發(fā)動機廢氣渦輪增壓

主要內(nèi)容概述廢氣能量的利用（自學(xué)）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的類型汽油機增壓概述車用增壓發(fā)動機的性能目前一頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點第一節(jié)概述

增壓:利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。

增壓后，每循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增大，使實際充氣量增加,提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性。

增壓分類:

按增壓比（增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比

）低增壓：＝1.3～1.6，＝700～1000kPa；中增壓：＝1.6～2.5，＝1000～1500kPa；高增壓：＞2.5，＞1500kPa；超高增壓＞4.5～5.5，＝2500～3500kPa。目前二頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(1)機械增壓系統(tǒng)

發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓器，實現(xiàn)對進(jìn)氣的壓縮。

增壓器有：離心式壓氣機、羅茨式壓氣機、螺旋轉(zhuǎn)子式壓氣機或滑片轉(zhuǎn)子式壓氣機等。

用于小功率發(fā)動機。圖3-1按增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式：目前三頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點羅茨式壓氣機目前四頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(2)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進(jìn)氣增壓。

廣泛應(yīng)用于柴油機。目前五頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點渦輪增壓的原理

紅色為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣廢氣渦輪增壓器目前六頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(３)復(fù)合增壓系統(tǒng)將廢氣動力渦輪與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)起來工作，稱為復(fù)合式增壓系統(tǒng)。

目前七頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(4)組合增壓系統(tǒng)

組合式渦輪增壓系統(tǒng)由廢氣渦輪增壓與進(jìn)氣慣性增壓組合而成。在該增壓系統(tǒng)中，除廢氣渦輪增壓器外，還有由穩(wěn)壓箱、共振管、共振室等構(gòu)成的進(jìn)氣慣性增壓系統(tǒng)，利用壓力峰值,進(jìn)一步提高增壓后的進(jìn)氣壓力。

目前八頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(５)氣波增壓系統(tǒng)所謂氣波增壓，是由曲軸驅(qū)動一個特殊轉(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．利用進(jìn)氣及排氣系統(tǒng)中的波動效應(yīng)來壓縮進(jìn)氣。從而提高進(jìn)氣壓力。目前九頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點增壓的優(yōu)點1.比質(zhì)量小、升功率大2.降低造價、提高材料利用率3.排氣噪聲降低、燃燒噪聲降低4.有利于高原等稀薄條件工作5.排放降低6.適用性廣目前十頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點增壓的缺點1.熱負(fù)荷與機械負(fù)荷大2.低速時轉(zhuǎn)矩受影響3.加速響應(yīng)性差4.增壓器對發(fā)動機性能優(yōu)化的限制目前十一頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點第三節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

一、徑流式渦輪的工作原理1燃?xì)庠跍u輪機中的流動

離心式壓氣機徑流式渦輪中間體

廢氣從工作葉輪轉(zhuǎn)子的外緣由進(jìn)氣蝸殼流入，經(jīng)過一系列工作路徑后從渦輪中心軸向流出。

在渦輪工作葉輪中，葉片之間的通道也是呈漸縮狀，氣體在通道中將繼續(xù)膨脹。當(dāng)氣流流過工作葉輪葉片時，氣流轉(zhuǎn)彎。由于離心力作用的結(jié)果，在葉面的凹面上壓力得到提高，而在凸面則降低。作用在葉片表面的壓力的合力，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。此時，在工作輪出口處壓力、溫度以及速度均下降，而出口處的氣體速度已經(jīng)大大小于進(jìn)口速度，氣體膨脹所獲得的動能已大部分傳給了工作葉輪。目前十二頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點渦輪效率為渦輪機軸上的有用功與廢氣所擁有的能量的比2.渦輪機特性曲線

