汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理廢氣渦輪增壓

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課件廢氣渦輪增壓1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法可由下列公式給出：第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓概述而1、改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如增加氣缸數(shù)i，增大氣缸直徑D、活塞行程S和減少?zèng)_程數(shù)τ等。

受到重量、體積、安裝等條件的限制。

式中：為過量空氣系數(shù)；為進(jìn)氣密度。2第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用增壓器將空氣或可燃混合氣壓縮后送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。定義：2、提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm。3、提高發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力pme。

受到充量系數(shù)ηv、ηm和機(jī)械強(qiáng)度、使用壽命、噪音等的限制。

具體可通過減少過量空氣系數(shù)φa、提高充量系數(shù)ηv和進(jìn)氣密度ρs來實(shí)現(xiàn)。二、進(jìn)氣增壓：

增大每循環(huán)進(jìn)入氣缸新鮮氣體的密度，使實(shí)際充量增大，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。作用：3第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比，用來表示增壓強(qiáng)度。

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后增加的功率與增壓前功率之比，用來表示增壓后功率提高的程度。1、增壓度：

式中：為增壓后功率；為增壓前功率。

一般車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓度在10%-60%的范圍內(nèi)。2、增壓比：

式中：為增壓后氣體壓力；為增壓前氣體壓力。4第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）按增壓度來分：3、增壓的種類：低增壓：中增壓：高增壓：超高增壓：5第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）按增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分：A、機(jī)械增壓：特點(diǎn)：缺點(diǎn)：

壓氣機(jī)由曲軸通過傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)。pk不宜過大（160-170kPa)，否則會使比油耗上升。6第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月B、廢氣渦輪增壓：

利用排氣推動(dòng)渦輪，帶動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣。原理：

充分利用廢氣能量，可提高功率30%-50%，降低油耗5%（增壓度通常在3-5，若要提高則需采用多級串聯(lián)）。特點(diǎn)：7第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月C、復(fù)合增壓：Charge-AirCoolerExhaustReservoirAirReservoirAirrestrictorresp.Valve

TurbochargerInjectionValvesIntakeManifoldThrottleMechanicalSuperchargerEnvironmentAirFilterMufflerCatalystWastegateExhaustManifoldCylinderConnection8第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月D、氣波增壓：

曲軸驅(qū)動(dòng)一個(gè)特殊轉(zhuǎn)子，利用高壓廢氣脈沖迫使空氣被壓縮，從而提高進(jìn)氣壓力。原理：

結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，低速轉(zhuǎn)矩性能好；但體積大、噪音大，且易受進(jìn)、排氣阻力的影響。特點(diǎn)：9第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、廢氣渦輪增壓與其他增壓方式相比優(yōu)點(diǎn)有：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無須做重大改變，且增壓器體積小、重量輕，且易實(shí)現(xiàn)高增壓；

（2）由于驅(qū)動(dòng)能量來自廢氣，相對減少了機(jī)械損失（泵氣損失）和熱損失，提高了機(jī)械效率和熱效率（油耗降低5%-10%）；

（3）能降低排氣噪音和煙度；

（1）增加了進(jìn)、排管路，使加速反應(yīng)滯后；

（2）熱復(fù)合嚴(yán)重，對大氣溫度和排氣背壓敏感；缺點(diǎn)有：10第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)廢氣渦輪增壓器基本

結(jié)構(gòu)和工作原理一、基本結(jié)構(gòu)：后處理系統(tǒng)廢氣渦輪11第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、徑流式廢氣渦輪：噴嘴葉片環(huán)工作葉輪渦輪殼廢氣入口廢氣出口1、渦輪的結(jié)構(gòu)：噴嘴葉片環(huán)工作葉輪渦輪殼2、渦輪的作用：

將廢氣中的能量盡可能多的轉(zhuǎn)變成推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械功。徑流式廢氣渦輪結(jié)構(gòu)12第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、渦輪的工作過程（原理）：徑流式廢氣渦輪工作簡圖c0c1c2crp0p1p2prT0T1T2Tr（1）廢氣進(jìn)入渦輪殼道（2）廢氣壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能（噴嘴葉片環(huán)）（3）動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能（工作葉輪）

可見，經(jīng)過渦輪后，廢氣中的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。沖動(dòng)力矩反動(dòng)力矩13第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、渦輪特性：

