第7章 發(fā)動機廢氣渦輪增壓(2003版)

1、第二篇第二篇 動力輸出與能量利用動力輸出與能量利用 要求了解發(fā)動機增壓的概念、衡量指標和發(fā)要求了解發(fā)動機增壓的概念、衡量指標和發(fā)動機增壓的種類；動機增壓的種類； 了解廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、了解廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、廢氣渦輪增壓的類型、廢氣能量的利用和對發(fā)廢氣渦輪增壓的類型、廢氣能量的利用和對發(fā)動機性能的影響。動機性能的影響。提高發(fā)動機的有效功率和平均有效壓力的途徑提高發(fā)動機的有效功率和平均有效壓力的途徑 30smeeinVpP ,42SdVs30Sncm/me2me2epciDpSiDPmnscmaitmep(7-1)(7-2)（5-18）（5-21） 經(jīng)分析，提高發(fā)動機的

2、單機功率有以下三條途徑：經(jīng)分析，提高發(fā)動機的單機功率有以下三條途徑：（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、增大氣缸直徑氣缸直徑D D、活塞行程、活塞行程S S 和減少行程數(shù)和減少行程數(shù) 等；等；（2 2）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速或活塞平均速度）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速或活塞平均速度 ；（3 3）提高發(fā)動機的平均有效壓力）提高發(fā)動機的平均有效壓力 。mepmC 用加大車用發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高發(fā)動機功率，將受到安用加大車用發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高發(fā)動機功率，將受到安裝位置和自重的限制。裝位置和自重的限制。 如提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，向高速發(fā)動機發(fā)展雖然可行，但發(fā)如提高發(fā)動

3、機的轉(zhuǎn)速，向高速發(fā)動機發(fā)展雖然可行，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高收到活塞平均速度動機轉(zhuǎn)速的提高收到活塞平均速度C Cm m的限制。的限制。充量系數(shù)充量系數(shù)和和機械效率機械效率都隨著活塞都隨著活塞平均速度平均速度的提高顯著下降。的提高顯著下降。 燃料的經(jīng)濟性、發(fā)動機運轉(zhuǎn)可靠性、機件壽命及噪聲等因燃料的經(jīng)濟性、發(fā)動機運轉(zhuǎn)可靠性、機件壽命及噪聲等因素也限制了活塞平均速度的提高。素也限制了活塞平均速度的提高。 只有提高發(fā)動機的平均有效壓力才是最經(jīng)濟的方法。只有提高發(fā)動機的平均有效壓力才是最經(jīng)濟的方法。 可通過可通過減小過量空氣系數(shù)減小過量空氣系數(shù) ，提高充量系數(shù)提高充量系數(shù) 等。等。aac發(fā)動機增壓的概念發(fā)動機

4、增壓的概念 增壓增壓 增壓增壓就是利用增壓器將空氣或可燃混合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)動機汽缸的過程。增氣進行壓縮，再送入發(fā)動機汽缸的過程。增壓后，每循環(huán)進入汽缸的新鮮充氣壓后，每循環(huán)進入汽缸的新鮮充氣密度增大密度增大，使使充氣量增多充氣量增多，從而達到提高發(fā)動機功率和，從而達到提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性的目的。改善經(jīng)濟性的目的。 特點：特點：（1 1）功率相同時，尺寸減小，質(zhì)量減輕）功率相同時，尺寸減小，質(zhì)量減輕（2 2）在達到額定輸出功率時，摩擦損耗相對較小）在達到額定輸出功率時，摩擦損耗相對較?。? 3）可將扭矩特性改進為低速高扭矩）可將扭矩特性改進為低速高扭矩（

5、4 4）可進行高原功率補償）可進行高原功率補償（5 5）排放降低）排放降低（6 6）降低噪聲）降低噪聲 （7 7）機械損失減少，經(jīng)濟性得到改善）機械損失減少，經(jīng)濟性得到改善（8 8）零部件的機械負荷和熱負荷增加）零部件的機械負荷和熱負荷增加7.1.27.1.2增壓發(fā)動機的特點增壓發(fā)動機的特點7.1.3 7.1.3 增壓增壓的衡量指標的衡量指標增壓的衡量指標增壓的衡量指標增壓度增壓度增壓比增壓比7.1.3 7.1.3 增壓的衡量指標增壓的衡量指標 增壓度增壓度發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比前的功率之比 10eke0e0ekekPPPPP 增壓度增壓度:

6、:小于小于1.91.9時，為時，為低增壓低增壓；在；在1.92.51.92.5范圍范圍內(nèi)，為內(nèi)，為中增壓中增壓；在；在2.53.52.53.5范圍內(nèi)，為范圍內(nèi)，為高增壓高增壓；大；大于于3.53.5時為時為超高增壓。超高增壓。(7-3) 增壓比增壓比-指增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力指增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力比。比。0kkpp增壓的衡量指標增壓的衡量指標 增壓比增壓比k k :小于小于1.61.6時為時為低增壓低增壓，k k為為1.62.51.62.5時為時為中增壓中增壓，當，當k k為為2.54.52.54.5時，時，為為高增壓高增壓。(7-4)7.1.4 7.1.4 增壓增壓的結(jié)構(gòu)形

7、式及分類的結(jié)構(gòu)形式及分類增壓三種增壓三種基本形式基本形式機械式增壓機械式增壓廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓氣波增壓氣波增壓 按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，發(fā)按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，發(fā)動機增壓可分為：動機增壓可分為： 機械式增壓機械式增壓 在機械式增壓系統(tǒng)中，增在機械式增壓系統(tǒng)中，增壓器的壓器的壓氣機壓氣機由發(fā)動機曲由發(fā)動機曲軸通過齒輪變速箱或其他軸通過齒輪變速箱或其他類型傳動裝置來驅(qū)動，將類型傳動裝置來驅(qū)動，將氣體壓縮并送入發(fā)動機汽氣體壓縮并送入發(fā)動機汽缸中。缸中。1 1排氣管排氣管 2 2氣缸氣缸 3 3曲軸曲軸 4 4齒輪副齒輪副 5 5壓氣機壓氣機 6 6進氣管進氣管圖圖7.17.1

8、 廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓 1 1排氣管排氣管 2 2渦輪殼體渦輪殼體 3 3渦輪渦輪 4 4轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸 5 5壓氣機壓氣機 6 6集氣器集氣器 7 7進氣管進氣管 發(fā)動機排出的具有發(fā)動機排出的具有一定能量的廢氣進入一定能量的廢氣進入渦輪并渦輪并膨脹做功膨脹做功，廢，廢氣渦輪的全部功率用氣渦輪的全部功率用于驅(qū)動與渦輪機同軸于驅(qū)動與渦輪機同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機工作葉旋轉(zhuǎn)的壓氣機工作葉輪，在壓氣機中將新輪，在壓氣機中將新鮮空氣壓縮后再送入鮮空氣壓縮后再送入汽缸。汽缸。圖圖7.27.23 3氣波增壓氣波增壓 11發(fā)動機發(fā)動機 2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 3 3帶輪驅(qū)動帶輪驅(qū)動 44高壓排氣高壓排氣 5 5高壓空氣高

9、壓空氣 6 6低壓空低壓空氣氣 7 7低壓排氣低壓排氣 氣波增壓，即由曲軸氣波增壓，即由曲軸 驅(qū)動一個特殊轉(zhuǎn)子，在驅(qū)動一個特殊轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中廢氣直接與空氣轉(zhuǎn)子中廢氣直接與空氣接觸，利用高壓廢氣的接觸，利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣在互脈沖氣波迫使空氣在互相不混合的情況下受到相不混合的情況下受到壓縮，從而提高進氣壓壓縮，從而提高進氣壓力。力。圖圖7.37.37.2 7.2 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的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 廢氣渦輪增壓器是利用內(nèi)燃機排出的部分廢廢氣渦輪增壓器是利用內(nèi)燃機排出的部分廢氣能量，推動氣能量，推動渦輪機渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動安裝在高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動安

10、裝在同一根軸上的同一根軸上的離心式壓氣機離心式壓氣機，增大內(nèi)燃機進氣壓，增大內(nèi)燃機進氣壓力的工作機械。力的工作機械。 按廢氣在渦輪機中不同的流動方向，可分為按廢氣在渦輪機中不同的流動方向，可分為徑流式廢氣渦輪增壓器徑流式廢氣渦輪增壓器與與軸流式廢氣渦輪增壓器軸流式廢氣渦輪增壓器兩類。一般車用發(fā)動機采用兩類。一般車用發(fā)動機采用徑流式徑流式。徑流式渦徑流式渦輪增壓器輪增壓器離心式壓氣機離心式壓氣機密封裝置密封裝置徑流式渦輪徑流式渦輪支撐裝置支撐裝置冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)壓氣機渦殼、壓氣機渦殼、壓氣機葉輪壓氣機葉輪渦輪葉輪、渦輪葉輪、渦輪蝸殼渦輪蝸殼中間體中間體7.2 7.2 廢氣渦輪增壓

