發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓

發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1主要內(nèi)容與要求理解和掌握提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法。理解和掌握廢氣能量的利用。理解和掌握廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。理解和掌握改善車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的途徑。理解和掌握汽油機(jī)渦輪增壓的主要技術(shù)措施。理解和掌握車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。第三章發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2第三章發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第一節(jié)概述增壓：就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的過程。目的：提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性能。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3提高發(fā)動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率有以下三條途徑：

1）改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如增加氣缸數(shù)，增大氣缸直徑D、活塞行程S和減少?zèng)_程數(shù)τ等）。2）提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n或活塞平均速度Cm。3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力pme。最經(jīng)濟(jì)有效的方法：提高發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力。

Φa↓→pme

↑→

Pe

↑增壓→Φc↑→pme

↑→

Pe↑增壓→ρs↑→pme

↑→

Pe↑

第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日4增壓度φk：是指發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓后增長(zhǎng)的功率與增壓前的功率之比。增壓比πk

：是指增壓后氣體壓力pk與增壓前氣體壓力p0之比，即πk＝pk／p0

分類：

A、按增壓比分類：1)低增壓：πk＝1.3～1.6，對(duì)應(yīng)的pme＝700～1000kPa2）中增壓：πk＝1.6～2.5，對(duì)應(yīng)的pme＝1000～1500kPa

3）高增壓：πk＞2.5，對(duì)應(yīng)的pme＞1500kPa4）超高增壓：πk＞4.5～5.5

，對(duì)應(yīng)的pme＞2500kPa≈10%～60%第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日5B、按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分類

（1）機(jī)械增壓系統(tǒng)

增壓器可用離心式壓氣機(jī)、羅茨式壓氣機(jī)、螺旋轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)或滑片轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)等。應(yīng)用：機(jī)械增壓系統(tǒng)可有效地提高內(nèi)燃機(jī)功率并能用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣，以及用于復(fù)合增壓系統(tǒng)中。Pk值不宜超過160～170kPa，否則，將導(dǎo)致整機(jī)性能下降，特別是比油耗上升。第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日6（2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

廢氣渦輪增壓器：廢氣渦輪與壓氣機(jī)通常裝成一體。

特點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，一般自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)，合理加裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)后，可提高功率30％～50％，降低比油耗5％左右，有利于改善整機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放品質(zhì)，因而得到廣泛應(yīng)用。廢氣廢氣空氣第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日7（3）復(fù)合式增壓系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)：將廢氣動(dòng)力渦輪與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)起來(lái)工作。

特點(diǎn)：可充分利用廢氣能量，使動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能大為改善，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高且技術(shù)難度大。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日8（4）組合式渦輪增壓系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)：由廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣慣性增壓組合而成。進(jìn)氣慣性的原理：利用壓力峰值可進(jìn)一步提高增壓后的進(jìn)氣壓力。特點(diǎn)：該系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能變好，并對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩有利。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日9（5）氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓：是由曲軸驅(qū)動(dòng)一個(gè)特殊轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中廢氣直接與空氣接觸，利用高壓廢氣的脈沖氣波迫使空氣在互相不混合的情況下受到壓縮，從而提高進(jìn)氣壓力。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；但還存在不少問題。總結(jié)：從實(shí)際應(yīng)用的情況來(lái)看，較為常見的是渦輪增壓和機(jī)械增壓，其中渦輪增壓占了絕大部分。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日10渦輪增壓的主要優(yōu)點(diǎn)：（與其他增壓方式相比）1）在內(nèi)燃機(jī)不作重大改變，重量體積增加很少的情況下，一般可提高功率20％～50％，而且容易實(shí)現(xiàn)高增壓。2）由于壓氣機(jī)消耗的功是渦輪從廢氣中回收的一部分能量，再加上相對(duì)地減少了機(jī)械損失和散熱損失，提高了機(jī)械效率和熱效率，使內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓后油耗率可降低5％～10％，經(jīng)濟(jì)性能有明顯提高。3）可降低排氣噪聲和煙度。廢氣在渦輪中可以實(shí)現(xiàn)充分膨脹，排氣噪聲降低；廢氣中的有害成分也可減少，因而減少了對(duì)環(huán)境的污染。正是由于渦輪增壓的這些突出優(yōu)點(diǎn)，使其在各種用途的內(nèi)燃機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。