廢氣能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的有效程度，即渦輪獲得的軸功與廢氣總能量之比（一般為0.65-0.85）。（1）渦輪效率：廢氣從渦輪入口狀態(tài)到出口狀態(tài)的總焓降

渦輪進(jìn)口氣體滯止壓力與出口氣體靜壓力之比，反映廢氣在渦輪中作功能力的大小。（2）膨脹比：表示流動(dòng)工質(zhì)所具有的能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量H=U+pV流動(dòng)內(nèi)能+推動(dòng)功*滯止參數(shù)是指氣流在某一斷面的流速設(shè)想以無摩擦的絕熱過程（即等熵過程）降低為零時(shí)，該斷面上的其它參數(shù)所達(dá)到的數(shù)值14第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相等（幾萬-十幾萬轉(zhuǎn)）。（4）渦輪轉(zhuǎn)速n：相似轉(zhuǎn)速：

式中：為滯止溫度。（3）質(zhì)量流量：相似流量：

式中：為滯止溫度；為滯止壓力。渦輪發(fā)出的功率：單位時(shí)間通過渦輪的氣體質(zhì)量。入口狀態(tài)到出口狀態(tài)的總焓降入口狀態(tài)到出口狀態(tài)的總焓降15第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）渦輪特性曲線：0.60.81.01.00.80a、轉(zhuǎn)速一定時(shí)，膨脹比↑，流量↑；b、膨脹比一定時(shí)，轉(zhuǎn)速↑，效率↓；膨脹比一定時(shí)，轉(zhuǎn)速↑，流量↓；c、流量不變時(shí)，轉(zhuǎn)速↑，膨脹比↑。渦輪特性曲線氣阻：流速達(dá)到聲速時(shí)，流量不再增加，易發(fā)生在噴嘴葉片環(huán)出口處。膨脹比相似轉(zhuǎn)速以相似流量為橫坐標(biāo)，膨脹比為縱坐標(biāo)，相似轉(zhuǎn)速為參變量的一組曲線流量能否一直增加？？膨脹比曲線效率曲線16第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、離心式壓氣機(jī)：1、壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)：2、壓氣機(jī)作用：空氣入口空氣出口外殼擴(kuò)壓器工作輪外殼

利用渦輪產(chǎn)生的機(jī)械能壓縮空氣，使進(jìn)氣壓力增大。工作輪擴(kuò)壓器離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)17第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、壓氣機(jī)的工作原理：C空氣流速c1c2c3ckp0p1p2p3pkT0T1T2T3Tk離心式壓氣機(jī)工作過程（1）空氣被吸入進(jìn)氣管（2）機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓能與動(dòng)能（工作輪）（3）動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽〝U(kuò)壓器）（4）動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽さ溃┻M(jìn)氣道是漸縮流道18第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）增壓比4、壓氣機(jī)主要參數(shù)：（2）質(zhì)量流量（kg/s)和容積流量（m3/s)。壓氣機(jī)入口狀態(tài)下

1kg空氣絕熱壓縮功與實(shí)際壓縮功之比，表明壓氣機(jī)軸功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏脡嚎s功的程度（一般為0.6-0.8）。（3）壓氣機(jī)絕熱效率：入口出口伴隨各種損失的熵增過程伴隨摩擦和流動(dòng)損失，轉(zhuǎn)換成熱量19第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5、壓氣機(jī)特性曲線：（1）堵塞：

當(dāng)增大到一定程度時(shí)不再增大,汽車什么工況下易發(fā)生堵塞？外特性運(yùn)行線特性曲線的特點(diǎn)？兩條邊界問題同一轉(zhuǎn)速下，流速達(dá)到聲速原因？汽車外特性運(yùn)行線如何畫？20第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5、壓氣機(jī)特性曲線（續(xù)）：（2）喘振：

流量（流速）過小，造成氣流與壁面分離而產(chǎn)生渦流，引發(fā)強(qiáng)烈振蕩和倒流，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，危害設(shè)備安全。

