增壓技術第一章

1、內燃機增壓內燃機增壓技術技術孫萬臣2增壓技術課程介紹 v總學時：32 試驗：2學時v課程性質：專業(yè)選修課v上課時間：2-16周，周一3、4節(jié)v地點：逸夫教學樓 B215v授課教師：孫萬臣3增壓就是將空氣預先壓縮然后再供入氣缸，以期提高空氣密度、增加進氣量。增壓可以增加發(fā)動機功率、改善燃油經濟性以及良好的加速性。4增壓技術課程介紹 v教學目的：教學目的：v初步了解和掌握內燃機增壓的基本原理和方初步了解和掌握內燃機增壓的基本原理和方法法v了解內燃機增壓技術的發(fā)展趨勢了解內燃機增壓技術的發(fā)展趨勢v掌握廢氣渦輪增壓與內燃機的匹配方法掌握廢氣渦輪增壓與內燃機的匹配方法v汽油機增壓和柴油機增壓的差別及特點

2、等。汽油機增壓和柴油機增壓的差別及特點等。 5增壓技術課程介紹 v教學內容：教學內容：v第一章第一章 內燃機增壓技術概論內燃機增壓技術概論v1-1車用內燃機增壓的意義和特點車用內燃機增壓的意義和特點v1-2 內燃機增壓的分類內燃機增壓的分類v1-3 內燃機增壓技術的發(fā)展及展望內燃機增壓技術的發(fā)展及展望v第二章第二章 渦輪增壓器的構造和原理渦輪增壓器的構造和原理v2-1 渦輪增壓器的結構概述渦輪增壓器的結構概述v2-2 離心式壓氣機離心式壓氣機v2-3 徑流式渦輪機徑流式渦輪機6增壓技術課程介紹 v第三章第三章 內燃機增壓的基本問題內燃機增壓的基本問題v3-1 增壓對內燃機參數(shù)的影響增壓對內燃機

3、參數(shù)的影響v3-2 換氣過程的計算換氣過程的計算v3-3 內燃機流通特性內燃機流通特性v第四章第四章 渦輪增壓器與內燃機的匹配渦輪增壓器與內燃機的匹配v4-1 廢氣能量的利用廢氣能量的利用v4-2 廢氣渦輪增壓的兩種基本形式和特點廢氣渦輪增壓的兩種基本形式和特點v4-3 脈沖增壓系統(tǒng)中影響廢氣能量利用的主要因素脈沖增壓系統(tǒng)中影響廢氣能量利用的主要因素v4-4 渦輪增壓器與內燃機的匹配及其計算渦輪增壓器與內燃機的匹配及其計算v4-5 渦輪增壓器平衡運行點的求法渦輪增壓器平衡運行點的求法7增壓技術課程介紹 v第五章第五章 車用增壓柴油機的性能優(yōu)化車用增壓柴油機的性能優(yōu)化v5-1 車用增壓柴油機的要

4、求和限制車用增壓柴油機的要求和限制v5-2 供油系統(tǒng)的優(yōu)化供油系統(tǒng)的優(yōu)化v5-3 配氣機構的優(yōu)化配氣機構的優(yōu)化v5-4 進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化v5-5 增壓空氣的冷卻增壓空氣的冷卻v5-6 典型的車用柴油機增壓系統(tǒng)典型的車用柴油機增壓系統(tǒng)8增壓技術課程介紹 v第六章第六章 車用汽油機增壓車用汽油機增壓v6-1 車用汽油機增壓的特點車用汽油機增壓的特點v6-2 汽油機增壓的對策汽油機增壓的對策v6-3 典型汽油機增壓系統(tǒng)典型汽油機增壓系統(tǒng)v第七章第七章 其它的增壓方式其它的增壓方式v7-1 氣波增壓氣波增壓v7-2 諧振渦輪負荷增壓諧振渦輪負荷增壓v7-2 機械增壓系統(tǒng)機械增壓系統(tǒng) 9

5、主要參考文獻 v1、周龍保主編周龍保主編.內燃機學內燃機學.機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2003v2 、陸家祥編著、陸家祥編著.車用內燃機增壓車用內燃機增壓. 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，1993v3 、陸家祥主編、陸家祥主編.柴油機渦輪增壓技術柴油機渦輪增壓技術. 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，1999v4 、蔣德明編著、蔣德明編著.內燃機的渦輪增壓內燃機的渦輪增壓. 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，1986v5 、朱大鑫著、朱大鑫著.渦輪增壓與渦輪增壓器渦輪增壓與渦輪增壓器.機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，1992v6、顧宏中、顧宏中 鄔靜川編著鄔靜川編著.柴油機增壓及其性能優(yōu)化

6、柴油機增壓及其性能優(yōu)化.上海交通上海交通大學出版社，大學出版社，1989v7、西德西德K奇納著，侯玉堂，禹惠生譯奇納著，侯玉堂，禹惠生譯.內燃機增壓與匹內燃機增壓與匹配配理論、計算及實例理論、計算及實例.國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，198210第一章內燃機增壓技術概論v1-1 車用內燃機增壓的意義和特點車用內燃機增壓的意義和特點v1、增壓的意義、增壓的意義v有內燃機原理可知：有內燃機原理可知：=1.1-1.3,=1.1-1.3,A/F=14-17 30niVhpePeiVhpeTtq3 .318 Pe pe Ttq pe11第一章 內燃機增壓技術概論 ssuveusveTPlHlHPe00

7、485. 31000TsRPssmie12第一章 內燃機增壓技術概論v由上式可得出結論：采用增壓后具有如下的優(yōu)點：v（1）Pss peTtqPev s i TtqPev（2）升功率NL ，比質量30npeNL13第一章 內燃機增壓技術概論v（3）實現(xiàn)高原恢復功率）實現(xiàn)高原恢復功率v（4）降低燃油消耗率）降低燃油消耗率v e= i .mv i ev（5）相同排量機型，增壓機成本低，提）相同排量機型，增壓機成本低，提高材料的利用率高材料的利用率ueeb3106 . 314第一章 內燃機增壓技術概論v（6）改善排放v（7）減少排氣噪聲（排氣在渦輪中進一步膨脹）v 非增壓：排氣壓力=排氣壓力波+噪聲波

