发动机原理第七章发动机增压

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 。掌 握 ： 离 心 式 涡 轮 增 压 器 的 原 理 ， 增 压 发 动 机 的特 点 。 第 七 章 发 动 机 增 压 v 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 。 ）v 目 的 ： 通 过 增 加 充 气 量 ， 以 提 高 功 率 ， 改 善 经 济 性 和 排 放 性v 提 高 发 动 机 功 率 的 途 径 ： 31030 inVPN hee第 一 节 发 动 机 增 压 的 基 本 知 识 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 气 效 率 和 机 械 效 率 减 少 ， 机 件 寿 命 减 少 ，噪 音 大 提 高 平 均 有 效 压 力 Pe。提 高 平 均 有 效 压 力 P e 方 法 ： 减 少 过 量 系 数 提 高 充 气 效 率 增 加 充 气 密 度 （ 增 压 ） v 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为 范 围 10%60%。 大 部 分 为 20%30%。v 增 压 压 比 k： 进 入 气 缸 的 气 体 压 力 Pk与 大 气 压 力 P0之 比v 增 压 的 范 围 :低 增 压 ： k 1.31.6 （ 内 燃 机 平 均 有 效 压 力 pe 0.7 1.0MPa）中 增 压 ： k 1.62.5 （ 内 燃 机 平 均 有 效 压 力 pe 1.0 1.5MPa）高 增 压 ： k 2.5 （ pe 1.5MPa） ；超 高 增 压 ： k 3.5 （ pe2.0MPa） 。 内 燃 机 增 压 的 优 缺 点v 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 。v 增 加 了 发 动 机 的 比 功 率 ；v 扩 大 了 内 燃 机 高 原 适 应 性 ：v 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 ） v 增 加 了 柴 油 机 的机 械 负 荷 ；v 增 加 了 柴 油 机 的热 负 荷 。优 点 ： 缺 点 ： v按 照 实 现 增 压 所 提 供 的 能 量 可 分 ：机 械 增 压 ；废 气 涡 轮 增 压 ；气 波 增 压 ；复 合 增 压谐 波 增 压 （ 汽 油 机 ）第 二 节 发 动 机 增 压 的 类 型 、 机 械 增 压v 由 曲 轴 经 过 齿 轮 增 速 箱 驱动 压 气 机 。v 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 160170KPav 主 要 用 途 ： 提 高 发 动 机 低速 扭 矩 机 械 增 压 器 的 种 类v 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v 废 气 涡 轮 增 压 利 用内 燃 机 排 气 中 能 量来 实 现 增 压 ， 比 机械 增 压 经 济 性 好 ，比 非 增 压 自 然 吸 气式 内 燃 机 燃 油 好 率可 低 5% 10%。v 质 量 功 率 和 体 积 功率 比 非 自 然 吸 气 内燃 机 明 显 改 善 ， 因而 在 内 燃 机 上 得 到广 泛 应 用 。 废 气 涡 轮 增 压 的 分 类v 废 气 涡 轮 增 压 器 主 要 由 压气 机 和 废 气 涡 轮 组 成 。v 压 气 机 主 要 是 离 心 式 的 。v 废 气 涡 轮 分 ：轴 流 式 ；径 流 式 ；斜 流 式 （ 混 流 式 ） 。 v 由 于 内 燃 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 。 、 气 波 增 压v 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 。v 气 波 增 压 对 内 燃 机 工 况 反 映 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 扭 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 。 气 波 增 压 器 转子 展 开 图 、 复 合 增 压v 机 械 增 压 与 废 气 涡 轮 增 压 组 合 。v 谐 波 增 压 与 废 气 涡 轮 增 压 组 合 。 、 谐 波 增 压 ACIS 双 增 压 器 顺 序 增 压v 多 缸 发 动 机 上 使 用 两 台 增 压 器 。v 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 映 性 能 。v 在 中 高 速 时 ， 使 用 两 台 增 压 器 以 保 证 发 动 机 功 率 输 出 。 第 三 节 增 压 器v 可 变 进 气 道 增 压 器 ；v 可 变 喷 嘴 环 增 压 器 ；v 可 变 涡 轮 喉 口 截 面 增 压 器 ；v 可 变 叶 片 增 压 器 ；v 废 气 放 气 增 压 器 ；v 进 气 回 流 增 压 器 ；v 射 流 涡 轮 增 压 器 ； v 斜 流 涡 轮 增 压 器 ； 可 变 进 气 道 增 压 器v 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v 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v 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 。v 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v 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 。 v 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 v 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 。v 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v 车 用 增 压 内 燃 机 为 获 得 低速 大 扭 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 。v 轿 车 用 增 压 器 设 计 转 速 为内 燃 机 标 定 转 速 的 40%左右 。v 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 。 v 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 。v 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v 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 。 v 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v 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 。v 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 四 节 增 压 中 冷 技 术 （ 选 ）v 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 。v 一 般 ， 当 增 压 空 气 的 压 力 超 过 0.15MPa时 ， 就 值 得 采 用中 冷 。v 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 。 v 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。 增 压 中 冷 方 案 ：v 闭 式 空 水 中 冷 ： 中 冷 器 中 冷 却 介 质 采 用 内 燃 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 。v 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 地 降 低 空 气 地 温 度 。结 构 要 复 杂 些 ， 布 置 上 会 增 加 难 度 。v 共 用 冷 却 风 扇 空 空 中 冷 ： 中 冷 器 装 在 内 燃 机 冷 却 系 水散 热 器 前 或 后 ， 依 靠 风 扇 和 车 辆 行 驶 时 地 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 。 v 独 立 冷 却 风 扇 空 空 中 冷 ： 中 冷 器 带 有 独 立 地 冷 却 风 扇 ，它 可 由 直 流 电 动 机 或 空 气 涡 轮 带 动 。