11、器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理11壓氣機蝸殼壓氣機蝸殼 22壓氣機葉輪壓氣機葉輪 33密封套密封套44推力軸承推力軸承 55擋油板擋油板66隔熱板隔熱板 77卡環(huán)卡環(huán) 88渦輪機葉輪渦輪機葉輪 99渦輪機蝸殼渦輪機蝸殼 徑流式渦輪增壓器徑流式渦輪增壓器圖圖7.57.5 徑流式渦輪的工作原理：徑流式渦輪的工作原理：1 1、燃氣在渦輪機中的流動、燃氣在渦輪機中的流動2 2、渦輪機特性曲線、渦輪機特性曲線 主要工作參數(shù)主要工作參數(shù)1 1）渦輪效率渦輪效率 渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的有效程度。渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的有效程度。2 2）膨脹比膨脹比 渦輪進口氣體滯止壓力渦

12、輪進口氣體滯止壓力 與渦輪出口氣體靜壓與渦輪出口氣體靜壓力力 之比。之比。3 3）氣體流量氣體流量 單位時間單位時間 通過渦輪的氣體質(zhì)量，通過渦輪的氣體質(zhì)量， 表示。表示。TTTHW（7-5）popoTTpp（7-6）mTq4 4）渦輪轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)速 渦輪與壓氣機同軸，統(tǒng)稱渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。渦輪與壓氣機同軸，統(tǒng)稱渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。渦輪機發(fā)出的功率渦輪機發(fā)出的功率： TTmTTHqP1000（7-7）滯止參數(shù)：滯止參數(shù)：認為在外界沒有熱、功交換的情況認為在外界沒有熱、功交換的情況下，氣流速度被滯止到零時的氣體參數(shù)，以下，氣流速度被滯止到零時的氣體參數(shù)，以 、 等表示。等表示。 氣體動力計算中使用滯止參

13、數(shù)能使問題簡化。氣體動力計算中使用滯止參數(shù)能使問題簡化。pT1kkTTpp21005CTT導(dǎo)風(fēng)輪工作原理導(dǎo)風(fēng)輪工作原理 為減少損失，使氣流無沖擊進入為減少損失，使氣流無沖擊進入工作輪，葉片前緣彎曲，使與氣流進工作輪，葉片前緣彎曲，使與氣流進入工作輪的相對速度的方向幾乎重和。入工作輪的相對速度的方向幾乎重和。 半開式工作輪半開式工作輪： 葉片彎曲部分稱為：葉片彎曲部分稱為：導(dǎo)風(fēng)輪導(dǎo)風(fēng)輪 半開式工作輪缺點：葉片和殼體間隙中半開式工作輪缺點：葉片和殼體間隙中氣體的摩擦和潛流（氣體越過葉片頂部由氣體的摩擦和潛流（氣體越過葉片頂部由一個頂部流道流至另一個流道）損失較大一個頂部流道流至另一個流道）損失較大

14、 優(yōu)點優(yōu)點：制造簡單：制造簡單 無葉擴壓室（使流出工作無葉擴壓室（使流出工作室的高速氣流的速度變得室的高速氣流的速度變得均勻、略降低）均勻、略降低）7.37.3廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用 7.3.1 7.3.1 廢氣渦輪增壓的類型廢氣渦輪增壓的類型 根據(jù)廢氣能量的利用，可以分為根據(jù)廢氣能量的利用，可以分為定壓渦輪增壓定壓渦輪增壓系統(tǒng)系統(tǒng)和和脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。 廢氣渦輪廢氣渦輪增壓的類型增壓的類型 定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng) 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng) 定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng) ：渦輪前的廢氣壓力基本上：渦輪前的廢氣壓

15、力基本上保持恒定，把各缸的排氣管部通向一根保持恒定，把各缸的排氣管部通向一根排氣總管排氣總管上。上。且排氣總管的容積要足夠大，應(yīng)能起穩(wěn)定壓力的作且排氣總管的容積要足夠大，應(yīng)能起穩(wěn)定壓力的作用。這時雖然各氣缸的排氣時間互有差異，壓力波用。這時雖然各氣缸的排氣時間互有差異，壓力波動較大，但匯集到排氣總管后，互相混合減速和滯動較大，但匯集到排氣總管后，互相混合減速和滯止，基本保持恒定壓力，然后，廢氣按定壓由排氣止，基本保持恒定壓力，然后，廢氣按定壓由排氣總管導(dǎo)入渦輪機的噴嘴?？偣軐?dǎo)入渦輪機的噴嘴。 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng) 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)特點：把各缸的排氣歧管做得脈沖渦輪增壓系統(tǒng)特點：把各