8、v 增壓：排氣壓力渦輪壓力噪聲降低v（但壓氣機擴壓器亦形成噪聲源）COHC PT 15第一章 內燃機增壓技術概論v（8）增壓后，壓縮終點的溫度和壓力增加，可縮短滯燃期，有利于降低燃燒噪聲。v（9）采用廢氣渦輪增壓：結構簡單，安裝方便，技術適用性廣，從低速到高速、從二沖程到四沖程、大缸徑到小缸徑都可應用。16v增壓的代價v1）機械負荷、熱負荷增加，影響內燃機的可靠性；v2）低速時排氣能量不足，使低速扭矩受到影響；v3）在渦輪增壓器中，從排氣能量的傳遞到進氣壓力的建立需要一定時間，是加速性變差。v4）增壓發(fā)動機性能的進一步優(yōu)化，受到增壓器和中冷器的限制。v增壓器的問題主要集中在材料、耐熱性能、潤滑

9、、效率等。v中冷器要求體積小、效率高、質量輕。17第一章 內燃機增壓技術概論v二、車用內燃機增壓特點二、車用內燃機增壓特點v1、工況變化范圍大（面工況）渦輪增壓器與內、工況變化范圍大（面工況）渦輪增壓器與內燃機匹配難以兼顧高、低速工況燃機匹配難以兼顧高、低速工況v2、為增強超載能力，要求低速大扭矩、為增強超載能力，要求低速大扭矩v要求提高渦輪增壓器的低速性能，要求提高渦輪增壓器的低速性能，進氣量進氣量v3、汽車要有良好的加速性汽車要有良好的加速性v增壓器轉子存在慣性使其響應滯后，另外來自增壓器轉子存在慣性使其響應滯后，另外來自廢氣的能量已存在滯后，使得增壓機型加速性廢氣的能量已存在滯后，使得增

10、壓機型加速性較差。較差。扭矩儲備系數(shù)扭矩儲備系數(shù)適應性系數(shù)適應性系數(shù)18第一章 內燃機增壓技術概論v 改善加速性措施：改善加速性措施：降低轉動慣量降低轉動慣量輕質材料（陶瓷渦輪）輕質材料（陶瓷渦輪）增壓器小型化增壓器小型化4、要求增壓器及增壓系統(tǒng)成本低、要求增壓器及增壓系統(tǒng)成本低5、要求增壓器效率高，盡量降低進氣溫度，充分利用、要求增壓器效率高，盡量降低進氣溫度，充分利用排氣能量排氣能量19第一章 內燃機增壓技術概論010001000001111111kkkkkkkkkkkkkkkkkTppppppTTTTpp201-2 內燃機增壓的分類v一、按增壓器分：機械增壓：適用于低增壓機械增壓：適用于

11、低增壓 （采用離心式壓氣機時：（采用離心式壓氣機時：Pk1.8bar； 采用羅茨泵時采用羅茨泵時, Pk1.4bar ）廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓利用廢氣能量、效率高利用廢氣能量、效率高復合式增壓復合式增壓改善低負荷及起動性能改善低負荷及起動性能氣波增壓氣波增壓進排氣壓力轉換進排氣壓力轉換211-2 內燃機增壓的分類機械增壓機械增壓221-2 內燃機增壓的分類v1、機械增壓、機械增壓v所謂機械式增壓器是指增壓器的壓氣機轉子由發(fā)動機曲軸通所謂機械式增壓器是指增壓器的壓氣機轉子由發(fā)動機曲軸通過過齒輪、皮帶或鏈條齒輪、皮帶或鏈條等傳動裝置來驅動旋轉，從而將空氣壓等傳動裝置來驅動旋轉，從而將空氣壓縮并送

12、入發(fā)動機氣缸，達到增壓的目的?？s并送入發(fā)動機氣缸，達到增壓的目的。v這種增壓器響應迅速，但由于需要額外的傳動裝置，機械式這種增壓器響應迅速，但由于需要額外的傳動裝置，機械式增壓器的結構比較復雜，體積較大，同時還要消耗一定的發(fā)增壓器的結構比較復雜，體積較大，同時還要消耗一定的發(fā)動機有效功率，因此燃料經濟性會受到一些影響。動機有效功率，因此燃料經濟性會受到一些影響。 v由于增壓器由內燃機曲軸直接驅動，充量在增壓器中第一次由于增壓器由內燃機曲軸直接驅動，充量在增壓器中第一次壓縮所需能量直接由內燃機的指示功提供，是內燃機的機械壓縮所需能量直接由內燃機的指示功提供，是內燃機的機械效率效率m降低。降低。2

13、31-2 內燃機增壓的分類v1、機械增壓、機械增壓v特點：特點：v1）內燃機轉速變化可直接導致壓氣機流量變化，加速性好；）內燃機轉速變化可直接導致壓氣機流量變化，加速性好；v2）采用高速調節(jié)和脫開等控制技術，可改善低速扭矩；）采用高速調節(jié)和脫開等控制技術，可改善低速扭矩；v3）對排氣無干擾，可用于高排氣被壓得特殊場合（如水下）對排氣無干擾，可用于高排氣被壓得特殊場合（如水下）v4）消耗發(fā)動機的功率，驅動附件損失增加，機械效率下降，）消耗發(fā)動機的功率，驅動附件損失增加，機械效率下降，油耗高；油耗高；v適用于增壓度不高的發(fā)動機（如汽油機）適用于增壓度不高的發(fā)動機（如汽油機）241-2 內燃機增壓的