所以，離心式壓氣機(jī)的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速高堵塞，轉(zhuǎn)速低喘振。汽車什么工況下易發(fā)生喘振？外特性運(yùn)行線從外特性運(yùn)行線觀察21第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）遲滯問題6、廢氣渦輪增壓器存在的其它問題Time[s]產(chǎn)生遲滯的原因？22第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）控制問題23第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月壓氣機(jī)特性曲線決定了在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中要做什么工作？壓氣機(jī)過小產(chǎn)生什么問題？壓氣機(jī)過大產(chǎn)生什么問題？Volumeflowrate[m3/s]Pressureratiop2/p1[-]TurboDISITurboPFISurgeLineCompressorSpeedLimit離喘振線太近（增壓器太大）性能不達(dá)標(biāo)喘振、遲滯增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配工作24第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)廢氣渦輪增壓的類型一、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的基本類型：定壓增壓系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)25第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月定壓增壓與脈沖增壓的特點(diǎn)：1、廢氣能量利用率：2、掃氣效果：3、加速性：

脈沖式排氣容積小，因而廢氣壓力能迅速建立，響應(yīng)負(fù)荷的變化；

脈沖式可利用排氣動(dòng)力效應(yīng)提高掃氣效果，增加充量；

脈沖式利用率高，但隨著增壓比提高，兩者的差別逐漸縮小；4、結(jié)構(gòu)：

脈沖式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。車用脈沖增壓管路連接定壓增壓管路連接26第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、改善車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的途徑：

改善的目標(biāo)：1、進(jìn)氣旁通：

原理：將部分壓縮空氣回流，重新排到大氣中去，適當(dāng)降低進(jìn)氣壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不致過高。

低速要有較高增壓壓力，確保良好的低速扭矩特性；高速防止超速，避免熱負(fù)荷過高。27第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、排氣旁通：帶旁通閥的渦輪增壓系統(tǒng)

原理：將部分廢氣直接排入大氣，適當(dāng)降低渦輪及壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，使增壓壓力控制在允許范圍內(nèi)。排氣旁通閥28第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、雙渦殼通道渦輪：

原理：低速時(shí)使用一個(gè)進(jìn)氣通道，增加廢氣流速；高速時(shí)使用兩個(gè)通道，適當(dāng)降低氣流流速，從而將增壓器轉(zhuǎn)速保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。29第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、可變截面渦輪：截面調(diào)節(jié)板（舌片）低速高速

原理：低速、低負(fù)荷時(shí)使渦輪流通截面變小，增大氣流速度；高速、大負(fù)荷時(shí)增大渦輪流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。30第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5、可變噴嘴環(huán)：

原理：低速、低負(fù)荷時(shí)使噴嘴葉片環(huán)流通截面變小，增大氣流速度；高速、高負(fù)荷時(shí)增大流通截面，適當(dāng)降低廢氣流流速。導(dǎo)流葉片的開度能夠影響導(dǎo)向渦輪葉片的氣流速度，低轉(zhuǎn)速時(shí)開度小（左圖），提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時(shí)開度大（右圖），減小排氣負(fù)壓31第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)汽油機(jī)增壓概述一、汽油機(jī)增壓需考慮的關(guān)鍵性問題：1、爆燃（爆震）：2、熱負(fù)荷：3、苛刻要求：

隨著壓縮終點(diǎn)壓力、溫度以及零件熱負(fù)荷的升高，爆震傾向加大。

汽油機(jī)燃燒溫度高、排氣溫度高，進(jìn)氣增壓后又不能像柴油機(jī)那樣利用大的氣門重疊角來加強(qiáng)掃氣效果，因而熱負(fù)荷將更加嚴(yán)重。

要有寬廣的工作范圍；耐熱性要好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要?。w積小、質(zhì)量輕）。32第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、改善汽油機(jī)增壓性能的主要措施：1、降低壓縮終點(diǎn)的壓力和溫度：2、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高）

進(jìn)氣中冷、缸內(nèi)噴水、降低壓縮比。

式中：為增壓前壓縮比；為增壓后進(jìn)氣壓力；為增壓前進(jìn)氣壓力。

增壓后的壓縮比可按下式進(jìn)行計(jì)算：33第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、增加增壓壓力控制系統(tǒng)：

使其在寬廣的轉(zhuǎn)速和流量變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作（如進(jìn)、排氣旁通等）。4、減小增壓后的“加速滯后”現(xiàn)象：

