发动机废气涡轮增压技术资料

本章要求： 了解： 发动机增压方式。 理解： 涡轮增压器的结构和工作原理。 第三章 发动机废气涡轮增压 增压： 为提高平均有效压力以 增加气缸内封存气体密度 的方法。 （广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密 度的一切方法，都称为增压。） 目的： 通过增加充气量，以 提高功率 ，改善经济性和排放性 提高发动机功率的途径： 310 30 niVPP hme e 第一节 概述 改变结构参数。增加 i、 Vh(D、 S)，减少 ，但体积和重量 增加 提高转速。但充量系数和机械效率减少，机件寿命减少， 噪音大 提高平均有效压力 Pme。 提高平均有效压力 Pme 方法： 减少过量空气系数、提高充量系数、增加充气密度 （增压） 增压度 k：发动机在增压后增长的功率与增压前功率 之比 k范围为 10%60%。大部分为 20%30%。 增压比 k：进入气缸的气体压力 Pk与大气压力 P0之比 增压的范围 : 低增压 ： k 1.31.6 （内燃机平均有效压力 pme 0.7 10MPa） 中增压 ： k 1.62.5 （ pme 1.0 1.5MPa） 高增压 ： k 2.5 （ pme 1.5MPa）； 超高增压 ： k 4.55.5 （ pme2.53.5MPa）。 增压中冷技术 增压空气 温度增加 ，在柴油机中引起 增压条件下进气密 度减小 ，即在保持不变过量空气系数 下，意味着功率下 降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机 机械负荷 又要增加 。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃 烧，但却使燃烧室内受热零件的 热负荷增加，排温过高， NOx增加 。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功 率下降外，最主要的是 爆震倾向增加 。 一般，当增压空气的压力超过 1.5MPa时，就值得采用 中冷。 解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的 空气 。 增压空气温度每降低 20K，涡轮前的废气温度约可降低 20K，燃油消耗率可减少 3g/kW.h。 内燃机增压的优缺点 改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。 增加了发动机的升功率； 扩大了内燃机高原适应性： 有利于降低有害气体排放和噪声。 (HC降低，高负荷的 NOx降低，空气充足使碳烟有所 降低；温度高使着火延迟期缩短） 增加了柴油机的 机械负荷； 增加了柴油机的 热负荷； 增加了汽油机的 爆燃倾向。 优点： 缺点： 、机械增压 由曲轴经过齿轮增速箱驱 动压气机。 机械增压增压压力高，压 气机消耗的功率大。为使 内燃机机械效率不要过分 下降，增压压力 Pk不能过 高。 Pk 160170 kPa 主要用途： 提高发动机低 速转矩 机械增压器的种类 机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内 燃机上常用容积式压气机： 罗茨式；螺杆式；转子活塞式。 、废气涡轮增压 废气涡轮增压利用 内燃机排气中能量 来实现增压， 油耗 率可低 5% 10%。 质量功率和体积功 率比非自然吸气内 燃机明显改善， 一 般可提高功率 20%- 50%，易实现高增 压 。 可降低排气噪声和 烟度 。 废气涡轮增压的分类 废气涡轮增压器主要由压 气机和废气涡轮组成。 压气机主要是离心式的。 废气涡轮分： 轴流式； 径流式； 斜流式（混流式）。 由于发动机排气能量利 用的不同，有两种经典 的、基本的增压形式： 脉冲涡轮增压 ； 等压涡轮增压 。 3、复合增压 4、气波增压 气波增压是通过气波增压器 利用气体质点和压力波的反 射特性，使排气和进气之间 进行直接的能量交换，以增 大进气密度。 气波增压对内燃机工况反应 迅速，使气波增压的加速性 好，且低速时空气的压缩程 度高，低速转矩好。工作温 度低，不需要耐高温材料。 但体积大，噪声大，安装位 置受到一定限值。匹配要求 高，防止窜烟。 、谐波增压 ACIS 双增压器顺序增压 多缸发动机上使用两台增压器。 在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速 反应性能。 在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。 第二节 增压器 径流式涡轮的工作原理 燃气在涡轮机中的流动：废气在进气涡壳的引 导下均匀地进入涡轮，并推动涡轮高速旋转， 实现压力能与机械能的转换，低压废气从涡 轮中心轴向流出。 喷嘴叶片环上均匀安装带有一定倾角的叶片 组成多个渐缩通道，使部分压力能转变为动 能，便于高速气流均匀而有序地进入涡轮叶 轮。 