14、分類v1、機械增壓、機械增壓v驅動方式：驅動方式：齒輪、皮帶或鏈條齒輪、皮帶或鏈條v增壓器分類：增壓器分類：v1）葉片式）葉片式v2）容積式）容積式離心式又稱徑流式（常用，可實現(xiàn)大離心式又稱徑流式（常用，可實現(xiàn)大流量，適用于大型發(fā)動機）流量，適用于大型發(fā)動機）軸流式（類似軸流風扇）軸流式（類似軸流風扇）活塞式（往復活塞式）活塞式（往復活塞式）旋轉式旋轉式滑片泵滑片泵羅茨泵（常用，適用于小型內羅茨泵（常用，適用于小型內燃機）燃機）螺桿泵（內部壓縮、效率高）螺桿泵（內部壓縮、效率高）251-2 內燃機增壓的分類v機械增壓的用法：機械增壓的用法：v（1）單獨使用）單獨使用v（2）與渦輪增壓器聯(lián)合使用

15、）與渦輪增壓器聯(lián)合使用v渦輪增壓渦輪增壓+機械增壓機械增壓v高速時高速時 低速時低速時v優(yōu)點：（優(yōu)點：（1）加速性、低速扭矩特性好）加速性、低速扭矩特性好v （2）工況變化范圍大）工況變化范圍大v （3）排氣背壓低、容積效率高、泵氣損失?。┡艢獗硥旱?、容積效率高、泵氣損失小v缺點缺點：（：（1）消耗一定功率，體積大、噪聲大、成本高）消耗一定功率，體積大、噪聲大、成本高v （2）使用、安裝不方便，壽命短、效率低）使用、安裝不方便，壽命短、效率低并聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)262 、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓272、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓v廢氣渦輪增壓是目前最有效的增壓方式。廢氣渦輪增壓是目前最有

16、效的增壓方式。v分類：分類：v1）按流向分）按流向分v2）按工作原理分）按工作原理分v3）按壓比分（增壓比）按壓比分（增壓比）v（1）低增壓）低增壓 k 1.7v（2）中增壓）中增壓 1.7 k 2.5v（3）高增壓）高增壓 2.5k 4.0v（4）超高增壓）超高增壓k 4.0軸流式軸流式徑流式徑流式沖動式沖動式反動式反動式0ppkk282、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓v4）按渦輪級分）按渦輪級分v5）按內燃機分）按內燃機分單級單級多級多級柴油機增壓柴油機增壓汽油機增壓汽油機增壓氣體燃料發(fā)動機增壓氣體燃料發(fā)動機增壓汽油機增壓的難點：汽油機增壓的難點：1、進氣系統(tǒng)中節(jié)氣門的存在使得發(fā)動機在低速小負荷

17、時壓氣機容易發(fā)生喘振、進氣系統(tǒng)中節(jié)氣門的存在使得發(fā)動機在低速小負荷時壓氣機容易發(fā)生喘振渦輪增壓的困難。渦輪增壓的困難。2、汽油機增壓后爆燃傾向增加。、汽油機增壓后爆燃傾向增加。3、汽油機混合氣的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，增壓后發(fā)動機和渦輪增壓器、汽油機混合氣的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，增壓后發(fā)動機和渦輪增壓器的熱負荷高。的熱負荷高。4、汽油機轉速高，范圍廣，發(fā)動機和增壓器匹配困難。、汽油機轉速高，范圍廣，發(fā)動機和增壓器匹配困難。5、渦輪增壓汽油機的加速性較差（增壓器葉輪的慣性），尤其是低速加速性差。、渦輪增壓汽油機的加速性較差（增壓器葉輪的慣性），尤其是低速加速性差。292、廢氣渦輪增壓廢

18、氣渦輪增壓v6）按渦輪能量形式分）按渦輪能量形式分定壓增壓定壓增壓脈沖增壓脈沖增壓 定壓增壓定壓增壓 脈沖增壓脈沖增壓302、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓v7）按內燃機沖程分）按內燃機沖程分四沖程四沖程二沖程：二沖程：由于為保證可靠掃氣，耗氣由于為保證可靠掃氣，耗氣量大，量大，排溫低，渦輪可用能量少，排溫低，渦輪可用能量少，常用機械增壓或機械渦輪復合增壓常用機械增壓或機械渦輪復合增壓3、其他增壓方式1）氣波增壓氣波增壓 2）進氣諧振增壓）進氣諧振增壓3）慣性增壓）慣性增壓4）復合增壓）復合增壓改善低負荷及起動性能改善低負荷及起動性能5）低溫增壓（米勒增壓）低溫增壓（米勒增壓）利用可變配氣相位利用可

19、變配氣相位VVT，改變進氣門關閉角，控制缸內壓縮溫度。改變進氣門關閉角，控制缸內壓縮溫度。 （可變壓縮（可變壓縮比，前提是增加增壓壓力，保持充氣量不變或增加）比，前提是增加增壓壓力，保持充氣量不變或增加）313、其他增壓方式3、其他增壓方式1）氣波增壓氣波增壓 氣波式增壓器通過特殊的轉子使廢氣與氣波式增壓器通過特殊的轉子使廢氣與空氣接觸，利用高壓廢氣對低壓空氣產生空氣接觸，利用高壓廢氣對低壓空氣產生的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進氣的壓力波，迫使空氣壓縮，從而提高進氣壓力。壓力。 氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭氣波式增壓器具有充氣效率高、低速扭矩大，加速性好等優(yōu)點。矩大，加速性好等優(yōu)點。

20、 但由于它的特殊結構，氣波式增壓器同但由于它的特殊結構，氣波式增壓器同樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點。樣存在體積大、重量大、噪音大等缺點。另外，空氣壓力波對進、排氣阻力過于敏另外，空氣壓力波對進、排氣阻力過于敏感，要求進氣濾清器及排氣消聲器和管道感，要求進氣濾清器及排氣消聲器和管道盡可能的加大尺寸并減小阻力。盡可能的加大尺寸并減小阻力。 由于存在許多問題，氣波式增壓器目前由于存在許多問題，氣波式增壓器目前仍處于研究試驗階段。仍處于研究試驗階段。 323、其他增壓方式2）進氣諧振增壓進氣諧振增壓利用由諧振箱的容積、諧振管的長度和直徑所決定的共振頻率與汽缸利用由諧振箱的容積、諧振管的長度和直徑

