第三章 发动机废气涡轮增压

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,53,第三章 发动机废气涡轮增压,Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging,1,第一节 基本概念,增压:,利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。,增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增加, 提高发动机功率、改善经济性和排放特性。,千方百计增大每循环或单位时间输入发动机的充气量是提高,整机,输出功率的直观而有效的方法。-增压、二冲程、多气门、提高转速、进/排起门动态效应应用等。,2,由于进气压力与输出功率成正比，所以增压技术是强化发动机最有效的手段，是发动机技术发展中的一个重要方向。目前，柴油机中大都采用了增压技术，汽油机中的应用也日趋增多。,增压与自然吸气机型相比，主要是换气过程方面发生变化，并由此引起结构、工作过程和性能的差异。,增压度,增压度是指发动机增压后增长的功率与增压前的,在标定工况的输出,功率之比。（,最高可达300%以上，,车用发动机,=10%-60%,）,3,按,增压,比,分类:,低增压： 1.31.6， 700 1000kPa；,中增压： 1.62.5， 10001500kPa；,高增压： 2.5， 1500kPa；,超高增压 4.55.5， 25003500kPa。,增压比,增压比是指,在标定工况时,增压后空气压力,k,与增压前的空气压力,之比。,增压,度受到原机型主要零部件的热负荷、机械强度以及动态特性和车辆对转矩加大的适应性等条件的限制，并非越大越好。,增压比,与增压度存在一定的非正比函数关系。由于增压比是状态参数压力的比值，在增压机性能分析中应用较广。,4,(1),机械增压,系统,发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。,增压器有：离心式压气机、罗茨式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压气机等。,用于,低增压,小功率发动机。,图3-1,增压,的方法多种：,5,它的动态特性比废气涡轮增压好，因为机械响应比气体相应快，对排气系统没有干扰，但消耗发动机输出功，所以增压比不能大。,(2),废,气涡轮增压,系统,压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。,广泛应用于柴油机。,7,涡轮增压的原理,红色为高温废气，蓝色为新鲜空气,废气涡轮增压器,8,(),复合增压,系统,将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作，称为复合式增压系统。,（废气动力涡轮实质是直接回收废能。）,9,(4),组,合增压,系统,组合式涡轮增压系统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，除废气涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的进气惯性增压系统，利用压力峰值,进一步提高增压后的进气压力。,10,组合增压系指将几种增压方式组合使用。其中一种是机械增压与废气涡轮增压组合，该系统空气先经过机械增压，然后再经过废气涡轮增压，二次增压。目的是为了保证获得起动及低速、低负荷工况的增压压力，并可改变低速的转矩特性。多用于大型二冲程机。,另一种是废气涡轮增压与进气动态效应相结合的调谐增压（前述，其实质是一种进气调谐增压。）。经合理匹配后，在某一转速下，会产生气柱的谐振，使所属三各缸在各自进气终了前，都能充分利用动态效应而增大,c,值。如果谐振点出现在低速，则此组合系统将改善增压机的低速转矩特性。,11,组,合增压 (Combined Supercharging),Sequential Turbocharging,Supercharger-Assisted Turbocharger,(,),气波增压,系统,所谓气波增压，是由曲轴驱动一个特殊转子，在转子中废气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩,利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气。从而提高进气压力。,13,Wave Supercharging,14,气波增压 (COMPREX),系统结构简单、动态性能好、低速转矩大，适于载重货车、工程机械等柴油机的要求。但体积大、噪声高、有额外功率消耗等缺点，还需进一步完善。,在内燃机中，燃料所供给能量的20%-45%是由排气带走的，排气的最大可用能约占排气总能量的60%左右。,废气的最大可用能量,排气可,利用的废能,回收的能量-泵气正功,第二节 废气能量的利用,16,第三节 排气涡轮增压（turbocharging）,17,带中冷器的废所涡轮增压系统,图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。