,第七章 车用发动机的废气 涡轮增压,第一节 概述,增压是将空气压缩并供入气缸，用以提高充气密度、增加进气量的一项措施。 增压的目的在于提高功率，伴随着空气量增加，相应地增加循环供油量，即可增加功率,发动机增压的优点,1)可以减少缸数或气缸直径，减少整机外形尺寸和单位功率的重量，这对提高车辆使用经济性很有意义。 2)提高了热效率，降低了发动机的油耗率。 3)减少了排气污染及噪声。 4)降低了单位功率的造价。 5)对补偿高原功率损失十分有利。,发动机增压技术上的困难,1)采用增压使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增高。 2)适用的小型增压器发展较晚，而且小型涡轮增压器的效率偏低。 3)长期以来增压发动机很难满足车辆对扭矩适应性及瞬变工况的要求。 4)车用汽油机增压遇到的困难更多。,增压度 ：是指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。它反映发动机采用增压后使功率提高的程度。 式中，Pe-0 、 Pe-k 分别为增压前后的功率,目前，多数车用发动机的增压度不高，大约在10-60%的范围内，大部分为20-30%（而船用大型低速四冲程柴油机的增压度可达 3.0以上）。这是因为车用发动机增压不仅要求功率增加，而且还要在较大的转速和负荷范围内满足动力性能、经济性能、排放与成本等多方面的要求，一般增压度不高。,增压比 ：是指增压后气体压力 与增压前气体压力 之比，即 通常，增压按两种方法分类： 一种是按增压系统的结构分类； 一种是按增压比分类。,1）低增压： 2.5，对应的 1500kpa。 4）超高压： 4.55.5，对应的 =2500-3500kpa以上。 按增压的结构形式分类： 机械增压系统、废气涡轮增压系统、复合式发动机、组合式涡轮增压系统、气波增压系统等。,按增压比分类,废气涡轮增压系统,发动机排出的具有一定能量的废气进入废气涡轮并膨胀做功。废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作轮，在压气机中将新鲜空气压缩后，再送入气缸,废气涡轮增压与非增压性能比较,1由于利用了废气能量，有利于改善整机动力性及经济性 2改善了排放品质 3起动性、加速性变差 4改善低速扭矩特性有一定困难 5热负荷及机械负荷增加,废气涡轮增压发动机优缺点,1由于利用了废气能量，有利于改善整机动力性及经济性 2改善了排放品质 3起动性、加速性变差 4改善低速扭矩特性有一定困难 5热负荷及机械负荷增加,复合式发动机,复合式发动机优缺点,1、能充分利用废气能量，使动力性、经济性大为改善 2、由于排气经过两级祸轮，使噪声降低 3、结构复杂，成本高，技术难度大 4、加速性变差，柴油机绝热化+涡轮复合式是一种很有效的方案,组合式涡轮增压,组合式增压优缺点,原理：由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。在该增压系统中除涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的惯性增压系统 优缺点： 1与涡轮增压相比，结构不算复杂 2对改善低速扭矩有益 3加速性变好 4，进气管路比较庞大 5采用三缸一管谐振效果明显，采用二缸一管谐振效果较差,气波增压,气波增压优缺点,原理：由曲轴驱动一个特殊的转子，在转子中废气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波(膨胀波与压缩波)，迫使空气压缩，以提高进气压力 优缺点： 1与涡轮增压相比，可改善低速扭矩 2结构简单、加工方便、对主要件 （转子、轴承)的材料及工艺要求不高 3加速性好 4工况范围大 5尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安装位置的限制 6噪声大,涡轮增压的主要优点： 1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可提高功率20-50%，而且容易实现高增压。 2）由于压气机消耗的功率是涡轮从废气中回收的一部分能量，再加上相对地减少了机械损失和散热损失，提高了机械效率和热效率，使内燃机增压后油耗率可降低5-10%，经济性能有明显提高。 