21、所決定的共振頻率與汽缸工作頻率一致時，在諧振箱管系內產生非常大的壓力振動（叫共振或諧工作頻率一致時，在諧振箱管系內產生非常大的壓力振動（叫共振或諧振）。振）。當壓力為最大值時，恰好進氣門關閉，這時進氣充量最大。當壓力為最大值時，恰好進氣門關閉，這時進氣充量最大。用轉換閥來改變諧振系的管長，從而改變諧振所對應的轉速，即最大用轉換閥來改變諧振系的管長，從而改變諧振所對應的轉速，即最大扭矩所對應的轉速。扭矩所對應的轉速。圖圖3.37 是是V-6 發(fā)動機，利用轉換閥將六個汽缸隔為每發(fā)動機，利用轉換閥將六個汽缸隔為每3 個缸為一組的諧個缸為一組的諧振增壓系統(tǒng)。振增壓系統(tǒng)。 333、其他增壓方式3）慣性增

22、壓慣性增壓慣性增壓是利用空氣在進氣歧管中的慣性效應、脈沖波動慣性增壓是利用空氣在進氣歧管中的慣性效應、脈沖波動效應及其綜合效應來提高發(fā)動機氣缸充氣效率的方法。效應及其綜合效應來提高發(fā)動機氣缸充氣效率的方法。慣性增壓器通過特殊幾何形狀的凸輪軸控制氣門的開啟角慣性增壓器通過特殊幾何形狀的凸輪軸控制氣門的開啟角度及時間：氣缸在前半個進氣行程中，進氣門只開啟很小的度及時間：氣缸在前半個進氣行程中，進氣門只開啟很小的通過截面，使氣缸中形成一定的負壓，當活塞走過半個進氣通過截面，使氣缸中形成一定的負壓，當活塞走過半個進氣行程后，進氣門迅速開啟，很快達到最大通過截面，此時空行程后，進氣門迅速開啟，很快達到最

23、大通過截面，此時空氣以很高的速度沖入氣缸。氣以很高的速度沖入氣缸。從某種意義上來說，慣性增壓在很大程度上推動了發(fā)動機從某種意義上來說，慣性增壓在很大程度上推動了發(fā)動機技術的發(fā)展，目前的可變進氣歧管長度技術及可變氣門控制技術的發(fā)展，目前的可變進氣歧管長度技術及可變氣門控制系統(tǒng)（如系統(tǒng)（如豐田豐田的的VVT-i技術）均得益于這一原理。技術）均得益于這一原理。 343、其他增壓方式4）復合增壓系統(tǒng)）復合增壓系統(tǒng)串聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：串聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：空氣先經過渦輪增壓器提高壓力后，進入中間冷卻器降溫，空氣先經過渦輪增壓器提高壓力后，進入中間冷卻器降溫，再經機械增壓器增壓。再經機械增壓器增壓。這種增壓

24、方式主要用于高增壓發(fā)動機上。這種增壓方式主要用于高增壓發(fā)動機上。并聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：并聯(lián)式復合增壓系統(tǒng)：由機械增壓器和渦輪增壓器同時向發(fā)動機供給增壓后的空由機械增壓器和渦輪增壓器同時向發(fā)動機供給增壓后的空氣。氣。在低速范圍內主要靠機械增壓，而在高轉速范圍內主要靠在低速范圍內主要靠機械增壓，而在高轉速范圍內主要靠渦輪增壓。渦輪增壓。這種增壓系統(tǒng)使發(fā)動機低轉速轉矩特性得到改善。這種增壓系統(tǒng)使發(fā)動機低轉速轉矩特性得到改善。351-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v一、歷史回顧一、歷史回顧v渦輪增壓的歷史大概和內燃機的歷史一樣久遠。發(fā)動機增壓技術首先來自于德渦輪增壓的歷史大概和內燃機的歷史一樣久遠。發(fā)動

25、機增壓技術首先來自于德國人的創(chuàng)意，國人的創(chuàng)意，1880年德國人開始著手研究發(fā)動機增壓技術，并在一戰(zhàn)期間應用年德國人開始著手研究發(fā)動機增壓技術，并在一戰(zhàn)期間應用于飛機上，當時采用的是機械式增壓器，這項技術的發(fā)明使得當時的航空發(fā)動于飛機上，當時采用的是機械式增壓器，這項技術的發(fā)明使得當時的航空發(fā)動機能夠盡可能的輕量化。機能夠盡可能的輕量化。v1885年戈特利年戈特利.戴姆勒（戴姆勒（Gottlieb Daimler ）提出了煤氣機和汽油機增壓，）提出了煤氣機和汽油機增壓，1921年，裝有增壓器的汽油機汽車第一次參加汽車比賽（機械式羅茨泵壓氣機，為年，裝有增壓器的汽油機汽車第一次參加汽車比賽（機械式

26、羅茨泵壓氣機，為防止爆燃，壓氣機只在高速時起作用）。防止爆燃，壓氣機只在高速時起作用）。v1893年魯?shù)婪蚰牯數(shù)婪?迪塞爾（迪塞爾（Rudolf Diesel）在）在MAN公司制成第一臺柴油機，經過公司制成第一臺柴油機，經過三年試驗后，三年試驗后， 1896年有制造了一臺新的試驗機，第一次發(fā)明了增壓柴油機。利年有制造了一臺新的試驗機，第一次發(fā)明了增壓柴油機。利用活塞下部空間把空氣吸入，當活塞下行時對空氣進行壓縮，然后通過一個中用活塞下部空間把空氣吸入，當活塞下行時對空氣進行壓縮，然后通過一個中間容器把空氣輸送到燃燒室，這就是最初的機械增壓。但由于有效效率低使經間容器把空氣輸送到燃燒室，這就是最