,18,排气涡轮增压 (Turbocharging),排气推动涡轮旋转,涡轮带动压气机工作， 实现进气增压。,压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。,定压和脉冲涡轮增压,径流涡轮和轴流涡轮,19,一,、径流式涡轮的工作原理,燃气在涡轮机中的流动,离心式压气机,径流式涡轮,中间体,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。,在涡轮工作叶轮中，叶片之间的通道也是呈渐缩状，气体在通道中将继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时，气流转弯。由于离心力作用的结果，在叶面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，产生了转矩。此时，,在工作轮出口处压力、温度以及速度均下降，而出口处的气体速度已经大大小于进口速度，气体膨胀所获得的动能已大部分传给了工作叶轮。,20,二,、离心式压气机的工作原理与特性,图310 离心式压气机简图,1进气道；2工作轮；3扩压器；4出气蜗壳,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。,21,三、排气涡轮增压系统简介TURBOCHARGING SYSTEM,定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统,22,一）、定压涡轮增压系统,定压增压,把内燃机所有气缸的排气收集到一根尺寸较大的排气总管,然后再引入涡轮。由于总管尺寸大，同时各缸排气相互交替补充，使排气管内压力波动很小，由于排气管的稳压作用，涡轮入口处的压力基本不变，故称为,定压增压,。,特 点,涡轮在定压下全周进气，涡轮效率较高,气流引起的激振和冲击小，工作稳定,排气系统简单，成本较低，易于布置和维护,缺 点,脉冲能量的利用率较低，加速性能差。,CONSTANT PRESSURE TURBOCHARGING SYSTEM,23,定压涡轮增压系统,24,定压涡轮增压系统能量平衡 Energy Analysis,Vs,25,假定涡轮发动机按理想循环运行，在涡轮机和压气机中也实现等熵膨胀和压缩的理想循环,增压机循环aczzb543a；涡轮机工作过程egife；压气机工作过程agioa,p,b,、p,k,(p,T,)、p,0,为压气机出口平均压力、涡轮机入口平均压力和大气压力,543a5表示泵气正功,排气中可利用的能量,（1）废气最大可利用能bf1b,（2）排气过程中，活塞推动废气所作的功54215,（3）扫气部分具有的能量转入废气3gi23,26,涡轮机所作的理论功egife。燃气在到达涡轮机前有节流、不可逆膨胀、摩擦等能量损失，（平均压力为p,k,）其中一部分能量转化为摩擦热，提高了排气工质的温度，可以多做一部分功eeffe，be5b-eeffe是废气可用能的耗损，3gg43是扫气能量损失。,压气机将汽缸排量与扫气量两部分工质由p,0,压缩到p,k,的压缩功agi0a,根据能量守恒，涡轮机输出功egife应与压气机压缩功agioa相等。二者共同面积部分的功量dgiod抵消后，燃烧废气回收的能量ed0fe正好用于支付增压机的泵气正功和扫气的能量损失。这样就可确定增压比的值。,事实上涡轮机和压气机以及发动机泵气过程中还存在各种流动和机械损失，进入涡轮机的能量要比压气机输出的能量大很多。因此实际压缩比比上述理论值要小，甚至会出现p,b,p,k,的情况。,27,二,),、脉冲涡轮增压系统,排气管短而细，排气系统容积小，排气过程造成涡轮进口压力的周期性脉动。涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压。,Pulse Turbocharging System,脉冲增压,缺 点,特 点,排气系统容积小，涡轮是在进口压力脉动。,节流损失减小，排气能量利用率提高。,加速响应快,排气系统结构复杂，布置较困难。,涡轮受冲击较大，对寿命有一定影响。,脉冲涡轮增压系统,脉动能量利用,合理组织排气管内的压力波,（同时为了适当简化结构，将排气互不重叠的几个缸合为一组，废气仍能保持脉冲波的变速状态冲击涡轮），,充分利用废气脉动能量,1、尽快建立排气管内的压力,2、排气阻力尽可能小,3、排气管内的压力要配合柴油机扫气（扫气时低压）,30,三,),、定压增压与脉冲增压系统的比较,性能指标,定压增压,脉冲增压,排气能量利用率,扫气作用,发动机加速性能,涡轮效率,增压系统结构,COMPARISON OF TURBO-SYSTEM,31,图-涡轮增压柴油机的排气压力曲线,)脉冲系统)恒压系统,排气脉冲与发动机的扫气,Scavenging Performance,32,恒压与脉冲两种增压系统的比较,),由于脉冲系统部分利用了废气脉冲能量,，所以系统的可用能量比恒压系统大。