离心式压缩机工作原理 主要参数 ：压气机转速 增压比 k=pk/p0 质量流量 mk或容积流量 V0 压气机转速 nk 每分钟可达几万转甚至十几万转 压气机的绝热效率 压气机特性曲线 压气机转 速不变时 ， 各特性与 空气流量 间的关系 压气机的喘振与堵塞 压气机流量很小时，气流会出现强烈的振荡，引 起工作轮叶片强烈振动，并产生很大的噪声，压气 机的出口压力显著下降，并伴随很大的压力波动， 此现象称为压气机的喘振。 当压气机工作在喘振线右侧时 ， 其工作是稳定的； 而当处于喘振线左侧时，压气机的工作就变得不稳 定甚至有危险了。 随着流量和转速的增加，喘振点对应的增压比是 向增大方向移动的 在压气机的某一转速下 ， 通过压气机的气 体流量随增压比的降低而增加。当流量增 加到一定数值后 ， 压气机通道中的某个 截面达到临界条件。当增压比继续降低时， 气体流量却不再增加，此时的气体流量称 为堵塞流量，也是该转速下压气机所对应 的最大流量。 可变进气道增压器 低速时使用一个进气 通道；高速时，进气 量大，使用两个通道， 可以改善增压发动机 的过渡性能。 可变进气道增压器性能 可变喷嘴环增压器 低速时，喷嘴角 度小，流通截面 小；高速时喷嘴 角度大，流通截 面能保证涡轮从 废气中获取足够 能量达到压气机 的需求。 各喷嘴环 1通过轴销 2固定在涡壳 5上，再经传动杆 3与喷嘴控制盘 4相 连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。 通过调整涡壳 5与涡 轮叶轮 6之间的喷嘴 环角度来调整涡轮流 通截面。 可变喷嘴环增压器特性 左图中 是喷嘴环角 度以此减小的情况。随着 内燃机转速下降，压气机 的增压压力不但没有下降， 反而提升到高转速水平， 从而保证增压内燃机的低 速性能。 可调喷嘴环用于增压器与 内燃机的高速匹配。通过 可调喷嘴环改善低速性能。 可变涡轮喉口截面增压器 1.压气机； 2.可变喉口截面调整板； 3.调整板及调整机构； 4.操纵 机构； 5.操纵机构控制电磁阀； 6.涡轮； A.最小喉口截面； B.最大 喉口截面 低速 高速 可变涡轮喉口截面增压器工作原理 可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下 改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取 能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速， 作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将 有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机 在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时， 可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于 最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。 可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。 可变叶片增压器 可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来 调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。 多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。 三菱多阀 VG增压器 本田可变叶片增压器 废气放气增压器 车用增压内燃机为获得低 速大转矩和良好的加速性 能，涡轮增压器一般按内 燃机低速、小流量设计。 轿车用增压器设计转速为 内燃机标定转速的 40%左 右。 公共汽车、重型车用的增 压器设计转速为内燃机标 定转速的 60%左右。 高速时，将会使增压压力 过高，增压器超速，柴油 机爆发压力过大，汽油机 容易引起爆震。 为此，设计增压器常增加 废气放气阀，在高速时将 一部分废气旁通掉，加以 控制增压压力。 废气 放气 增压 器工 作原 理 废气门 3与增压器 2的涡轮并联地连接在内燃机 1的排气管上。废气门的阀门 固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的 增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来 的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。 一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废气 不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压力回 落，以实现空气增压压力的自动调节。 进气回流增压器 为避免由于负荷突变及环境变 化而使压气机出现喘振而损坏 增压器，在增压器的压气机进 口装上整体式的回流阀。 当进气管压力低于某一值时， 作用在回流阀上的进气管压力、 弹簧压力和压气机出口的空气 增压压力不平衡，回流阀顶开， 压气机出口的空气通过回流阀 和回流通道进入压气机进口， 以增加通过压气机的空气量。 