27、初的機械增壓。但由于有效效率低使經濟性明顯下降。（在活塞下部設計為增壓泵，由于機械損失達，濟性明顯下降。（在活塞下部設計為增壓泵，由于機械損失達，ge）。）。v1901年年MAN公司又設計了用一臺往復式壓氣機把經過壓縮的空氣在上止點前吹公司又設計了用一臺往復式壓氣機把經過壓縮的空氣在上止點前吹入柴油機氣缸。后來有用外部傳動的回轉式鼓風機把壓力為入柴油機氣缸。后來有用外部傳動的回轉式鼓風機把壓力為1.11.3bar的空氣的空氣送入柴油機進氣管，這些都是送入柴油機進氣管，這些都是利用外部能源對柴油機進行增壓利用外部能源對柴油機進行增壓。361-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v一、歷史回顧一、歷史回

28、顧v1905年瑞典人比希（年瑞典人比希（Alfred Buchi）博士提出了）博士提出了廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓，把一臺，把一臺四沖程柴油機、一臺多級渦輪和一臺多級軸流式壓氣機安裝在一根軸上，四沖程柴油機、一臺多級渦輪和一臺多級軸流式壓氣機安裝在一根軸上，組成一臺復合式發(fā)動機。壓氣機出口壓力為組成一臺復合式發(fā)動機。壓氣機出口壓力為0.30.4MPa，渦輪進口壓，渦輪進口壓力為力為1.6MPa，由于排氣背壓過高，泵氣損失增加，同時由于掃氣不好，由于排氣背壓過高，泵氣損失增加，同時由于掃氣不好，缸內殘余廢氣增加，嚴重影響了充氣效率，導致失敗。在當時這一概念缸內殘余廢氣增加，嚴重影響了充氣效率，導致

29、失敗。在當時這一概念并不被多數(shù)人所接受。并不被多數(shù)人所接受。v1911年蘇而壽（年蘇而壽（Sulzer）兄弟公司在瑞典的）兄弟公司在瑞典的Winterthur成立，成立，Alfred Buchi成為該公司的總工程師，成為該公司的總工程師，1914年完成了廢氣渦輪增壓柴油機的首年完成了廢氣渦輪增壓柴油機的首次臺架試驗。次臺架試驗。v 1923年，德國交通部采用比希設計的增壓器，在兩艘德國客輪首次成年，德國交通部采用比希設計的增壓器，在兩艘德國客輪首次成功應用了功應用了 2000 馬力的四沖程十缸渦輪增壓柴油機，功率提高了馬力的四沖程十缸渦輪增壓柴油機，功率提高了40%，平均有效壓力提高到平均有效

30、壓力提高到1.1MPa，在航運史上首次實現(xiàn)了渦輪增壓在航運史上首次實現(xiàn)了渦輪增壓，這也，這也促使促使Buchi博士的廢氣渦輪增壓器很快在歐洲、美國和日本獲得了生產博士的廢氣渦輪增壓器很快在歐洲、美國和日本獲得了生產權。權。371-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v一、歷史回顧v1925年，比希獲得年，比希獲得脈沖增壓的專利脈沖增壓的專利。1926年比希采用年比希采用BBC公司研制的公司研制的由一級軸流式渦輪和兩級離心式壓氣機組成的渦輪增壓器在瑞士機車廠由一級軸流式渦輪和兩級離心式壓氣機組成的渦輪增壓器在瑞士機車廠的四缸、四行程柴油機上進行了試驗，功率提高的四缸、四行程柴油機上進行了試驗，功率提高

31、30-40%。1927年又在年又在一臺六缸柴油機上進行了試驗，均獲得成功，功率提高了一倍，這是脈一臺六缸柴油機上進行了試驗，均獲得成功，功率提高了一倍，這是脈沖增壓的初次實現(xiàn)。但由于渦輪增壓器體積大、效率低、成本高制約了沖增壓的初次實現(xiàn)。但由于渦輪增壓器體積大、效率低、成本高制約了推廣應用。推廣應用。v從從20世紀世紀30年代開始，軸流式渦輪增壓器被大量運用到船只、有軌機動年代開始，軸流式渦輪增壓器被大量運用到船只、有軌機動車及固定式機器。二戰(zhàn)期間美軍也將這種廢氣渦輪增壓器應用于作戰(zhàn)飛車及固定式機器。二戰(zhàn)期間美軍也將這種廢氣渦輪增壓器應用于作戰(zhàn)飛機。機。 v雖然發(fā)動機增壓技術的應用能夠在不改變

32、發(fā)動機工作容積的情況下提高雖然發(fā)動機增壓技術的應用能夠在不改變發(fā)動機工作容積的情況下提高發(fā)動機功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于當時的技術條件所限，發(fā)動機功率及扭矩，并降低油耗及排放，但由于當時的技術條件所限，增壓技術應用于汽車領域一直未獲得更大的進展。增壓技術應用于汽車領域一直未獲得更大的進展。 381-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v一、歷史回顧一、歷史回顧v1937年法國人牛爾首次把徑流式渦輪應用于增壓器，葉輪與軸焊成一個年法國人牛爾首次把徑流式渦輪應用于增壓器，葉輪與軸焊成一個整體，強度較高，轉速得已大幅提高，重量尺寸大大降低，廢氣渦輪增整體，強度較高，轉速得已大幅提高，重量尺寸大大

