廢氣渦輪增壓

1、廢氣渦輪增壓 Yuning目錄、基礎(chǔ)知識(shí)：一、增壓的可行性及特點(diǎn)二、增壓的衡量指標(biāo)三、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的種類 、廢氣渦輪增壓一、理論基礎(chǔ)（一）廢氣能量的利用（二）增壓空氣的中冷二、壓氣機(jī)構(gòu)造三、離心式壓氣機(jī)工作原理四、離心式壓氣機(jī)工作特性五、渦輪機(jī)構(gòu)造與工作原理、增壓的特點(diǎn)及與內(nèi)燃機(jī)匹配一、對(duì)車用增壓器的要求二、增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配、車用內(nèi)燃機(jī)增壓的特殊問題及改善措施一、車用內(nèi)燃機(jī)增壓的特殊問題二、增壓內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化措施、基礎(chǔ)知識(shí)：一、增壓的可行性及特點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)的有效功率為：式中:Pme平均有效壓力(kPa)；Vs工作容積(m³)；i內(nèi)燃機(jī)全缸數(shù)；n內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)；沖程數(shù)。要提高內(nèi)燃機(jī)的

2、單機(jī)功率，可通過提高內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力Pme來實(shí)現(xiàn)。要提高平均有效壓力Pme，通過控制過量空氣系數(shù)，提高充氣效率和增加進(jìn)入氣缸的充氣密度，可以實(shí)現(xiàn)提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性。內(nèi)燃機(jī)采用進(jìn)氣增壓，就是提高進(jìn)入氣缸的充量密度的有效途徑，使進(jìn)入氣缸的新鮮氣量增加，這就可以燃燒更多的燃料，使平均有效壓力提高，從而提高有效功率。 增壓技術(shù)在柴油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，汽油機(jī)增壓的許多問題也已經(jīng)得到了成功的解決。增壓發(fā)動(dòng)的特點(diǎn)是： 1)功率相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的空間尺寸減小，重量輕，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性更有意義。 2)在達(dá)到額定輸出功率時(shí)，摩擦損耗相對(duì)較小，在部分負(fù)荷時(shí)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工況更接近最大效率設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。 3

3、)通過增壓器的合理設(shè)計(jì)，可以將轉(zhuǎn)短特性改進(jìn)為低速高轉(zhuǎn)矩，這對(duì)車用內(nèi)燃機(jī)很有利。4)隨行駛地區(qū)海拔高度升高而導(dǎo)致的功率下降(海拔每上升1000m功率下降10)，可通過增壓來彌補(bǔ)。 5)通過增壓可以使排放降低。對(duì)于增壓汽油機(jī)，通過最合適的燃燒室形狀設(shè)計(jì)和在渦輪機(jī)內(nèi)的后燃，可以降低HC值；在低負(fù)荷范圍可降低NOx，當(dāng)然在高負(fù)荷時(shí)NOx會(huì)有所升高。對(duì)于柴油機(jī)，增壓后NOx略有上升，但由于空氣過量，煙度有所下降。 6)降低噪聲。柴油機(jī)增壓后，由于混合器工作溫度升高，著火延遲期縮短，燃燒過程變得柔和，對(duì)直噴式柴油機(jī)更為有利。另外，通過換氣管內(nèi)的波動(dòng)削平和消聲，也使噪聲減小；表面輻射噪聲也有所下降。 7)經(jīng)

4、濟(jì)性得到改善。由于增壓后平均有效壓力提高，機(jī)械損失相對(duì)減少，在高負(fù)荷區(qū)，機(jī)械效率得到提高；在低負(fù)荷區(qū)，由于進(jìn)、排氣阻力和換氣損失增加，經(jīng)濟(jì)性受到影響。在相同功率時(shí)，增壓機(jī)比非增壓機(jī)的排量要小，機(jī)械損失也相對(duì)減小。因此，增壓機(jī)比非增壓機(jī)的比油耗要小、等油耗的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)擴(kuò)大；另一方面，排量不變時(shí)降低轉(zhuǎn)速，機(jī)械損失也減小，熱效率得到提高。 8)增壓機(jī)的主要零部件的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷增加。二、增壓的衡量指標(biāo)衡量指標(biāo)主要有增壓度和增壓比。1、增壓度增壓度是指內(nèi)燃機(jī)在增壓后的標(biāo)定功率和增壓前的標(biāo)定功率的差值，與增壓前標(biāo)定功率的比值。增壓度表明增壓后功率增加的程度。 式中增壓后、增壓前的標(biāo)定功率。增壓度取決于