1)渦輪機參數(shù)(1)渦輪效率

膨脹比為渦輪進(jìn)口氣體滯止壓力與渦輪出口氣體靜壓力之比(2

)膨脹比

目前十三頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點(4)相似轉(zhuǎn)速(3

)相似流量

相似流量為氣體質(zhì)量流量，為滯止溫度，為氣體滯止壓力。

n為渦輪轉(zhuǎn)速相似轉(zhuǎn)速渦輪機所發(fā)出的功率目前十四頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點2）渦輪機特性曲線圖3–9渦輪機的特性渦輪機特性曲線：以相似流量為橫坐標(biāo)，以膨脹比為縱坐標(biāo)，以相似轉(zhuǎn)速為參變量的一組曲線。轉(zhuǎn)速一定，相似流量隨膨脹比的增大而增大，直到達(dá)到流量最大值，即達(dá)到了當(dāng)?shù)芈曀伲词乖倮^續(xù)增大膨脹比，該處的氣流速度仍維持當(dāng)?shù)芈曀?，渦輪流量也不會再增加。目前十五頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點二、離心式壓氣機的工作原理與特性圖3–10離心式壓氣機簡圖1—進(jìn)氣道；2—工作輪；3—擴壓器；4—出氣蝸殼基本工作原理：空氣沿收斂型的軸向進(jìn)氣道略有加速地進(jìn)入工作輪，并沿著工作輪上葉片所構(gòu)成的通道流動，由于工作輪中的空氣隨工作輪一起旋轉(zhuǎn)，工作輪的機械能傳遞給氣體，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，使氣體運動的線速度增大，使之能克服氣體微團所受徑向壓差的作用，而沿著螺旋線軌跡向輪緣方向運動，達(dá)到了增壓的目的。目前十六頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點主要參數(shù)：1）增壓比2）流經(jīng)壓氣機的每秒質(zhì)量流量或容積流量3）壓氣機轉(zhuǎn)速

4）壓氣機的絕熱效率定義為1kg空氣的絕熱壓縮功與實際壓縮功之比。

目前十七頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點壓氣機特性曲線：圖3–13離心式壓氣機的流量特性(１)壓氣機的流量特性

壓氣機的流量特性是表示壓氣機轉(zhuǎn)速不變時，壓氣機的增壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關(guān)系。(1)壓氣機的喘振與堵塞

壓氣機的喘振當(dāng)壓氣機工作在喘振線右側(cè)時，其工作是穩(wěn)定的；而當(dāng)處于喘振線左側(cè)時，壓氣機的工作就變得不穩(wěn)定甚至有危險了。壓氣機的堵塞當(dāng)增壓比繼續(xù)降低時，氣體流量卻不再增加，此時的氣體流量稱為堵塞流量，它也是該轉(zhuǎn)速下壓氣機所對應(yīng)的最大流量。目前十八頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點10ZJ型渦輪增壓器目前十九頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)目前二十頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)目前二十一頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點目前二十二頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點渦輪增壓套件目前二十三頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點半開式工作輪目前二十四頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點第四節(jié)廢氣渦輪增壓的類型

一、廢氣渦輪增壓的類型

圖3–14渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式a）定壓增壓系統(tǒng)b）脈沖增壓系統(tǒng)１）定壓增壓系統(tǒng)

把各缸的排氣管部通向一根排氣總管上。２）脈沖增壓系統(tǒng)

幾個氣缸連接一根排氣管。目前二十五頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點３）定壓增壓系統(tǒng)和脈沖增壓系統(tǒng)的比較1.廢氣能量利用的效果脈沖增壓對廢氣能量的利用比定壓增壓要好。

２.內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的掃氣作用脈沖增壓掃氣作用比定壓增壓要好。３.內(nèi)燃機的加速性能脈沖增壓的加速性能比定壓增壓要好。４.增壓器效率與增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定壓增壓系統(tǒng)的效率較高。與定壓系統(tǒng)相比，脈沖系統(tǒng)的尺寸較大，排氣管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

結(jié)論：在低增壓時，采用脈沖增壓是較為有利的；而在高增壓時，則是兩種系統(tǒng)同時存在、各有所長。目前二十六頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點二、改善車用增壓發(fā)動機扭矩特性的途徑（一）排氣旁通（二）進(jìn)氣旁通部分增壓空氣返回到壓氣機入口或大氣中，減少進(jìn)入氣缸的空氣量使發(fā)動機進(jìn)氣壓力適當(dāng)降低，以適應(yīng)發(fā)動機的要求。（三）可變截面渦輪１.雙蝸殼通道渦輪；２.可變蝸殼通道流通截面渦輪；３.變噴嘴環(huán)流通截面渦輪目前二十七頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點第五節(jié)汽油機增壓概述一、汽油機增壓的特點從廢氣能量利用的觀點看，汽油機的渦輪增壓與柴油機相比并沒有本質(zhì)區(qū)別，但長期以來，渦輪增壓技術(shù)除了在賽車發(fā)動機和高性能轎車發(fā)動中得到應(yīng)用外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，其普及性遠(yuǎn)不如柴油機。限制汽油機壓的主要技術(shù)障礙：