渦輪增壓的缺點(diǎn)：渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)氣體流路長(zhǎng)，加速性能較差，熱負(fù)荷問題較嚴(yán)重（特別是高增壓時(shí)），對(duì)大氣溫度和排氣背壓較敏感。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日11第二節(jié)廢氣能量的利用一、廢氣的最大可用能

1、廢氣的最大可用能E由三部分組成：①排氣門打開時(shí)，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力Pa所作的功，即Eb＝E1十ET；②活塞推出廢氣，廢氣得到的能量Ec；③掃氣空氣所具有的能量為Es，即Es＝E's＋E"s①b49K'T'b②49874③3518763第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日12總結(jié)：廢氣的最大可用能EE＝Eb＋Ec＋Es＝E1十ET

＋Ec＋E's＋E"s式中Eb：排氣門打開時(shí)，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力P0所作的功；Ec：活塞推出廢氣使廢氣增加的能量；Es：掃氣空氣所具有的能量；E1：廢氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣支管中自由彭脹所損失的能量；ET：廢氣在渦輪中進(jìn)一步膨脹所回收的能量；E's：掃氣空氣進(jìn)入渦輪后具有的能量；E"s：掃氣空氣流經(jīng)進(jìn)、排氣門的節(jié)流損失；

第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日132、廢氣的能量損失排氣門前廢氣具有的能量，在流經(jīng)排氣門、氣缸蓋排氣支管、排氣總管，最后到達(dá)渦輪前，存在著一系列的損失，能量損失△E包括如下幾個(gè)方面：△E＝△Ev＋△Ec＋△ED＋△EM十△EF＋△Eh

△Ev：流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失；（約占總損失的60％～70％）

△Ec：流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；△ED：管道面積突擴(kuò)時(shí)的流動(dòng)損失；△EM：不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失；△EF：由于氣體的粘性而形成的摩擦損失；△Eh：氣流向外界散熱所形成的能量損失。

（思考：如何減少△E？）3、廢氣能量傳遞效率ηE渦輪進(jìn)口處氣體的可用能量與排氣門前氣體的可用能量之比。ηE＝ET／EC

第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日14二、影響脈沖能量利用的因素

脈沖增壓系統(tǒng)就是要盡可能地利用脈沖能量。脈沖能量利用主要取決于排氣管中壓力波的合理組織。幾種影響脈沖能量利用的主要因素：（1）排氣門開啟定時(shí)（最佳）（2）排氣門流通面積（增大）（3）排氣門開啟規(guī)律（加快）（4）排氣管流通面積（最佳）（5）排氣管長(zhǎng)度（適當(dāng)）（6）渦輪當(dāng)量流通面積

（優(yōu)化）第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日15第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

廢氣渦輪增壓器：是指利用內(nèi)燃機(jī)排出的部分廢氣能量，推動(dòng)渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)安裝在同一根軸上的離心式壓氣機(jī)，增大內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣壓力的工作機(jī)械。分類：徑流式廢氣渦輪增壓器和軸流式廢氣渦輪增壓器應(yīng)用：一般車用發(fā)動(dòng)機(jī)多采用徑流式。第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日16徑流式渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)（包括壓氣機(jī)葉輪、壓氣機(jī)蝸殼等）、徑流式渦輪（包括渦輪葉輪、渦輪蝸殼等）和中間體三個(gè)主要部分，以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。壓氣機(jī)渦輪機(jī)中間體構(gòu)造支承裝置第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日17

—、徑流式渦輪的工作原理

渦輪的功用是將廢氣所擁有的能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。1．廢氣在渦輪機(jī)中的流動(dòng)

徑流式渦輪機(jī)的主要組成：①進(jìn)氣蝸殼②噴嘴葉片環(huán)③工作葉輪④進(jìn)、出氣道渦輪殼噴嘴葉片工作葉輪第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日182、渦輪機(jī)特性曲線

渦輪機(jī)的主要工作參數(shù)：渦輪效率、膨脹比、氣體流量和渦輪轉(zhuǎn)速等。用這些參數(shù)及其相互關(guān)系來(lái)表示渦輪機(jī)的工作性能。（1）渦輪效率ηT：渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的有效程度。ηT＝渦輪機(jī)軸上的有用功