采用脈沖增壓、減小進(jìn)排氣管長度、增壓器前置（節(jié)氣門之前）、提高壓縮比等措施。5、點(diǎn)火提前角的調(diào)整：

根據(jù)爆震傳感器信號，適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角。6、燃油供給的調(diào)整：

供油壓力要能隨增壓壓力變化而自動(dòng)調(diào)整（增壓壓力過高時(shí)能適當(dāng)減少供油量）。34第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

提高廢氣能量的利用對改善渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要意義。燃料燃燒所釋的總熱量中，廢氣占25%以上，廢氣能量可用度達(dá)到60%。充分利用廢氣能量，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的重要途徑。第五節(jié)廢氣能量的利用

廢氣渦輪增壓系統(tǒng)就是通過柴油機(jī)的廢氣來驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器工作。下面以四沖程增壓柴油機(jī)的理論示功圖分析柴油機(jī)廢氣中渦輪增壓器可利用的能量。一、廢氣的最大可用能35第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2為壓氣機(jī)的進(jìn)氣過程2-a為壓氣機(jī)絕熱壓縮過程a-c為柴油機(jī)絕熱壓縮過程c-z為柴油機(jī)等容燃燒過程z-z′為等壓燃燒過程z′-b為柴油機(jī)絕熱膨脹過程b-4為等容排氣過程4-5為等壓排氣過程5-4-T′為廢氣渦輪的進(jìn)氣過程k′-2-1為渦輪排氣過程。進(jìn)氣壓力排氣壓力大氣壓力壓氣機(jī)進(jìn)氣過程壓氣機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)燃燒過程柴油機(jī)膨脹過程等壓排氣過程廢氣的能量分成兩部分：一部分是廢氣由壓力Pb膨脹到PT的膨脹能E1，是一種脈沖能，在排氣管中以壓力波的形式出現(xiàn)；另一部分是廢氣由壓力PT膨脹到P0的膨脹能ET，稱為定壓能定壓增壓系統(tǒng)：渦輪入口處的壓力基本不變36第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2-a-3-1壓氣機(jī)耗功，壓氣機(jī)消耗的總能量8-2-a-6-8為進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸并留在氣缸內(nèi)的空氣壓縮耗功1-8-6-3-1為掃氣壓縮耗功6-7-4-a-6為柴油機(jī)泵吸正功b-9-K′-b為排氣門打開時(shí)廢氣等熵膨脹至大氣壓力時(shí)所作的功，Eb表示b-4-T′-b為廢氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣支管中自由膨脹損失能量，用E1表示4-9-K′-T′-4為廢氣在渦輪中膨脹回收的能量，用ET表示。進(jìn)氣壓力排氣壓力大氣壓力壓氣機(jī)進(jìn)氣過程壓氣機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)燃燒過程柴油機(jī)膨脹過程等壓排氣過程T′恒壓渦輪前的燃?xì)鈪?shù)，氣缸中的燃?xì)饨?jīng)排氣閥節(jié)流和排氣支管中自由膨脹大PT所產(chǎn)生的結(jié)果37第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1-K-T-5-l為渦輪中廢氣總能量，用E2表示，由四部分組成：

l-8-7-5-1為掃氣空氣進(jìn)入渦輪后具有的能量，用Es′表示；

8-9-4-7-8為活塞廢氣推出功，用Ec表示；還有ET廢氣在渦輪中的膨脹功

K′-K-T-T′為E1中的一小部分，用Eq表示。進(jìn)氣壓力排氣壓力大氣壓力壓氣機(jī)進(jìn)氣過程壓氣機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)燃燒過程柴油機(jī)膨脹過程等壓排氣過程4-b-T’中回收的一小部分熱能，加熱排氣，排氣溫度從T‘提高至T38第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

廢氣的最大可用能E：進(jìn)氣壓力排氣壓力大氣壓力壓氣機(jī)進(jìn)氣過程壓氣機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)絕熱壓縮過程柴油機(jī)燃燒過程柴油機(jī)膨脹過程等壓排氣過程E=Eb+EC+ES=E1+ET+EC+ES

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P0所作的功，即Eb=E1+ET②活塞推出廢氣，廢氣得到的能量Ec③掃氣空氣所具有的能量為ES

E″S為面積5-7-6-3-5所代表的掃氣空氣經(jīng)進(jìn)、排氣門的節(jié)流損失。39第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年