１.爆燃

汽油機增壓后，由于混合氣壓縮始點的壓力、溫度增高，以及燃燒室受熱零件熱負(fù)荷提高等原因，將促使爆燃的發(fā)生，限制汽油機增壓。

采用降低壓縮比、推遲點火時刻、中冷技術(shù)解決。

目前二十八頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點帶中冷器的廢所渦輪增壓系統(tǒng)圖中藍(lán)色的為進(jìn)氣管，紅色的為排氣管。目前二十九頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點２.混合氣的調(diào)節(jié)

汽油機采用變量調(diào)節(jié)，化油器式發(fā)動機進(jìn)行增壓時氣體流經(jīng)化油器喉口的壓力是變化的，不僅難于精確供應(yīng)一定濃度的混合氣，還增加了一些如增壓方案的選擇、化油器的密封、加速響應(yīng)性能等新問題。３.熱負(fù)荷

汽油機的過量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，膨脹比小，廢氣溫度也比柴油機高200℃～300℃。增壓后，汽油機的整體溫度水平提高，熱負(fù)荷問題加重。４.對增壓器的特殊要求

汽油機要求增壓器體積要小、耐高溫性能要好、轉(zhuǎn)動慣量要小，同時效率還要保證在一定的范圍內(nèi)，還要求有增壓調(diào)節(jié)裝置，這就造成它的成本比柴油機用增壓器要高。目前三十頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點二、汽油機渦輪增壓的主要技術(shù)措施１.降低壓縮比

汽油機增壓由于受爆燃的限制，必須降低壓縮比。２.增壓壓力控制系統(tǒng)

汽油機運行轉(zhuǎn)速范圍比柴油機寬，從低速到高速進(jìn)氣流量變化范圍大，渦輪增壓器的特性很難完全滿足各種工況的要求，可能出現(xiàn)低速時增壓壓力不足，高速對增壓壓力過高的情況，出現(xiàn)爆燃，為此，必須對汽油機增壓壓力進(jìn)行控制。目前三十一頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點３.減小增壓后的“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象

采用脈沖渦輪增壓、增壓器前置方案、帶旁通閥的控制系統(tǒng)、減小進(jìn)排氣管長度及容積、提高壓縮比及可變點火正時等措施，來減小“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象。４.燃料供給系統(tǒng)的調(diào)整

汽油泵

采用由電動油泵和燃油壓力調(diào)節(jié)閥聯(lián)合工作的方法，來滿足增壓所需的供油壓力和供油量。

點火提前角的調(diào)整

采用了電子控制裝置來自動推遲點火提前角。三、汽油機廢氣渦輪增壓器的布置在直接噴射式汽油機上增壓時，一般燃油在增壓器之后噴入，也有的在壓氣機前吸入一小部分燃油。目前三十二頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點第六節(jié)車用增壓發(fā)動機的性能一、增壓前后發(fā)動機動力性及經(jīng)濟性的變化

增壓后平均指示壓力提高。增壓后機械效率提高。增壓后內(nèi)燃機的充量系數(shù)是增大的。二、廢氣渦輪增壓對發(fā)動機其它性能的影響

１.降低排氣污染和噪聲通常增壓柴油機為富氧燃燒，有害氣體HC和CO的排放量一般為非增壓機的1／3~l／2，如果措施得當(dāng)（例如采用高噴射率并延遲噴射），NOx排放量也顯著降低。目前三十三頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點2.低速轉(zhuǎn)矩性能變差

主要是由于低速時發(fā)動機排出的廢氣能量低，增壓器增壓壓力不高，致使循環(huán)供氣量不足，轉(zhuǎn)矩增量明顯比高速時低。采用脈沖增壓，充分利用低速時的脈沖能量，使增壓器與柴油機在較低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)最佳配合，以及采用低速氣門定時等，是可以改善其低速轉(zhuǎn)矩的。3.加速性能變差

由于廢氣渦輪增壓器與內(nèi)燃機沒有機械聯(lián)系，增壓器自身的慣性使其對突變負(fù)荷的響應(yīng)能力變差，因此，增壓內(nèi)燃機的加速性能比非增壓內(nèi)燃機的差。為了改善加速性能，可以采用脈沖增壓系統(tǒng)，減少進(jìn)、排氣管道容積，采用放氣調(diào)節(jié)或可變噴嘴，減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，采用較小的氣門重疊角等。另外．利用車輛上空氣制動系統(tǒng)的高壓空氣向壓氣機工作輪進(jìn)行噴射．目前三十四頁\總數(shù)三十六頁\編于十二點4.起動與制動有一定困難

柴油機起動時，因無高溫廢氣，渦輪機無法正常工作，壓氣機也就不能正常供氣。增壓柴