,主要是减少了定压系统废气汇集到总管时出现的较大不可逆膨胀的能量损失。增压比愈低，定压系统所损失的能量愈大，两种系统能量利用的差距就愈显著；增压比大于2.5后，差异就不明显。,),脉冲增压系统扫气效果好，因为脉冲系统在扫气时,脉冲系统已基本排空，,废气压力P,正处于低谷，,扫气压差,大于恒压系统的(P,P,)。,33,),脉冲系统的加速性能好，因为其排气系统容积小，当柴油机负荷改变时，排气压力波动立刻发生变化，并迅速传到涡轮机，引起涡轮机转速变化。,),脉冲系统的绝热效率较低，这是因为该系统有较大的流动损失、撞击损失和部分进气损失。,),脉冲系统的涡轮尺寸大，这是因为脉冲系统流量是脉动的，最大瞬时流量比恒压系统大,；排气管结构复杂。,34,四,),.增压系统的选择,增压系统的选择原则是：,在低增压时，采用脉冲增压是较为有利的；而在高增压时，则是两种系统同时存在、各有所长。,车用发动机均选用脉冲增压系统，这是因为车用发动机大部分时间在部分负荷下工作，对转矩特性和加速性能等要求较高的缘故。,35,二,、改善车用增压发动机扭矩特性的途径,（一）排气旁通,（二）进气旁通,部分增压空气返回到压气机入口或大气中，减少进入气缸的空气量使发动机进气压力适当降低，以适应发动机的要求。,（三）可变截面涡轮,.双蜗壳通道涡轮；.可变蜗壳通道流通截面涡轮 ；.变喷嘴环流通截面涡轮,36,第四节 汽油机增压概述,一、汽油机增压的特点,从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。,限制汽油机压的主要技术障碍,与解决方案,：,. 爆燃,倾向增大,汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温度增高，,压缩终了的压力、温度都加大，相当于提高了压缩比，,以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将促使爆燃的发生，限制汽油机增压。,37,2,. 热负荷,汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，废气温度也比柴油机高200300。,同时，为避免新鲜充量流失，扫气作用也要低一些。所以，,增压后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题,更严,重。,以上两个方面,采用降低压缩比,（增加压力控制系统，如进/排气放气装置、节流控制，减少涡轮机入口或汽油机进口的工质量，此方法还有利于高、低速转矩特性的控制）,、推迟点火时刻,、电控废气再循环、电控爆燃控制、增压,中冷技术,（同时还提高动力性能、降低燃油消耗率，减少NOx排放）,解决。,38,3. 增压器布置困难,化油器式汽油机，若将增压器置于化油器之前，化油器将在变压力、变密度的进气条件下工作，难于调整、控制混合气的新问题，同时化油器也难于密封；若置于化油器之后，在节气门关小的小负荷条件下，压气机处于负压状态，又会出现机油被吸到压气机叶片上等新问题。,采用电控汽油喷射式汽油机解决,4. 动态响应迟缓,增压汽油机在节气门开度突然改变时，增压器的反应将严重滞后，致使加速性能变差。,采用电控可变涡轮喷嘴环截面控制、电控放气阀控制解决,39,5,. 对增压器的特殊要求,汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，还要求有,增压调节装置,，这就造成它的成本比柴油机用增压器要高。,其他方面：提高燃料辛烷值、改进制造工艺和增压器叶片材质都促进了汽油机增压技术的应用和发展。,40,二、汽油机涡轮增压的主要技术措施,. 降低压缩比,汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩比,。,. 增压压力控制系统,汽油机运行转速范围比柴油机宽，从低速到高速进气流量变化范围大，涡轮增压器的特性很难完全满足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足，高速对增压压力过高的情况，出现爆燃，为此，必须对汽油机增压压力进行控制。,41,. 减小增压后的“反应滞后”现象,采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案、带旁通阀的控制系统、减小进排气管长度及容积、提高压缩比及可变点火正时等措施，来减小“反应滞后”现象。,. 燃料供给系统的调整,汽油泵,采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。,点火提前角的调整,采用了电子控制装置来自动推迟点火提前角。,三、汽油机废气涡轮增压器的布置,在直接喷射式汽油机上增压时，一般燃油在增压器之后喷入，也有的在压气机前吸入一小部分燃油。,42,第五节 涡轮增压器与柴油机的匹配,一、柴油机选配涡轮增压器的要求,)柴油机应能达到预定的动力性和经济性指标，涡轮增压器应能供给柴油机所需的增压压力和空气流量。