5、所采用的增壓系統(tǒng)，采用中冷可使增壓度提高。汽油機(jī)的增壓度受到爆燃的限制。柴油機(jī)的增壓度受燃燒最高壓力的限制，通常以降低壓縮比來補(bǔ)償。 現(xiàn)代四沖程柴油機(jī)的增壓度可達(dá)3以上，而車用柴油機(jī)的增壓度不高，一般只有0.10.6左右。因?yàn)檐囉貌裼蜋C(jī)要同時(shí)考慮車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和成本等多方面要求。2、增壓比增壓比是指增壓器出口壓力與環(huán)境條件下大氣壓力(或增壓器進(jìn)口壓力)的比值，簡(jiǎn)稱壓比，用表示。式中 增壓器出口壓力； 一環(huán)境條件下大氣壓力。 通常<0.15MPa為低增壓；0.15MP<<0.25MPa為中增壓；0.25MPa<<0.35MPa，>0.35MPa為超

6、高增壓。三、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的種類 按增壓的工作原理，內(nèi)燃機(jī)增壓可分為：機(jī)械式增壓、容積式(進(jìn)氣管)增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓及復(fù)合增壓。、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓在1905年由瑞士人(Bechi)提出，20世紀(jì)20年代開始用于柴油機(jī)。近年來，汽油機(jī)增壓也頗受重視，應(yīng)用增多。 一、理論基礎(chǔ)1、廢氣能量的利用為了說明四行程汽油機(jī)廢氣能量利用情況，將其理論示功圖表示在圖右上。圖中3a為吸氣過程，進(jìn)氣壓力為入；a-c-z-b是壓縮、燃燒、膨脹過程；b54是排氣過程，由于廢氣渦輪的存在，排氣背壓為；2-3-a-0為壓縮進(jìn)入氣缸所需之能量，由于3-a-5-4為充量更換正功；ig32為壓縮掃氣空氣所需之能量，

7、故壓氣機(jī)消耗的總能量為i-g-a-o。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門打開時(shí)，氣缸中燃?xì)鉅顟B(tài)為b如果讓這些燃?xì)庠诶硐氲膬?nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)中不出現(xiàn)任何損失的完全膨脹到大氣壓力時(shí)，燃?xì)馑哂凶畲笞鞴δ芰?-b-f (示功圖上面積)它就是理論上有可能從廢氣中取得并用以作功的最大能量。廢氣能量的利用與增壓系統(tǒng)的型式有關(guān)，一般廢氣渦輪增壓型有恒壓增壓系統(tǒng)和變壓增壓系統(tǒng)(也稱脈沖增壓系統(tǒng))兩種型式。 廢氣的全部能量E可以分為兩個(gè)部分：一部分為氣缸內(nèi)氣體由壓力膨脹到渦輪前氣體壓力的膨脹能，對(duì)應(yīng)面積為5-b-e-5。另一部分是氣體在渦輪內(nèi)由壓力膨脹到大氣壓力的膨脹能互，對(duì)應(yīng)面積為e-f-i-g-e，其中包括i-g-4-2-i面積

8、所表示的掃氣空氣在渦輪中所作的功。 對(duì)于恒壓增壓系統(tǒng)是使所有氣缸的廢氣進(jìn)入一個(gè)容量足夠大的排氣總管，以維持管中恒定的壓力，見圖。現(xiàn)在分析一下在恒壓增壓系統(tǒng)中渦輪作功的能量來源。根據(jù)上述分析，渦輪作功來源由三個(gè)部分組成：1)面積i-g-4-2是掃氣空氣所給予的；2)面積2-4-5-1是活塞推出廢氣所作的功；3)真正從廢氣中取得的能量為面積1-5-e-f；因此，廢氣所擁有的可用能量為1-b-f，而對(duì)恒壓增壓系統(tǒng)中面積為5-b-e-5的可用能量損失掉了。這是因?yàn)閺U氣從氣缸流入大容量的排氣總管時(shí)，排氣門處產(chǎn)生節(jié)流、渦流等損失。如果排氣管處在絕熱的情況下，則動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使廢氣的容積增加了V（