16、缸的排氣歧管做得短短而而細細，渦輪增壓器盡量靠近汽缸，并且?guī)讉€汽缸連接一，渦輪增壓器盡量靠近汽缸，并且?guī)讉€汽缸連接一根排氣管。這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互根排氣管。這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互不干擾的不干擾的廢氣脈沖波進入廢氣渦輪機中。廢氣脈沖波進入廢氣渦輪機中。7.3 7.3 廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用 廢氣渦輪增壓的類型廢氣渦輪增壓的類型（根據(jù)廢氣的利用方式）（根據(jù)廢氣的利用方式） 1 1定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng) 2 2脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng) 圖圖7.137.137.4 7.4 廢氣渦輪增壓對發(fā)動機性能的影響廢

17、氣渦輪增壓對發(fā)動機性能的影響 廢氣渦輪增壓對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響廢氣渦輪增壓對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響 nPsmcaitemite1b0mmk0ck0itk0sk0eekcitsppmk0mitkit00eekbb增壓前后發(fā)動機參數(shù)對比增壓前后發(fā)動機參數(shù)對比(7-21)(7-22)有效燃油有效燃油消耗率消耗率有效功率有效功率（7-23）（7-24） 機械效率變化（提高）機械效率變化（提高） 由于增壓后由于增壓后平均指示壓力平均指示壓力提高，而提高，而平均機械損失壓力平均機械損失壓力基本基本保持不變（在轉(zhuǎn)速相同的前提下），那么保持不變（在轉(zhuǎn)速相同的前提下），那么機械效率機械效率在增壓后在

18、增壓后將是將是增加增加的的 0mmiikpp 增壓后充量系數(shù)變化增壓后充量系數(shù)變化（增加增加） 25.00k0cckTT（7-27）okTTck是是增加增加的的，車用增壓柴油機經(jīng)濟性運行特點車用增壓柴油機經(jīng)濟性運行特點 指示功率指示功率和和有效功率有效功率都得到提高都得到提高 改善高負荷區(qū)的運行經(jīng)濟性改善高負荷區(qū)的運行經(jīng)濟性 在在低負荷區(qū)低負荷區(qū)，渦輪增壓器的能量轉(zhuǎn)換較差，柴，渦輪增壓器的能量轉(zhuǎn)換較差，柴油機進、排氣阻力及換氣損失增加，增壓對經(jīng)油機進、排氣阻力及換氣損失增加，增壓對經(jīng)濟性沒有明顯的好處。濟性沒有明顯的好處。7.4 7.4 廢氣渦輪增壓對發(fā)動機其他性能的影響廢氣渦輪增壓對發(fā)動機其

19、他性能的影響1 1降低排氣污染和噪聲降低排氣污染和噪聲 2 2低速轉(zhuǎn)矩性能變差低速轉(zhuǎn)矩性能變差3 3加速性能變差加速性能變差4 4起動與制動有一定困難起動與制動有一定困難（1）降低排氣污染和噪聲）降低排氣污染和噪聲 通常增壓柴油機，有害氣體通常增壓柴油機，有害氣體HC HC 和和CO CO 的排的排放量一般為非增壓機的放量一般為非增壓機的1/3-1/21/3-1/2，尤其在采用增，尤其在采用增壓中冷以后，對減少有害排放物更為有利。壓中冷以后，對減少有害排放物更為有利。（2）低速轉(zhuǎn)矩性能變差）低速轉(zhuǎn)矩性能變差 一般渦輪增壓柴油機在一般渦輪增壓柴油機在低速段低速段轉(zhuǎn)矩性能很不理轉(zhuǎn)矩性能很不理想，影響了車輛的加速性能及爬坡能力，其原因主要想，影響了車輛的加速性能及爬坡能力，其原因主要是由于低速時發(fā)動機排出的廢氣能量低，增壓器增壓是由于低速時發(fā)動機排出的廢氣能量低，增壓器增壓壓力不高，致使循環(huán)供氣量不足，轉(zhuǎn)矩增量明顯比高壓力不高，致使循環(huán)供氣量不足，轉(zhuǎn)矩增量明顯比高速時低。速時低。（3）加速性能變差）加速性能變差 內(nèi)燃機對負荷與轉(zhuǎn)速的迅速響應(yīng)，對車輛內(nèi)燃機對負荷與轉(zhuǎn)速的迅速響應(yīng)，對車輛行駛的安全性、經(jīng)濟性都是有利的。由于廢氣行駛的安全性、經(jīng)濟性都是有利的。由于廢氣渦輪增壓器與內(nèi)燃機沒有機械聯(lián)系，增壓器渦輪增壓器與內(nèi)燃機沒有機械聯(lián)系，增壓器自自身的慣性使其對突變負