3）可降低排气噪声和烟度。废气在涡轮中实现充分膨胀，排气噪声降低；废气中的有害成分也可减少，因而减少了对环境的污染。 涡轮增压的缺点： 涡轮增压内燃机气体流路长，加速性能较差；热负荷问题较严重（特别是高增压时），对大气温度和排气背压较敏感。,按废气在涡轮中不同的流动方向，可分为径流式废气涡轮增压器和轴流式废气涡轮增压器两类。一般车用发动机多采用径流式，以适应高转速和较高响应性能的要求。而大、中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器。 径流式涡轮增压器由离心式压气机（包括压气机叶轮、压气机蜗壳等）、径流式涡轮（包括涡轮叶轮、涡轮蜗壳等）和中间体三个主要部分，以及支承装置、密封装置、冷却系统和润滑系统等组成。,第二节废气涡轮增压器的工作原理,径流式涡轮车用发动机 轴流式涡轮大、中型柴油机 径流式涡轮增压器：离心式压气机+径流式涡轮机 其他组件： 支承装置 密封装置 冷却系统 润滑系统,径流式涡轮增压器的构成,一、离心式压气机的工作原理,（一）空气在压气机中的流动,组成：离心式压气机一般由进气道1、工作轮2、扩压器3及出气蜗壳4组成。 基本工作原理 ：空气沿收敛型的轴向进气道略有加速地进入工作轮，并沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，由于工作轮中的空气随工作轮一起旋转，工作轮的机械能传递给气体，转变为气体的动能，使气体运动的线速度增大，使之能克服气体微团所受径向压差的作用，而沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动，达到了增压的目的。 总之，空气流经压气机的各个通道之后，完成了一系列的能量转换，将涡轮机传给压气机工作轮的大部分机械能转变为空气流的压力能。,扩压器的工作,空气参数沿压气机通道的变化,（二）压气机的绝热效率 衡量压气机性能的基本指标,空气的压缩过程,1. 空气的压缩功,理想状况，耗功最小的是可逆绝热过程，所需的绝热压缩功：,实际压缩是多变过程，所需的压缩功：,2. 绝热效率,压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压缩功与在实际压气机中消耗的实际压缩功之比,目前涡轮增压器上应用的离心式压气机，绝热效率为0.60-0.80.,3. 压气机功率,（三）压气机的特性曲线,在不同转速下压气机的压力比及效率与空气流量之间的关系,1.压气机压比流量特性,最高效率：当等转速线从大流量向小流量变化时，压比与效率最初有所提高；随着流量减少到某值，压比与效率达到最高；在这以后，流量继续减少，压比与效率反而略有下降。 喘振：当流量进一步减少到某一值后，压气机工作开始不稳定，气流发生强烈地脉动，称为喘振。 喘振线：将各种转速下的喘振点连接起来，就可以确定一条不稳定工作的边界线，称为喘振线。 等效率曲线：中间是高效率区，高效率区一般比较靠近喘振边界线，沿高效率区向外，效率逐渐下降，特别在大流量及低压比区，效率下降很多。,提高高效率区的流量范围,无叶扩压器的压气机,提高高效率区的流量范围,后掠式工作轮,2. 通用特性曲线,换算后的速度称为折合速度nk-np,通用特性曲线,二、径流式涡轮机的工作原理,涡轮的功用是将废气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械功。,1、燃气在涡轮中的流动 径流式涡轮机主要是由进气蜗壳，喷嘴叶片环，工作叶轮以及进、出气道等组成。 进气蜗壳的作用是引导内燃机废气均匀地进入涡轮。根据增压系统的要求，蜗壳可以有一个或两个甚至更多的进气口。 喷嘴叶片环是周向均匀安装、带有一定倾角的叶片所组成的多个减缩通道。 废气从工作叶轮转子的外缘由进气蜗壳流入，经过一系列工作路径后从涡轮中心轴向流出。由内燃机中排出的气体具有一定的压力、温度与速度，经进气蜗壳后直接流入喷嘴叶片环中。气流流过喷嘴叶片环时，部分压力能转变为动能，气体得到加速而压力、温度下降，且具有很强的方向性，便于均匀而有序地流入涡轮机的工作叶轮。,涡轮机中气流参数的变化,在涡轮工作叶轮中，叶片之间的通道也呈渐缩状，气体在通道中将继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时，气流转向。