9、ee）同時(shí)渦輪前的溫度升高，這樣渦輪功的面積將增加一個(gè)e-e-f-f，這就是從損失5-b-e中的復(fù)熱回收部分。越高，則復(fù)熱回收的比例越大。 變壓增壓系統(tǒng)是把排氣系統(tǒng)的容積作的盡量小，使壓力脈沖和動(dòng)能損失盡量小。為此，可用一個(gè)渦輪或幾個(gè)禍輪，安裝在盡量靠近相應(yīng)的氣缸，同時(shí)把多缸機(jī)的排氣管分作幾個(gè)單獨(dú)的支管以排除氣缸排氣的相互干擾，這時(shí)除可利用定壓廢氣能量外，還可利用的一部分。這是因?yàn)榕艢馊莘e小且變化小，節(jié)流損失小。另外排氣管截面較細(xì)，管中流速較高，部分動(dòng)能也可以在渦輪中加以利用。通常用表征脈沖增壓較恒壓增壓可多利用的廢氣能量程度，則式中K能量的利用系數(shù)。 下圖示出了及f隨增壓比 （一壓氣機(jī)出口壓

10、力，一壓氣機(jī)進(jìn)口壓力）的變化關(guān)系。當(dāng)大于2.5時(shí)，值的變化較緩，說明脈沖增壓所得到的能量增益不大。2、增壓空氣的中冷根據(jù)式(81)可知要想提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率則需提高進(jìn)氣壓力加(增壓)，但隨著的提高則進(jìn)氣溫度也隨之升高，它不但限制了發(fā)動(dòng)機(jī)功率的進(jìn)一步提高，而且還將引起排氣溫度升高，熱負(fù)荷增加。為此，將從壓氣機(jī)出來的高溫氣體經(jīng)過在壓氣機(jī)與進(jìn)氣門之間設(shè)置的中冷器1使空氣冷卻降溫后再送入到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中，這樣增壓使增加，中冷使下降，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到更大的提高。其系統(tǒng)布置及工作路線如圖所示。根據(jù)一般車用汽油機(jī)的產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)可知：采用廢氣渦輪增壓其功率可提高30一40，增壓后中冷又可提高20一30左右。因此

11、在高性能車用發(fā)動(dòng)機(jī)中都采用增壓中冷型式。二、壓氣機(jī)構(gòu)造 下圖為單級(jí)車用廢氣渦輪增壓器。左側(cè)為壓氣機(jī)，它由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)葉輪擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)殼等組成。 1進(jìn)氣道進(jìn)氣道的作用是將氣流有秩序地導(dǎo)入壓氣機(jī)的工作葉輪進(jìn)行壓縮。軸流式壓氣機(jī)進(jìn)氣氣流沿軸向進(jìn)人工作輪，空氣進(jìn)入工作輪時(shí)的損失較小，這種結(jié)構(gòu)常用于小型增壓器。2壓氣機(jī)葉輪 葉輪的作用是在其旋轉(zhuǎn)時(shí)，使空氣在離心力的作用下，受到壓縮并甩向葉輪外緣，使空氣的溫度、壓力和流速都增加。 葉輪的構(gòu)造如下圖所示。其結(jié)構(gòu)形式有半開式、開式和星形。 半開式葉輪葉片和輪盤相連，具有一定的強(qiáng)度和剛度，小型增壓機(jī)應(yīng)用較多。 開式葉輪只有輪鼓和葉片，葉片兩端是敞開的，摩棕流

12、動(dòng)損失大，效率低，易引起振動(dòng)，目前較少采用。 星形葉輪是在半開式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種結(jié)構(gòu)能承受較高轉(zhuǎn)速，適用于高增壓機(jī)。3擴(kuò)壓器和出氣蝸殼 擴(kuò)壓器的作用是使流經(jīng)葉輪后的氣流速度降低，從而進(jìn)一步增加氣體的靜壓力。擴(kuò)壓器的型式有兩種：一種是入口小出口大的無葉擴(kuò)壓器(縫隙式擴(kuò)壓器)；另一種是葉片式擴(kuò)壓器兩種。出氣蝸殼的作用是收集氣體，并將其引入增壓器的進(jìn)氣管，同時(shí)繼續(xù)壓縮氣體，使從擴(kuò)壓器出來的氣體再一次降低流速，以提高氣體的靜壓力。三、離心式壓氣機(jī)工作原理 增壓器工作時(shí)，空氣沿進(jìn)氣道鈾向進(jìn)入葉輪(參見圖84)，因進(jìn)氣道多為收斂形，氣流流經(jīng)進(jìn)氣道時(shí)，速度略有增加，此時(shí)充量與外界沒有熱交換，其壓力和

