汽车发动机原理第7章-车用发动机废气涡轮增压ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,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,汽车,发动机原理,2024/10/7,2,目 录,第一章 发动机的性能,第二章 发动机的换气过程,第三章 燃料与燃烧,第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,第五章 柴油机混合气的形成和燃烧,第六章 汽车发动机特性,第七章 车用发动机废气涡轮增压,第八章 发动机排气污染与噪声控制,第九章 新型汽车动力装置,第十章 发动机动力学,第七章 车用发动机废气涡轮增压,发动机所能发出的最大功率主要是由气缸内燃料有效燃烧所放出的热量决定的，而这受到每循环吸入气缸内实际空气量的限制。,如果空气在进入气缸前得到,压缩,，从而使其密度增加，则在相同气缸工作容积条件下，可以获得更多的新鲜空气，因而使得发动机循环供油量增加，最终,提高发动机功率,。,第一节 概述,一、发动机增压简介,增压具有的优点：,增压能够有效提高发动机的,动力性,和,经济性能,。,增压可以使发动机在总质量和体积基本保持不变的情况下，,输出功率,得到大幅度的提高，,升功率,、,比质量功率,和,比体积功率,都有较大,增加,，因而可以降低单位功率的造价。,增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，,HC,、,CO,和碳烟,排放降低,。,柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于,降低压力升高率,和燃烧,噪声,。,增压有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，因此增压对,补偿高原功率损失,十分有利。,车用发动机增压仍然存在着一些技术上的难题,：,增压使发动机主要零部件的,机械负荷,与,热负荷增高,。,要满足车辆对转矩适应性及瞬变工况的要求，需要大量的研究工作。,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，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑等方面，而对中冷器的要求是体积小、质量轻、效率高。,车用汽油机增压在发动机,爆燃,、热负荷以及增压器等方面仍需要克服很多技术难题。,二、,基本概念,1,、,增压度,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,。,增压度反映了发动机增压后功率提高的程度。,四冲程柴油机可高达,=3.0,；车用柴油机,=0.1,0.6,2,、,增压比,增压比是指增压器压气机前后的压力之比，反映了气体在压气机中的压缩程度。,三、,基本概念,内燃机的增压方式,增压分类的方法有两种,：,一种是按,增压比,分类，将,2.5,的称为高增压。,另一种是根据,压气机能量,的来源分类，可以分为机械增压、气波增压、废气涡轮增压和复合增压（图,7-1,）：,图,7-1,汽油机的燃烧过程,a,）机械增压,b,）涡轮增压,c,）气波增压,d,）复合增压,E,发动机,C,压气机,T,涡轮机,1,、机械增压,发动机输出轴直接驱动机械增压装置，实现对进气的压缩。机械增压的特点是,响应速度快,，缺点是要,消耗发动机的部分功率,。,2,、,气波增压,利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气,。,气波增压的特点是利用了废气能量，,效率高,。,3,、,废气涡轮增压,压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮带动压气机工作，实现进气增压。废气涡轮增压的特点是回收了原具有一定热能、压力能以及噪声的废气能量，缺点是在发动机,起动,和,低速时响应性差,、,能量回收率差,。,4,、复合,增压,复合增压将上述多种增压方式加以组合，以获得更好的增压效果。,第二节,废气涡轮增压器的工作原理与特性,涡轮增压器根据废气在涡轮机中不同的流通方向，分为,径流式涡轮增压器,与,轴流式涡轮增压器,两类。,大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而车用内燃机则采用径流式涡轮增压器，以适应高转速及较高响应性能的要求。,径流式涡轮增压器,图,7-2,径流式涡轮增压器结构图,1-,压气机蜗壳,2-,压气机叶轮,3-,推力轴承,4-,浮动轴承,5-,涡轮叶轮,6-,涡轮蜗壳,一、,离心式压气机的工作原理,1,、,离心式压气机的结构,如图,7-3,所示，离心式压气机主要由进气管,1,、工作轮,2,、扩压器,3,和出气蜗壳,4,等组成。离心式压气机比较适合于大流量低压比的车用发动机增压。为了获得高效率，压气机必须高速旋转，其最高转速可超过,10,万转,/,分，因此很适合与排气涡轮联合运行。,图,7-3,离心式压气机简图,1,进气管,2,工作轮,3,扩压器,4,出气蜗壳,2,、,空气在压气机中的流动,整个变化过程如图,7-4,所示，并且有以下结论：,1,）通过压气机后，气体的压力升高,，,达到增加气体压力的目的。气体压力升高，则密度增加，所以经过压气机压缩的气体进入发动机进气道后压力升高，进气密度增加，达到增压的目的。,2,）压气机出口的气体温度升高，不利于气体密度的提高，故需降低进入发动机进气道的气体温度，所以在压气机出口到发动机进气道间可加装中冷器，冷却气体。,图,7-4,空气参数沿压气机通道的变化,3,、,扩压器的工作原理,扩压器通常由无叶扩压器与叶片扩压器组成（图,7-5,）。,图,7-5,扩压器原理,1,工作轮,2,无叶扩压器,3,叶片扩压器,4,蜗壳,4,、压气机的热效率,压气机的绝热效率是评价压气机性能的基本指标。图,7-6,为压气机的压缩过程。途中的,0,点表示压气机进口处的空气状态；点,4,表示空气按绝热过程压缩后压气机出口处的状态；点,4,表示空气按多变过程压缩后压气机出口处的状态。,图,7-6,空气压缩过程,a)p-V,图,b)T-S,图,(1),压缩功,按理想情况，将,1kg,空气从压力,p,0,压缩到压力,p,4,（,p,k,）,耗功最小的为可逆绝热过程，所需的绝热压缩功（,J/kg,）为：,（,2,）绝热效率,实际压气机工作过程完善的程度是通过与理想压气机相比较来评定的。