／廢氣所擁有的能量＝

WT／HT據(jù)統(tǒng)計(jì)，渦輪效率ηT＝0.65～0.85

（2）膨脹比πT：渦輪進(jìn)口氣體滯止壓力P*T與渦輪出口氣體靜壓力P'0之比，即πT＝P*T／P'0第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日19（3）氣體質(zhì)量流量qmT

是指單位時(shí)間內(nèi)通過渦輪的氣體質(zhì)量。（在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，無(wú)泄漏和放氣時(shí)，通過渦輪的氣體流量等于壓氣機(jī)流量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的燃料流量之和。）

在分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系時(shí)，為使渦輪性能在不同入口氣體狀態(tài)下具有可比性，采用相似流量qmT√T*T／P*T來(lái)表征渦輪的流量。其中T*T為滯止溫度，P*T為氣體滯止壓力。（4）渦輪轉(zhuǎn)速n

在分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)采用相似轉(zhuǎn)速n／√T*T，但渦輪的相似轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)的相似轉(zhuǎn)速并不相等。渦輪機(jī)所發(fā)出的功率PT（kw）為

PT＝qmTHTηT／1000渦輪機(jī)的特性：在渦輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，上述參數(shù)之間的關(guān)系。

第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日20

渦輪機(jī)特性曲線：以相似流量qmT√T*T／P*T為橫坐標(biāo)，以膨脹比P*T／P‘o為縱坐標(biāo)，以相似轉(zhuǎn)速n／√T*T為參變量的一組曲線，如圖3-9所示?？梢?，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相似流量隨膨脹比的增大而增大，直到達(dá)到流量最大值，噴嘴環(huán)或渦輪葉片輪中某處氣流速度已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)?shù)芈曀?，即使再繼續(xù)增大膨脹比，該處的氣流速度仍維持當(dāng)?shù)芈曀?，渦輪流量也不會(huì)再增加，這種現(xiàn)象稱為渦輪機(jī)的阻塞現(xiàn)象，這時(shí)的流量稱為阻塞流量。相似轉(zhuǎn)速相似流量膨脹比渦輪效率第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日21

徑流式渦輪的優(yōu)點(diǎn)：效率高、膨脹比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，制造成本低等。徑流式渦輪的缺點(diǎn)：變工況的性能不佳，工作葉輪和高溫氣流接觸面積大，熱應(yīng)力大等。應(yīng)用：在小功率的內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用較多。第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日22二、離心式壓氣機(jī)的工作原理與特性

1、基本工作原理和主要參數(shù)構(gòu)造：一般由進(jìn)氣道、工作輪、擴(kuò)壓器及出氣蝸殼所組成?？諝饬鹘?jīng)壓氣機(jī)的各個(gè)通道之后，完成了一系列的能量轉(zhuǎn)換，將渦輪機(jī)傳給壓氣機(jī)工作輪的大部分機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝饬鞯膲毫δ?。第二十三?yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日23壓氣機(jī)的主要參數(shù)：1）增壓比πk＝pk/p02）流經(jīng)壓氣機(jī)的每秒質(zhì)量流量mk（kg／s）或容積流量V0（m3／s）（相應(yīng)于壓氣機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)）3）壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nk：等于渦輪的轉(zhuǎn)速n

4）壓氣機(jī)的絕熱效率ηad-k：1kg空氣的絕熱壓縮功had-k與實(shí)際壓縮功hk之比。

壓氣機(jī)的壓縮過程如圖3-12所示絕熱壓縮：0—4'實(shí)際壓縮0—4第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日24第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日25目前在渦輪增壓器上應(yīng)用的單級(jí)離心式壓氣機(jī)的絕熱效率為ηad-k

＝0.60～0.81。驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)所需的功率：2．壓氣機(jī)特性曲線（1）壓氣機(jī)的流量特性：是指壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nk不變時(shí)，壓氣機(jī)的增壓比πk和絕熱效率ηad-k隨空氣流量mk的變化關(guān)系。式中had-k：1kg空氣的絕熱壓縮功；mk：空氣的質(zhì)量流量為第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日26（2）壓氣機(jī)的喘振與堵塞出現(xiàn)喘振的原因：是由于流量過小時(shí)，在葉片擴(kuò)壓器內(nèi)和工作輪進(jìn)口處氣流與壁面分離而引起的。

堵塞現(xiàn)象:在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)的氣體流量隨增壓比的降低而增加;當(dāng)流量增加