13、溫度賂有下降。氣流進(jìn)入葉輪后，由于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣流受離心力的作用，壓縮并甩到葉輪外絳，壓力和流速有較大的增長。然后進(jìn)人擴(kuò)壓器，將其動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)為壓能，空氣的密度、壓力及溫度升高，而流速降低。進(jìn)入渦殼后，繼續(xù)增壓降速，然后將空氣送入內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管和氣缸，達(dá)到增壓的目的。四、離心式壓氣機(jī)工作特性離心式壓氣機(jī)的主要工作參數(shù)是增壓比、流量、轉(zhuǎn)速和絕熱效率。在不同轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)的增壓比和效率隨空氣流量的變化關(guān)系，稱為壓氣機(jī)的壓比流量特性，如圖87所示。從圖中等轉(zhuǎn)速曲線看，隨著流量的增加，曲線呈下彎趨勢(shì)，增壓比逐漸減小。增壓比的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，增壓比越大。在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量減小時(shí)，增壓比

14、和效率增加；當(dāng)流量減小到某值時(shí)，增壓比、效率達(dá)最大值；流量繼續(xù)減小，增壓比和效率隨之又降低。當(dāng)流量減小到一定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的角度偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)工況不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出異常響聲，稱為喘振。將各轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)連接起來；構(gòu)成一條喘振邊界線。喘振線的左邊為不穩(wěn)定區(qū)域，壓氣機(jī)只能在喘振線右側(cè)工作，即小供氣量時(shí)，不能達(dá)到高增壓比。 從特性曲線中的等效率曲線來看，中間是高效率區(qū)。高效率區(qū)一般比較靠近喘振邊界線，從中心向外，效率逐漸下降，特別在大流量低增壓區(qū)，效率下降很多。五、渦輪機(jī)構(gòu)造與工作原理 徑流式渦輪

15、機(jī)主要由進(jìn)氣渦殼，工作輪及出氣道等組成(參見圖84)。 進(jìn)氣渦殼把發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器連接起來，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣均勻地進(jìn)入渦輪。在渦殼與工作輪問裝有導(dǎo)向葉片(吸嘴環(huán))，其作用是將廢氣的壓朗有效地轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使氣流具有一定的方向和較均勻地高速進(jìn)入工作輪。高速運(yùn)動(dòng)的氣流沖擊著渦輪機(jī)的工作輪，使其高速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)壓氣機(jī)工作。、增壓的特點(diǎn)及與內(nèi)燃機(jī)匹配一、對(duì)車用增壓器的要求 與車用內(nèi)燃機(jī)相匹配的渦輪增壓器應(yīng)滿足以下要求： 1)盡量小的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量。車用機(jī)變工況多，起動(dòng)性、加速性必須良好，因而增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小。2)最佳的渦輪轉(zhuǎn)速比。渦輪的效率與其速比有密切關(guān)系。速比最佳時(shí)，渦輪效率最高。變工況時(shí)，由于轉(zhuǎn)速

16、和進(jìn)口廢氣狀態(tài)變化，速比也發(fā)生變化，使禍輪效率下降。在葉輪尺寸較小的情況下，只有提高溫輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。一般中等噸位的車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的轉(zhuǎn)速，在每分鐘10幾萬轉(zhuǎn)以上，轎車則可達(dá)25萬轉(zhuǎn)以上。 3)寬廣的壓氣機(jī)高效區(qū)。車用內(nèi)燃機(jī)流量變化范圍較寬，而壓氣機(jī)的效率和壓比隨工況變化會(huì)明顯下降，高效區(qū)很窄。4)較強(qiáng)的變工況適應(yīng)性。車用內(nèi)燃機(jī)工況變化大，導(dǎo)致渦輪噴嘴環(huán)出口的氣流速度發(fā)生變化，則葉輪入口相對(duì)速度的方向和大小均發(fā)生變化，而入口導(dǎo)向葉片的幾何角度不變，氣流將偏離最佳設(shè)計(jì)方向，使產(chǎn)生的沖擊損失較大，影響渦輪效率。這種現(xiàn)象在有葉噴嘴上反映敏感，在無葉噴嘴上卻比較遲鈍。所以，車用增壓器宜采用無葉噴嘴渦輪，以