,)涡轮增压器应能在柴油机的各种工况下稳定的工作，压气机不应出现喘振现象，涡轮机不出现堵塞现象。,)涡轮增压器在柴油机的各种工况下都能高效率的运行。,)涡轮增压柴油机在各种工况下都能可靠的工作。,43,二、,、内燃机的增压改造 Engine Retrofit for Boosting,压缩比,过量空气系数,供油系统,配气相位,进排气系统,增压空气冷却,44,.增大供油量，调整供油系,增大循环供油量，但必须保证不增加供油持续角。否则燃烧过程拉长，经济性变差，排气温度升高，热负荷增加。,.改变配气相位,)合理地加大气门重叠角，以增加扫气空气，冷却受热零件，降低热负荷，提高充气效率，改善涡轮的工作条件。,)为使充气效率提高，可增大进、排气门的升程，为避免气门碰撞活塞，活塞顶部可挖凹坑。,)改进气门和气门座的结构和材质，以提高其耐磨性。,45,.减小压缩比，增大过量空气系数,)为了降低最高爆发压力，压缩比可适当降低。,)增加过量空气系数，其目的在于降低热负荷和改善经济性。,.进、排气系统,脉冲系统中，为了使扫气期间各缸排气不致互相干扰，排气管必须分支。,分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠。,四冲程机一根排气管所连接气缸数目一般不超过三个，三个气缸的排气期必须合理岔开。,46,.冷却增压空气,增压空气冷却，一方面可提高进入气缸的空气密度，提高功率，同时也降低了热负荷和排气温度。,试验表明，增压空气温度每降低，柴油机的循环平均温度可降低，在压比为.时，供气量能比不用中冷器时提高，发动机的动力性和经济性都会得到改善。,冷却增压空气的方法有水冷和空气冷却两种。,47,第六节 车用增压发动机的性能,一、增压前后发动机动力性及经济性的变化,增压后平均指示压力提高。,增压后机械效率提高。,增压后内燃机的充量系数是增大的。,二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响,. 降低排气污染和噪声,通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体HC和CO的排放量一般为非增压机的13l2，如果措施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NO,x,排放量也显著降低。,48,2. 低速转矩性能变差,主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。,3. 加速性能变差,由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。,为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外,，,利用车辆上空气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射,。,49,4. 起动与制动有一定困难,柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工作，压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高再加上增压柴油机的压缩比较低，使起动时压缩终点的温度降低。造成着火与起动困难。,一般非增压机改为增压机后，转速均有所降低，这时，车辆后桥传动比也应作相应改动。,50,增压中冷和电控技术的应用极大地推动了增压技术的发展和应用，对上述弱点有很大改进。,增压中冷不仅有利于NOx排放量的降低，也有利于进一步加大输出功率。此外，进气温度下降，也有利于扫气时期降低关键件的热负荷。,电控可变涡轮喷嘴环截面的技术，实现了对增压压力和增压器效率的优化控制，可有效增大低速转矩，电控燃油喷射技术，实现了定时和转矩特性（油量特性）的优化，所有这些都使增压柴油机的动态性能有了明显改善。,51,发动机增压技术的优势与代价,优 势,代 价,发动机动力性与经济性提高,体积和质量功率密度提高,材料利用率提高，成本下降,排气噪声降低 ，,高原功率恢复，,压力升高率和燃烧噪声降低,HC、CO和碳烟排放降低,技术适用性广,机械负荷及热负荷增加,加速响应性能变差,对低速转矩,和冷起动,有不利的影响,增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制 。,目的: 提高动力性，并降低排放。,52,提高内燃机的动力性、经济性的方法,增加排量：,i, Vs,采用增压技术：,s,合理组织燃烧过程：,it,、,a,改善换气过程 ：,c,提高发动机的转速 ：,n,提高内燃机的机械效率：,m,采用二冲程提高升功率：,a,.增压的基本概念是什么？增压达到的目的是什么？,b.增压按结构形式分为几种？各具什么特点？,c.,废气定压涡轮与脉动涡轮增压的特点分别是什么？试分析两者的差异。,为什么增压后要采用进气中冷技术？,5. 车用发动机采用增压时应进行哪些调整？,6.,如何处理增压器与发动机的匹配问题？,7.汽油机增压的技术难点有哪些？,选做四题,作业,54,