发动机涡轮增压技术

发动机涡轮增压技术 Table of Contents 涡轮增压技术概述 1 涡轮增压的基本原理 2 可变涡轮增压技术 3 增压中冷技术 4 一、概述 为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的 方法，叫做增压。从广义上，凡是能够将发动机 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。 增压的目的是通过增加充气量，以提高功率，改善 经济性和排放性。 一、概述 1905年，瑞士工程师 Alfred Buchi首先提出了涡轮增压的概念。 20世纪 50年代初，涡轮增压技术由船舶领域应用的车用领域。 1953年，美国 Garrett公司将其涡轮增压器安装在 Caterpillar （卡特彼勒）公司的 D9发动机上，在提高柴油机功率和改善燃油 经济性方面取得良好效果。 从 20世纪 60年代起，国外开始在车用柴油机上大量采用涡轮增压 技术。 20世纪 70年代末，汽油机涡轮增压技术取得突破性进展。 20世纪 80年代中期该技术大量应用和推广。 一、概述 涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一 种发动机，涡轮增压器 (Turbo)实际上就是一个空气压缩机。 它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮 ( 位于排气道内 )，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮 就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。 当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快， 空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增 加，就可以增加发动机的输出功率了。 一、概述 二、涡轮增压的基本原理 基本概念 发动机的有效功率为： 式中： Pme 发动机的平均有效压力； Vs 发动机的气缸工作容积 ， Vs=SD2/4 n 发动机工作转速 i 气缸个数 冲程数 二、涡轮增压的基本原理 基本概念 增压后发动机功率的增长程度常以增压度表示 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 式中： s 增压后充气密度； 0 增压前充气密度； k 范围为 10%60%，大部分为 20%30% 二、涡轮增压的基本原理 涡轮增压器根据废气在涡轮机不同的流通方向，可分为径流式涡轮和轴 流式涡轮两大类。 大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而对于车用发动机则用径流式 增压器。 废气涡轮增压两种基本类型：定压增压系统；脉冲增压系统 下图为径流式涡轮增压机的工作原理图，它是由离心式压气机和径流式 涡轮机这两部分，以及支撑装置、密封装置、冷却系统、润滑系统所组 成。 二、涡轮增压的基本原理 离心式压气机的工作原理。离心式压气机主要由进气道、工作轮、扩压 器和出气涡流壳组成。空气沿收敛的轴向进气道流入时，气流略有加速。 二、涡轮增压的基本原理 径流式涡轮机主要由进气涡轮壳、喷嘴环、工作轮及出气道组成。进气 涡轮壳的作用是引导发动机的排气均匀的进入涡轮。根据增压系统的 要求，涡轮壳可以有 1个、 2个甚至更多的进气口。 由发动机进气管中排出的气体以一定的速度经进气涡轮壳流入喷嘴环。 在喷嘴环上均匀地安装具有一定角度的许多叶片，这就使燃气经过叶 片间的通道后更具有方向性，使气流更加均匀且有秩序的进入涡轮机 工作轮。 1. 叶片间的通道面积是渐缩的，使部分压力势能转变为气体的动能，即 气体的压力降低，温度降低，气体的流动速度增加； 2. 工作轮的轮周功完全有气体的绝对速度动能转化，工作轮的出口气体 速度下降，同时，压力与温度也下降 优点： 1. 发动机质量和体积增加很少情况下，发动机不需作重大改变很容易提 高功率 20%50%。由于不像机械增压时压比受到限制，故进来 高增压的趋势越来越明显。高增压时功率提高甚至可大于 100% 2. 由于废气能量的回收，发动机经济性会明显的提高。一般由于废气能 量的回收能提高经济性 3%4%,再加上相对地减少了机械损失及 散热损失，提高了发动机机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后油 耗率降低 5%10% 3. 涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较强的适应力，涡轮增压除了用 来提高发动机功率外还可用做高原高原发动机回复功率 4. 涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少， 故对减少污染是有利的 缺点： 1. 迄今为止涡轮增压发动机的加速性已接近不增压或机械增压发动机， 担仍有差距 2. 与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较为严重 3. 对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发动机不 宜采用涡轮增压 三、可变涡轮增压技术 普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观，但当发动机 转速较低时，排气能量却小的可怜，此时涡轮增压器就会由于驱动力不 足而无法达到工作转速，这样造成的结果就是，在低转速时，涡轮增压 器并不能发挥作用，这时候涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台 同排量的自然吸气发动机，这就是我们经常说的“涡轮迟滞”现象。 对于传统的涡轮增压发动机，解决涡轮迟滞现象常使用小尺寸的轻质涡 轮，首先，小涡轮会拥有较小的转动惯量，因此在发动机低转速时，在 发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速，从而有效改善涡轮迟 滞的现象。不过，使用小涡轮也有它的缺点：当发动机高转速时，小涡 轮由于排气截面较小，会使排气阻力增加（产生排气回压），因此发动 机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。 三、可变涡轮增压技术 双涡轮增压 双涡轮增压一般称为 Twin turbo或 Biturbo,双涡轮增压是涡轮增 压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只 涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可 驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。 单涡轮双涡管 单涡轮双涡管可以说是宝马的独有技术，单涡轮双涡管就是将一个涡 轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流 ,每股气流负责 3个缸 .同时于 双涡轮相比 ,单涡轮的设计也减低了排气脉冲相互干扰的情况。单涡轮双 涡管发动机逐渐在宝马各个车系开始普及。 三、可变涡轮增压技术 为解决上述矛盾足，让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增 压效果， VGT(Variable Geometry Turbocharger）可变截面涡 轮增压技术或者 VNT（可变喷嘴环增压器）便应运而生。 在柴油发动机领域， VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应 用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机，达到 1000C 左右（柴油发动机为 400C左右），而 VGT所使用的硬件材质很难承受 如此高温的环境，因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。 近年来，博格华纳与保时捷联手克服了这个难题，使用了耐高温的航空 材料技术，从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动 机，保时捷则将这项技术称为 VTG（ Variable Turbine Geometry） 可变涡轮叶片技术。 三、可变涡轮增压技术 图中涡轮外围的红色叶片 就是导流叶片 一般的涡轮并没有导流 叶片的结构 三、可变涡轮增压技术 有的厂商将这项技术称为 VNT，比如沃尔沃 和奥迪，它们在本质上是一样的 四、增压中冷技术 常用增压中冷方案： 闭式空 -水中冷：中冷器中冷却介质采用发动机冷却系统中的循环水。该 方案结构与布置简单，但不能将增压空气温度冷却较低。 分开式空 -水中冷：中冷器采用独立的冷却介质。该方案可提高中冷器的 冷却效率，能较低的降低空气的温度。结构复杂些，布置上会增加难度。 共用冷却风扇空 -空中冷：中冷器装在发动机冷却系散热器前或后，依靠 风扇和车辆行驶时空气气流冷却增压空气。该方案由于它的最少能量消 耗而得到广泛应用 独立冷却风扇空 -空中冷：中冷器带有独立的冷却风扇，它可由直流电动 机或空气涡轮带动 谢 谢！ -