33、降低，廢氣渦輪增壓技術產生了一次飛躍。壓技術產生了一次飛躍。v20世紀世紀40年代后期，航空燃氣輪機的出現(xiàn)引起了材料技術與設計方面的年代后期，航空燃氣輪機的出現(xiàn)引起了材料技術與設計方面的重大革新。這對渦輪增壓的發(fā)展產生了意義深遠的影響，其中包括耐熱重大革新。這對渦輪增壓的發(fā)展產生了意義深遠的影響，其中包括耐熱材料的發(fā)展、開發(fā)高溫材料的精密鑄件技術等，這引發(fā)了徑流渦輪機的材料的發(fā)展、開發(fā)高溫材料的精密鑄件技術等，這引發(fā)了徑流渦輪機的研究，以及研究，以及徑流渦輪增壓徑流渦輪增壓在小型車用柴油機上的應用。在小型車用柴油機上的應用。v50年代初，年代初，滑動軸承滑動軸承的發(fā)明，也成為廢氣渦輪增壓技術進

34、一步發(fā)展的基的發(fā)明，也成為廢氣渦輪增壓技術進一步發(fā)展的基礎，借助滑動軸承，渦輪轉速突破礎，借助滑動軸承，渦輪轉速突破100000rpm大關。目前的廢氣渦輪增大關。目前的廢氣渦輪增壓器轉速普遍能夠達到壓器轉速普遍能夠達到150000-170000，這樣高的轉速是傳統(tǒng)的滾珠軸，這樣高的轉速是傳統(tǒng)的滾珠軸承所無法達到的。承所無法達到的。v這種轉速高、體積小、重量輕的渦輪增壓器的問世，為車用內燃機增壓這種轉速高、體積小、重量輕的渦輪增壓器的問世，為車用內燃機增壓創(chuàng)造了條件。創(chuàng)造了條件。 391-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v一、歷史回顧v接下來的接下來的20世紀世紀50年代，康明斯、沃爾沃和斯堪尼亞

35、等主要的發(fā)動機制年代，康明斯、沃爾沃和斯堪尼亞等主要的發(fā)動機制造商開始研究在卡車上運用廢氣渦輪增壓器技術，這些增壓器由造商開始研究在卡車上運用廢氣渦輪增壓器技術，這些增壓器由Elliot和和Eberspacher提供。提供。v最初，因增壓器自身體積過大，這些早期的設計并未成功。后來，德國最初，因增壓器自身體積過大，這些早期的設計并未成功。后來，德國工程師工程師Kurt Beirer設計出了一臺結構緊湊的廢氣渦輪增壓器。該專利被設計出了一臺結構緊湊的廢氣渦輪增壓器。該專利被Indianapolis的的Schwitzer認購。認購。 v1952年，使用康明斯廢氣渦輪增壓發(fā)動機的賽車在年，使用康明斯

36、廢氣渦輪增壓發(fā)動機的賽車在Indianapolis賽道的賽道的比賽中奪得冠軍。比賽中奪得冠軍。v1953年美國年美國Garrett公司的渦輪增壓器首次安裝在公司的渦輪增壓器首次安裝在Caterpillar 公司的公司的D9拖拉機上，在提高柴油機功率和改善燃油經濟性方面取得了良好的效果。拖拉機上，在提高柴油機功率和改善燃油經濟性方面取得了良好的效果。 v1954年康明斯生產出了一系列型號的發(fā)動機，年康明斯生產出了一系列型號的發(fā)動機，VT12、6缸缸NT，NRTs和和JTs 。同年，沃爾沃生產了首臺使用廢氣渦輪增壓技術的柴油卡車。同年，沃爾沃生產了首臺使用廢氣渦輪增壓技術的柴油卡車TD96AS，額

37、定功率為，額定功率為185馬力，與自然吸氣式馬力，與自然吸氣式D96AS相比提高了相比提高了35 馬馬力，同時還有著不錯的燃油經濟性。力，同時還有著不錯的燃油經濟性。 401-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v從從60年代起，國外開始在車用柴油機上大量采用增壓技術。年代起，國外開始在車用柴油機上大量采用增壓技術。v從從60年代末到年代末到70年代初，排放法規(guī)的實施進一步促進了增年代初，排放法規(guī)的實施進一步促進了增壓及增壓中冷技術的應用與發(fā)展，有效的改善了柴油機的效壓及增壓中冷技術的應用與發(fā)展，有效的改善了柴油機的效率和降低了率和降低了NOx 的排放。的排放。v60年代初，國外開始進行汽油機渦輪增

38、壓技術的研究。年代初，國外開始進行汽油機渦輪增壓技術的研究。Garrett公司是最早將渦輪增壓器用于轎車汽油機的公司之公司是最早將渦輪增壓器用于轎車汽油機的公司之一。一。v早在早在1962年該公司的年該公司的T5型渦輪增壓器就裝在型渦輪增壓器就裝在Oldsmobile Jetfire 轎車上，其發(fā)動機功率由自然進氣的轎車上，其發(fā)動機功率由自然進氣的116 kW增加到增加到增壓機型的增壓機型的160kW。v但由于汽油機增壓存在著爆震、化油器的布置和運行范圍窄但由于汽油機增壓存在著爆震、化油器的布置和運行范圍窄等難題，使汽油機增壓技術的應用受到很大限制。等難題，使汽油機增壓技術的應用受到很大限制。

39、411-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v在第一次石油危機的在第一次石油危機的1973年之后，渦輪增壓在商用年之后，渦輪增壓在商用車輛上變得越來越普及，當時各個公司投入大量的車輛上變得越來越普及，當時各個公司投入大量的費用在渦輪技術的開發(fā)上，目的就是為了能夠提高費用在渦輪技術的開發(fā)上，目的就是為了能夠提高燃油的經濟性。燃油的經濟性。v70年代末期，汽油機渦輪增壓開始取得了突破性進年代末期，汽油機渦輪增壓開始取得了突破性進展，可調增壓和電控燃油噴射等新技術的應用有力展，可調增壓和電控燃油噴射等新技術的應用有力的促進了渦輪增壓技術在車用汽油機中的應用和發(fā)的促進了渦輪增壓技術在車用汽油機中的應用和發(fā)展

