉壓氣機后一部分增壓空氣,即所謂放氣調(diào)節(jié),可以大大改善低速轉(zhuǎn)矩(見圖7-21)。圖7-21Sofim四缸增壓柴油機外特性曲線(采用放氣調(diào)節(jié))2、加速性能變差發(fā)動機若能對負荷與轉(zhuǎn)速作出迅速響應(yīng),這對車輛行駛安全性、經(jīng)濟性都是有利的??墒怯捎跍u輪增壓器與發(fā)動機沒有機械聯(lián)系,增壓器自身的慣性使其對突變負荷的響應(yīng)能力變差。因此,增壓發(fā)動機的加速性比非增壓發(fā)動機差。圖7-22為增壓柴油機帶負荷加速時各項參數(shù)的變化情況。圖7-22增壓柴油機帶負荷加速時各參數(shù)的變化情況3、經(jīng)濟性有所改善車輛采用增壓柴油機可以改善車輛的經(jīng)濟性。圖7-23a所示為對于同一排量增壓與非增壓機型的經(jīng)濟性比較,增壓不僅使功率范圍擴大,而且高負荷的經(jīng)濟運行范圍也擴大了;但是在低負荷區(qū)渦輪增壓器的能量轉(zhuǎn)換不好,此時增壓對低負荷經(jīng)濟性已沒有明顯的好處。如果對同一功率的增壓與非增壓發(fā)動機進行比較,采用增壓可以減少排量(減少缸數(shù)或缸徑),使同一功率的機械損失降低,因而在廣闊的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi),增壓機的油耗都比非增壓機低,等油耗的經(jīng)濟運行區(qū)域擴大(圖7-23b

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