由于离心力作用的结果，在叶片的凹面上压力得到提高，而在凸面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生转矩。此时，在工作叶轮出口处压力、温度以及速度均下降，而出口处速度已经大大小于进口速度，说明气体膨胀所获得的动能已大部分传给了工作叶轮。但由于排放的气体仍然具有一定速 度，且该部分动能未能在涡轮中得到利用而直接进入排气管，故通常将 该部分动能称为余项损失。 图7-12可以看出，在废气涡轮的工作过程中，具有一定动能及压力能的废气在喷嘴叶片环通道中仅部分地得到加速而转变为废气的动能，而从喷嘴叶片环中流出的具有一定动能及压力能的废气，则在工作叶轮中大部分转变为机械功，最终用来驱动压气机。,2. 涡轮机特性,涡轮机效率,可用焓降可以理解为废气在涡轮入口处具有的压力能与动能的总和。当可用焓降在涡轮机中绝热膨胀至涡轮出口背压时所做的功，就是实际上废气可用能量转换为机械功的最高限额。 据统计，涡轮效率为0.650.85。,（2）膨胀比 涡轮膨胀比是代表气体在涡轮中具有作功能力的重要参数，定义为涡轮进口气体滞止压力 与涡轮出口气体静压力 之比，即 （3）气体质量流量 单位时间内通过涡轮的气体质量称为涡轮的气体流量。在涡轮增压发动机中，无泄漏和放气时，通过涡轮的气体流量等于压气机流量和发动机燃烧的燃料流量之和。 在分析各性能参数之间的关系时，为使涡轮性能在不同入口气体状态下具有可比性，采用相似流量 来表征涡轮的流量。其中 为滞止温度， 为气体滞止压力。,涡轮机阻塞,燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值 涡轮机流量特性虽然受阻塞现象的限制，但涡轮机的工作范围常比压气机大得多。一种涡轮机可以和多种不同的压气机配套使用,第三节 废气能量的利用,自然吸气的活塞式内燃机，间断燃烧而能做到从高温吸热，热效率高，但不能做到完全膨胀。 涡轮式机械能完全膨胀，适应的转速高，单位功率的体积与重量比较小。但工作温度不可能太高。 两者合理结合，有利于能量的充分利用,四冲程涡轮增压发动机理论示功图,废气涡轮增压的基本类型,涡轮增压内燃机中，根据废气能量的利用方式，可以分为恒压涡轮增压系统和脉冲（变压）涡轮增压系统两种基本类型，其他增压系统大都是由这两种系统演变而来。,恒压增压系统与脉冲增压系统,一、恒压涡轮增压系统 恒压涡轮增压系统的特点是涡轮前的废气压力基本上保持恒定。把各缸的排气管通向一根排气总管上。且排气总管的容积要足够大，应能起稳定压力的作用。这时虽然各气缸的排气时间互有差距，压力波动较大，但汇集到排气总管后，互相混合减速和滞止，基本保持恒定压力，然后，废气按定压由排气总管导入涡轮机的喷嘴环。,二、脉冲涡轮增压系统 为了更好地利用内燃机废气的脉冲能量，可以采用脉冲涡轮增压系统，其特点是：把各缸的排气支管做得短而细，涡轮增压器尽量靠近气缸，并且几个气缸（通常有2到3个缸）连接一根排气管，这样在每一根排气管中就形成几个连续的互不干扰的废气脉冲波（或称废气压力波）进入废气涡轮中；同时把涡轮的喷嘴环根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。由于涡轮处在进气压力波动较大的条件下工作，所以该系统又称为变压式涡轮增压系统。,定压和脉冲增压涡轮系统的不同点： （1）废气能量利用效果 脉冲涡轮增压废气能量的损失比定压涡轮增压小，对废气能量的利用比定压增压要好。但当增压比提高时，两种系统对废气能量的利用效果将逐渐接近。一般增压比小于2.5时，采用脉冲增压系统对于废气的利用是比较有利的。 （2）内燃机气缸内扫气作用 即使在部分负荷工况下，脉冲涡轮增压系统仍能保持足够的扫气压力差，以保证气缸有良好的扫气，达到提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。定压系统则不容易保证气缸内的扫气。,（3）内燃机的加速性能 采用脉冲涡轮增压系统的内燃机加速性能较好，另外，在内燃机转速降低时，脉冲涡轮增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。 （4）增压器效率 从废气涡轮的效率来