第三节 汽油机增压技术 一 、汽油机增压的特点 1、 爆燃 混合气压缩后的压力、温度增高，将促使爆燃的 发生。 2、混合气的调节 传统化油器使用增压技术后难以精确控制 混合气的浓度 。 3、 热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高。增压 后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。 4、对增压器的特殊要求 汽油机增压比低、流量范围广、热 负荷高、最高转速高且转速变化范围大。要求增压器体积小 、 耐高温 、转动惯量小、工作范围大 ， 等。 二 、 汽油机增压技术措施 1、降低压缩比 防止爆燃现象发生 2、增压压力控制系统 控制增压压力过大 3、减小增压后的“反应滞后”现象 4、燃料供给系统的调整 汽油泵 汽油泵供油压力随增压压力变化 点火提前角调整 可变点火正时 不只是涡轮增压 按进气方式的不 同，可以分为： 机械增压、涡轮 增压、复合增压 和气波增压。 工作原理 废气顺着涡轮壳冲击在涡轮上， 经过进气道后，速度迅速提高并将涡轮提 高到约 20万转分，之后排入大气。 在另一端压气机壳内是同样高速运 转着的压气机轮，它的转速跟涡轮一样。 其作用是将高压新鲜空气供给发动机。 小提示 在高速行车后， 不要突然熄火 ，因为 此时涡轮的温度非常 高。最好再怠速运转 一两分钟，使增压装 置有一个冷却的过程 。 1.8 T ？ T就代表 着这个发 动机是涡 轮增压的 增压器的作用 增压主要是为了提高发动机的进气量，提高发动机的功 率和扭矩。采用增压技术后发动机可以提高 30 -100 的 功率，同时还能提高 燃油经济性和降低尾气 排放。不过也使引擎和 增压器的工作温度快速 增加。由于工作环境恶 劣，每个涡轮增压器的 寿命平均只有 “ 十万公 里 ” 左右。 第四章 燃料与燃烧 第一节 发动机燃料 一、汽油 1、蒸发性 汽油的蒸发性用汽油蒸发量的 10%、 50%、 90%、 100%时所对应的温度来评定 。 2、氧化安定性 汽油抵抗大气或氧气的作用而保持 其性质不发生长久性变化的能力。 3、清净性 汽油中不稳定的化合物在进气系统的器 件上产生沉淀。 可在汽油中加入汽油清净剂，以保持进气系统的清 洁。 4、抗爆性及汽油规格 抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆 燃的能力，用辛烷值表示。 在规定条件下的标准发动机试验中通过和标准 燃料进行比较来测定，采用和被测定燃料具 有相同的抗爆性的正庚烷中的异辛烷的体积 百分比来表示。 我国无铅车用汽油标准见表 4-1 二 、 柴油 1、自燃性 柴油的自燃性用十六烷值来评定。规定 正十六烷自燃性最好 (100) ， -甲基萘自燃性最差 (0) 。一般柴油的十六烷值为 40 65 2、雾化和蒸发性 馏程、运动粘度 、 密度 、 闪点等 闪点 ： 燃油在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面 附近的空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的燃油 温度。 燃点 ： 燃料在规定条件下加热到开始着火的温度。 3、 硫含量 4、安定性 5、低温流动性 柴油失去流动性而开始凝固的温度为凝点。 当柴油接近凝点时，流动性已很差，不但喷雾 恶化，而且供油也很困难，柴油机无法工作。 我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为 10号、 2号、 -10号、 -20号、 -35号和 -50号，其凝点分 别不高于 10 、 0 、 -10 、 -20 、 -35 和 -50 第二节 代用燃料 一 、天然气 CNC 天然气的主要成分是甲烷，约为 83% 99%。 天然气汽车的发动机功率会下降，一般为液体燃料的 90%左右。 改烧天然气时，点火正时需调整 二、液化石油气 (LPC) 液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷。 三、醇类 (甲醇或乙醇 ) 四 、生物质 五、氢气 第三节 燃烧基本知识 一、燃烧过程 燃烧过程由着火和燃烧两个阶段组成 。 着火阶段是燃料燃烧的准备阶段，是燃料经过 雾化、蒸发、与空气混合形成可燃混合气等项物 理准备；和可燃混合气形成后，在自燃以前发生 的焰前氧化过程的化学准备。 燃烧阶段是在燃料着火后 ， 火焰迅速向周围扩 大传播，可燃混合气内进行着剧烈的氧化反应， 并放出大量的热 (化学能转变成热能 ) 。 火焰传播速度 火焰前锋面向周围扩散的速度 二、发动机的燃烧方式 1、 同时爆炸燃烧 均匀混合气在燃烧室内的燃烧前后一瞬 间 ， 燃烧室内只有一个相。燃烧前是正在进行的焰前反 应的或燃混合气相，燃烧后是燃烧产物相。 2、预混合燃烧 均匀混合气的过量空气系数是一个常数 ， 由火焰前锋的推移，使燃烧传播到整个燃烧室。燃烧时 存在未燃混合气相和燃烧产物相两个相。 3、扩散燃烧 固体或液体的燃烧现象。燃烧时同时存在可 燃气体相、空气相和燃烧产物相三相。