40、。展。v1979年日本正式開始銷售增壓汽油機轎車，到年日本正式開始銷售增壓汽油機轎車，到80年年代中期國外開始大量推廣應用。代中期國外開始大量推廣應用。 421-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v轎車的渦輪技術的真正突破還是在轎車的渦輪技術的真正突破還是在1978年，梅塞德斯年，梅塞德斯-奔馳奔馳推出了推出了300 SD，配備渦輪增壓的柴油機的轎車。，配備渦輪增壓的柴油機的轎車。v隨后，大眾公司于隨后，大眾公司于1981年推出了渦輪增壓柴油機的高爾夫。年推出了渦輪增壓柴油機的高爾夫。v由于渦輪技術的采用，渦輪增壓柴油機的效率被大幅提高，由于渦輪技術的采用，渦輪增壓柴油機的效率被大幅提高，渦輪增壓

41、汽油機的駕駛性能也得到改善，同時排放也得到了渦輪增壓汽油機的駕駛性能也得到改善，同時排放也得到了良好控制。良好控制。v80年代后期，由于對排放限制的日趨嚴格，卡車發(fā)動機上的年代后期，由于對排放限制的日趨嚴格，卡車發(fā)動機上的渦輪增壓器的數(shù)量也隨之增加，至今幾乎所有的卡車都裝備渦輪增壓器的數(shù)量也隨之增加，至今幾乎所有的卡車都裝備有渦輪增壓技術的發(fā)動機。有渦輪增壓技術的發(fā)動機。 431-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v目前大中型柴油機幾乎目前大中型柴油機幾乎100%采用渦輪增壓；采用渦輪增壓；v車用柴油機的半數(shù)及相當比例的高性能汽油車用柴油機的半數(shù)及相當比例的高性能汽油機，均采用增壓；機，均采用增壓

42、；v增壓后的功率可提高增壓后的功率可提高4060%，平均有效壓，平均有效壓力可達到力可達到3MPa。v增壓對于發(fā)動機強化、降低油耗和排放是十增壓對于發(fā)動機強化、降低油耗和排放是十分重要而有效的技術手段。分重要而有效的技術手段。441-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v目前大中型柴油機幾乎目前大中型柴油機幾乎100%采用渦輪增壓；采用渦輪增壓；v車用柴油機的半數(shù)及相當比例的高性能汽油車用柴油機的半數(shù)及相當比例的高性能汽油機，均采用增壓；機，均采用增壓；v增壓后的功率可提高增壓后的功率可提高4060%，平均有效壓，平均有效壓力可達到力可達到3MPa。v增壓對于發(fā)動機強化是十分重要而有效的技增壓對于發(fā)

43、動機強化是十分重要而有效的技術手段。術手段。451-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v二、車用內燃機增壓發(fā)展概況二、車用內燃機增壓發(fā)展概況增壓技術是改善發(fā)動機動力性、經濟性和排放性的有效增壓技術是改善發(fā)動機動力性、經濟性和排放性的有效途徑，日益得到廣泛應用。作為提高功率的主要方法：途徑，日益得到廣泛應用。作為提高功率的主要方法：n、或增大氣門面積（多氣門），但程度有限。或增大氣門面積（多氣門），但程度有限。應采用增壓來增加進氣量。應采用增壓來增加進氣量。車用內燃機要求在寬廣的轉速和負荷范圍內運轉，同時車用內燃機要求在寬廣的轉速和負荷范圍內運轉，同時要滿足其加速性和低速性能的要求，對渦輪增壓器有一

44、要滿足其加速性和低速性能的要求，對渦輪增壓器有一些特殊的要求。些特殊的要求。461-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v二、車用內燃機增壓發(fā)展概況二、車用內燃機增壓發(fā)展概況渦輪增壓器渦輪增壓器效率高效率高流量范圍大流量范圍大體積小、重量輕體積小、重量輕可靠耐久（渦輪材料）可靠耐久（渦輪材料）慣性低慣性低成本低、使用維修方便（要求成本低、使用維修方便（要求結構簡單）結構簡單）471-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v1、近年來對渦輪增壓器進行了大量的技術改進，取得了、近年來對渦輪增壓器進行了大量的技術改進，取得了一系列創(chuàng)造性的成果。一系列創(chuàng)造性的成果。1）渦輪增壓器的總效率進一步提高）渦輪增壓器的總效

45、率進一步提高利用計算機模擬進行壓氣機和渦輪的空氣動力學計算、三維流場利用計算機模擬進行壓氣機和渦輪的空氣動力學計算、三維流場分析和結構設計取得突破性進展，開發(fā)了前傾后彎式壓氣機葉輪分析和結構設計取得突破性進展，開發(fā)了前傾后彎式壓氣機葉輪和混流式葉輪，效率大幅度提高。和混流式葉輪，效率大幅度提高。50年代60年代70年代80年代90年代45%55%60%65%70-80%481-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v二、車用內燃機增壓發(fā)展概況二、車用內燃機增壓發(fā)展概況v1、近年來對渦輪增壓器進行了大量的技術改進，取得了、近年來對渦輪增壓器進行了大量的技術改進，取得了一系列創(chuàng)造性的成果。一系列創(chuàng)造性的成

46、果。2）壓氣機效率不斷提高、流量范圍增大）壓氣機效率不斷提高、流量范圍增大由于發(fā)動機（特備是汽油機）轉速的不斷提高，要求壓氣機有更由于發(fā)動機（特備是汽油機）轉速的不斷提高，要求壓氣機有更寬廣的流量范圍。（采用無葉擴壓器）寬廣的流量范圍。（采用無葉擴壓器）3）渦輪效率提高，大量采用混流渦輪）渦輪效率提高，大量采用混流渦輪混流渦輪的氣流比徑流式均勻，效率平均提高混流渦輪的氣流比徑流式均勻，效率平均提高5%左右。左右。4）渦輪材料）渦輪材料輕質輕質慣性慣性加速響應性（陶瓷渦輪）加速響應性（陶瓷渦輪）耐熱耐熱可靠性可靠性解決高溫蠕變問題解決高溫蠕變問題高強度高強度491-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望