通常以绝热效率,来评定,，,亦即压缩到同一压力时，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：,（,3,）压气机功率,如果已知,1kg,空气的绝热压缩功,，空气的质量流量,，压气机的绝热效率,，则压气机功率,（,W,）为：,5,、,压气机的特性曲线,（,1,）定义,压气机流量特性指压气机的转速不变时，压气机增压比和绝热效率,随空气流量的变化关系。将压气机不同转速的流量特性表示在同一幅图面上，并将效率线转换成等效率线，可得到压气机的特性曲线。,图,7-7,离心式压气机特性曲线,离心式压气机的有效功实际上与流量无关。当在压气机没有损失时，完全用来压缩空气，因此在任何空气流量下，压比不变。但实际上，必然有一部分有效功要消耗在克服各种损失上。如图,7-8,所示，在空气流过压气机工作轮时，主要发生两种损失：一种是,摩擦损失,，它是由空气和工作轮表面产生摩擦而产生的损失，这一损失将随空气流量的加大而加大；二是,撞击损失,，它是由于实际流量偏离设计而产生的，偏离越大损失也越大。,图,7-7,压气机特性说明,(3),通用特性曲线,由无因次参数整理的曲线称为通用特性曲线（图,7-9,）。,图,7-9,通用特性曲线,二、,径流式涡轮机的工作原理,1,、,燃气在涡轮机中的流动,径流式涡轮机主要由进气蜗壳,1,、喷嘴环,2,、工作轮,3,以及出气道,4,等组成，如图,7-10,所示。,图,7-10,空气压缩过程径流式涡轮机简图,1,进气蜗壳,2,喷嘴环,3,工作轮,4,出气道,由发动机排气管中排出的气体具有压力,、温度,、并以速度经进气蜗壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀的安装了具有一定角度的叶片，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流入涡轮机工作轮。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，即气体的压力降低到,，,温度降低到,，,气体流动的速度增加到,（见图,7-11,）。,图,7-11,涡轮机中气流参数的变化,2,、,涡轮机的特性,增压器的涡轮机是利用发动机排出的,废气能量,转换为,机械功,的一种动力机械。,涡轮机作变工况运行时，燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量跟随增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值，不再增加，该现象即为涡轮机的,阻塞,。,一般来说，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,一、,废气涡轮增压系统的两种基本型式,1,、,恒压系统,：,如图,7-12a,所示，这种增压系统的特点是涡轮,前排气管内压力基本恒定,。,2,、,变压系统,：,如图,7-12b,所示，这种增压系统的特点是使排气管中的压力产生尽可能大的变动。,图,7-12,涡轮增压系统的两种基本形式,a),恒压系统,b),变压系统,二、,基本概念恒压增压系统废气能量的利用,恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图（见图,7-13,）说明了发动机,废气能量,的,利用,情况。,图,7-13,四冲程增压柴油机的理论示功图,三、,脉冲增压系统废气能量的利用,设计变压系统的目的，就是在于尽量改善面积,那部分能量的利用情况。从图,7-14,可以看到，变压系统比恒压系统可以较好的利用柴油机的废气能量。排气管容积较小，废气能量利用也就较好。,图,7-14,排气脉冲波,a),排气管容积小,b),排气管容积大,四、,恒压系统与脉冲系统的比较,恒压系统及脉冲系统的优缺点比较如下所述。,由于脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，所以系统的,可用能量比恒压系统大,。,脉冲增压系统对气缸中,扫气,有明显的好处。,在脉冲系统中，由于排气管容积较小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快地变动，所以脉冲系统的,加速性能,较好。,从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮,平均绝热效,率比恒压环境的略低。,脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，其,瞬时最大流量,比恒压系统的流量（相当于脉冲系统的平均流量）大。,第四节,车用增压柴油发动机的性能,一、,涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点,1,、,特点,：,为了使涡轮增压器与车用发动机能够良好地配合，使它们在各种工况下合理工作，首先是根据发动机的,特定工况,（如额定工况或最大转矩工况）确定其在,压气机特性曲线,上的位置（即根据发动机选用合适型号的增压器）；其次是要解决发动机在,整个运行区,与增压器实现良好的配合。所以选好增压器是前提，增压器选择不当，发动机可能达不到预期的增压效果。,例如车用发动机选配增压器时，常以最大转矩工况作为设计工况，把最大转矩工况点放在高效率区，而额定工况常偏离在高效率区之外（图,7-16,）。,图,7-16,按最大转矩点匹配,1,喘振线,2,外特性,3,最大转矩点,每一种涡轮增压器都有确定的,工作范围,。在,小流量,范围，压气机受喘振限制；在,大流量,范围，压气机因效率下降过多，亦受到限制；在增压器的高速、高负荷范围内，可能由于废气能量过高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排气温度过高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了超速或超温的限制。由此可以大致确定涡轮增压器的工作范围（图,7-17,）。,图,7-17,涡轮机增压器的工作范围,在此允许的工作范围之内，根据与发动机,联合运行的位置,，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。图,7-18,所示为一台车用增压发动机的联合运行区。对于车用增压发动机来说，其负荷与转速都在较大范围内变化，该联合运行区在压气机特性曲线上占有面积偏大，配合的困难相对较大。,图,7-18,车用增压发动机的联合运行区,2,、根据特性,曲线进行匹配,根据特性曲线匹配主要考虑以下因素：,增压器选型确定，即可得压气机特性曲线（图,7-16,）；,将发动机的速度特性和负荷特性转换为,空气流量与压比,的关系，表示到压气机特性曲线上；,压气机的工作范围（图,7-17,）主要考虑以下限制：,喘振限制,、,超速限制,和,低效率限制,；,联