17、增強(qiáng)工況的適應(yīng)性。另外，為了滿足車用內(nèi)燃機(jī)低速下轉(zhuǎn)矩和排放指標(biāo)的要求，近年來還采用變截面增壓器。 二、增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配 要使增壓器獲得良好的性能，渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)必須很好地匹配： 1)在標(biāo)定工況，必須達(dá)到預(yù)期的增壓壓力和空氣流量，以保證有足夠的過量空氣，使燃燒完善。同時(shí)，要求渦輪前的徘氣溫度不能超過預(yù)定值，以保證熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷不致過高。 2)低工況時(shí)，保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負(fù)荷的要求。 3)增壓器對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的適應(yīng)能力較強(qiáng)，渦輪機(jī)應(yīng)允許在較寬廣的范圍運(yùn)轉(zhuǎn)較大，高效率區(qū)在整個(gè)工作范圍不發(fā)生喘振和渦輪機(jī)阻塞現(xiàn)象。、車用內(nèi)燃機(jī)增壓的特殊問題及改善措施一、車用內(nèi)燃機(jī)增壓的特殊問題

18、1柴油機(jī)增壓的特殊問題 (1)熱負(fù)荷增加 增壓柴油機(jī)進(jìn)氣的溫度是壓氣機(jī)出口溫度的函數(shù)，比非增壓機(jī)高至少6080。由于壓縮初溫升高，致使各工作循環(huán)的溫度相應(yīng)上升。同時(shí)，循環(huán)供油量增加后，轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃亢蛽p失的熱量都隨著增加，表現(xiàn)于機(jī)油溫度、冷卻水溫度及排氣溫度顯著提高。 對(duì)于渦輪增壓器來說，也存在熱負(fù)荷過大問題，有關(guān)的零部件會(huì)因熱負(fù)荷大而加速損壞。隨著增壓速度的提高，熱應(yīng)力的問題將會(huì)更加突出。 (2)機(jī)械負(fù)荷增加 隨著進(jìn)氣壓力的增高，柴油機(jī)的燃燒最高壓力也要增大。進(jìn)氣壓力每增加01MPa，燃燒最高壓力就增加0868MPa，壓力升高率劇增，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增加很多。 (3)低速和加速排氣冒煙

19、柴油機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于慣性作用，空氣增壓較差，柴油棚，杯低諫區(qū)是官油燃燒，易冒黑煙。在加速時(shí)，由于慣性使壓氣機(jī)供氣滯后，也會(huì)出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。 2汽油機(jī)的特殊問題 汽油機(jī)增壓以后，除了熱負(fù)荷增加和機(jī)械負(fù)荷增加外，由于汽油機(jī)工況變化范圍更大，并采用點(diǎn)燃式著火方式，增壓所帶來的問題更為特殊。 (1)爆燃傾向加大 汽油機(jī)增壓后，由于熱負(fù)荷的增加，進(jìn)、排氣溫度升高，加上不能加大掃氣來冷卻受熱零件，使熱負(fù)荷更高。如果不改變壓縮比和使用高辛烷值的汽油，爆燃的傾向加劇。 (2)汽油機(jī)速度變化范圍大。整個(gè)速度范圍內(nèi)的功率差別大，使渦輪增壓器的匹配更難。(3)瞬態(tài)響應(yīng)更差。由于汽油機(jī)增壓直接影響空氣和燃油量，因此

20、，對(duì)速度變化的瞬態(tài)響應(yīng)更差。 二、增壓內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化措施 由于廢氣渦輪增壓可以明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，降低比油耗及排放污染，徑小于100mm的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也越來越多地采用增壓技術(shù)。為獲得較為理想的效果，動(dòng)機(jī)必須采取相應(yīng)的措施，才能完善其性能。 1增壓柴油機(jī)的優(yōu)化措施 (1)降低熱負(fù)荷 降低熱負(fù)荷的主要措施有增加冷卻掃氣量、溫度等。現(xiàn)代缸降低壓縮空氣溫度和排氣 1)適當(dāng)增大進(jìn)排氣門的疊開角，每增加10°疊開角，可降低排氣溫度5左右。但疊開角過大，會(huì)發(fā)生活塞與氣門相碰現(xiàn)象。2)增大氣門疊開期內(nèi)進(jìn)、排氣管壓差，每增加壓差0.01MPa，每循環(huán)每氣缸可增加掃氣量0.02g。增大壓差的主要途徑是合理設(shè)計(jì)進(jìn)、排氣歧管，增大進(jìn)排氣門的時(shí)間(