47、v二、車用內燃機增壓發(fā)展概況二、車用內燃機增壓發(fā)展概況4）渦輪材料）渦輪材料目前渦輪轉子采用目前渦輪轉子采用713c因康乃（因康乃（Inconel）合金（高鎳合金）失蠟精鑄而）合金（高鎳合金）失蠟精鑄而成，在高達成，在高達1300k世上能安全運轉。世上能安全運轉。有的渦輪采用有的渦輪采用GMR235材料鑄造。材料鑄造。陶瓷材料陶瓷材料 （碳化硅或氮化硅）在高溫下運行很有吸引力。（碳化硅或氮化硅）在高溫下運行很有吸引力。主要缺點：工藝要求較高，材質太脆，在軸上的安裝存在問題。主要缺點：工藝要求較高，材質太脆，在軸上的安裝存在問題。80年代年代逐步實現(xiàn)了商品化，并進入實用階段逐步實現(xiàn)了商品化，并進

48、入實用階段5）全浮動軸承的采用）全浮動軸承的采用球軸承，由于壽命短、拆換困難，限制了增壓器轉速的提高和應用。球軸承，由于壽命短、拆換困難，限制了增壓器轉速的提高和應用。目前普遍采用滑動軸承，可在中等轉速下自由轉動，比軸的轉速低，有目前普遍采用滑動軸承，可在中等轉速下自由轉動，比軸的轉速低，有利于提高增壓器的可靠性、耐久性。利于提高增壓器的可靠性、耐久性。但在小型增壓器上采用滾動軸承，可提高機械效率，日本但在小型增壓器上采用滾動軸承，可提高機械效率，日本IHI研制的陶瓷研制的陶瓷渦輪和滾動軸承，增壓器機械效率可達渦輪和滾動軸承，增壓器機械效率可達99%。501-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v二

49、、車用內燃機增壓發(fā)展概況二、車用內燃機增壓發(fā)展概況6）汽油機增壓技術的應用步入成熟階段）汽油機增壓技術的應用步入成熟階段以前遇到的難題以前遇到的難題化油器問題化油器問題爆震問題爆震問題電控問題電控問題解決辦法適當降低壓縮比適當降低壓縮比采用帶放氣閥增壓器采用帶放氣閥增壓器采用汽油噴射后使發(fā)動機采用汽油噴射后使發(fā)動機易于與增壓器匹配和采用易于與增壓器匹配和采用電控電控發(fā)動機和增壓器聯(lián)合控制發(fā)動機和增壓器聯(lián)合控制7）增壓中冷技術得到迅速發(fā)展511-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v三、車用內燃機增壓的展望三、車用內燃機增壓的展望 1、全面提高內燃機性能、全面提高內燃機性能pebe降低排氣污染物降低排

50、氣污染物改善扭矩特性改善扭矩特性進一步提高低速性能和加速性進一步提高低速性能和加速性2、增壓器與內燃機匹配、增壓器與內燃機匹配全工況達到最佳匹配全工況達到最佳匹配減小機械負荷和熱負荷減小機械負荷和熱負荷改善扭矩特性，提高低速性能改善扭矩特性，提高低速性能改善加速性（增壓器小型化、滾動軸承）改善加速性（增壓器小型化、滾動軸承）增壓壓力實現(xiàn)電子控制增壓壓力實現(xiàn)電子控制521-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v三、車用內燃機增壓的展望三、車用內燃機增壓的展望 3、改進廢氣渦輪增壓器、改進廢氣渦輪增壓器提高渦輪增壓器效率提高渦輪增壓器效率增壓器小型化、輕量化、寬流量范圍增壓器小型化、輕量化、寬流量范圍降

51、低慣性矩，選用輕質、高強度材料、滾動軸承降低慣性矩，選用輕質、高強度材料、滾動軸承渦輪增壓器新系列型號朝著流量覆蓋面大、型號渦輪增壓器新系列型號朝著流量覆蓋面大、型號少、每種型號變形品周多大方向發(fā)展。少、每種型號變形品周多大方向發(fā)展?？勺儙缀谓孛嬖鰤浩鳎勺儙缀谓孛嬖鰤浩鳎╒GT、VNT）4、汽油機高增壓（、汽油機高增壓（GDI發(fā)動機）發(fā)動機）5、絕熱發(fā)動機增壓、絕熱發(fā)動機增壓6、高于增壓（海拔每升高、高于增壓（海拔每升高1000m，功率下降，功率下降10%）7、氣波增壓（低速扭矩特性和加速性好，但噪音大，采用陶瓷轉子、氣波增壓（低速扭矩特性和加速性好，但噪音大，采用陶瓷轉子、取消皮帶傳動而形

52、成浮動氣波增壓器）取消皮帶傳動而形成浮動氣波增壓器）8、機械增壓重新受到重視、機械增壓重新受到重視531-3 內燃機增壓技術的發(fā)展和展望v三、車用內燃機增壓的展望三、車用內燃機增壓的展望9、增壓系統(tǒng)的發(fā)展、增壓系統(tǒng)的發(fā)展帶排氣旁通閥的增壓系統(tǒng)帶排氣旁通閥的增壓系統(tǒng)多級增壓多級增壓順序增壓順序增壓諧振渦輪復合增壓諧振渦輪復合增壓機械渦輪復合增壓機械渦輪復合增壓動力渦輪動力渦輪低壓縮比高增壓系統(tǒng)低壓縮比高增壓系統(tǒng)脈沖轉換系統(tǒng)脈沖轉換系統(tǒng)組合脈沖系統(tǒng)（組合脈沖系統(tǒng)（MPC）可變幾何截面增壓系統(tǒng)可變幾何截面增壓系統(tǒng)54增壓原理v增壓的概念與形式v增壓對經濟性和動力性的影響v增壓的優(yōu)勢與代價 v壓氣機v廢氣渦輪v渦輪增壓方式的性能比較v渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配返回55增壓