第六章車用發(fā)動機的廢氣渦輪增壓概述

第一節(jié)發(fā)動機增壓概述一、增壓的基本概念定義：利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。作用：增加每循環(huán)進入氣缸的新鮮充量密度，使實際充量增加，從而達到提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性的目的。提高發(fā)動機單機功率的方法，根據(jù)[kw]1.改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)—缸數(shù)i，缸徑D，沖程S,沖程數(shù);（受安裝位置和自重的嚴(yán)格限制）2提高轉(zhuǎn)速n及活塞平均運行速度Cm;

（充氣效率和機械效率下降、燃料經(jīng)濟性、發(fā)動機運轉(zhuǎn)可靠性、機件壽命、噪聲限制）3提高平均有效壓力Pe。（最經(jīng)濟有效的方法）

增壓γkPe

Ne其中γk

—充量密度。特性參數(shù)（一）增壓比由公式因為增壓比：增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比，即πk=Pk/P0。代入上式

而平均有效壓力

代入上式,得未增壓時發(fā)動機功率的分析式增壓后,空氣密度由未增壓時的大氣密度變?yōu)樵鰤汉蟮拿芏?/p>

代入上式,得到增壓后的發(fā)動機功率分析式

增壓空氣在增壓器中壓縮是按多變過程進行的。

增壓后—

增壓前—

假定多變指數(shù)n=2,則時,才

壓力增長很多而密度增大不多。這主要是因為增壓后溫度會升高的緣故,若增壓后溫度不變,則與p成線性關(guān)系。

則

若在整個增壓過程中,下降或保持為某一常數(shù),則

const，此時

與成正比。

通常,為了不使過高,在增壓器與發(fā)動機之間設(shè)置一個中冷器,對增壓后的空氣進行冷卻,稱為中間冷卻。（二）增壓度增壓度：指發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。Ne-0、Ne-k——分別為增壓前、后的功率。目前車用：10%-60%范圍內(nèi)，大部分20%-30%二、增壓的分類1．按增壓比分類πkPe（kP)低增壓1.3~1.6700~1000中增壓1.6~2.51000~1500高增壓〉2.51500超高增壓〉3.52．按增壓系統(tǒng)的機構(gòu)分類1）機械增壓系統(tǒng)

2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)3）復(fù)合式發(fā)動機4）組合式渦輪增壓系統(tǒng)5）氣波增壓系統(tǒng)第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的工作原理車用渦輪增壓器由離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三部分組成雙渦輪增壓系統(tǒng)示意1-空氣濾清器2一進氣旁通閥3一中冷器4一諧振室5一增壓壓力傳感器6一進氣管7一噴油器‘8一火花塞9一渦輪增壓器10一排氣旁通閥11一排氣旁通閥控制裝置12一排氣管單渦輪增壓系統(tǒng)示意圖l一進氣旁通閥2一節(jié)氣門3一進氣管4一空氣濾清器5一空氣流量計6一壓氣機7一渦輪機8一催化轉(zhuǎn)換器9～排氣旁通閥10一排氣旁通閥控制裝置11一排氣管汽車用渦輪增壓器結(jié)構(gòu)1一壓氣機蝸殼2一無葉式擴壓管3一壓氣機葉輪4一密封套5一增壓器軸6一進氣道7一推力軸承8一擋油板9一浮動軸承1O一渦輪機葉輪11一出氣道12一隔熱板13一渦輪機蝸殼14一中間體一、離心式壓氣機的工作原理與特性1．基本工作原理和主要參數(shù)離心式壓氣機一般由進氣道1、工作輪2、擴壓器3及出氣蝸殼所組成。壓氣機的主要參數(shù)為：（1）空氣的增壓比πk=Pk/P0；（2）流經(jīng)壓氣機的空氣每秒質(zhì)量mk（kg/s）或容積流量V0（m3/s）（相應(yīng)于壓氣機的進口狀態(tài)）；（3）壓氣機轉(zhuǎn)速nk；（4）壓氣機的絕熱效率ηad-k；

ηad-k：1kg空氣的絕熱壓縮功had-k與實際壓縮功hk之比。（5）壓氣機功率。2．壓氣機特性曲線（1）流量特性：表示在壓氣機轉(zhuǎn)速不變時，壓氣機的增壓比πk和絕熱效率ηad-k隨空氣流量mk（或V0）的變化關(guān)系。（2）壓氣機的喘振與堵塞在壓氣機的特性曲線上有一條喘振線，又稱為穩(wěn)定工作邊界。含義：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，壓氣機的功作就變得不穩(wěn)定甚至有危險了。因此，把出現(xiàn)喘振的工作點稱為喘振點，對應(yīng)的流量就是喘振流量。喘振是離心式葉輪機械所特有的一種異常工作現(xiàn)象。堵塞：在某一增壓器轉(zhuǎn)速下，通過壓氣機的氣體流量隨增壓比的降低而增加。當(dāng)流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機通道中的某個截面達到臨界條件。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。3．通用特性流量折合成標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的參數(shù)值。二、徑流式渦輪機的工作原理與特性1．基本工作原理2．渦輪機特性曲線（1）渦輪效率ηT：渦輪將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械功的有效程度，即ηT＝ＷＴ／ｈＴ式中：ＷＴ——渦輪機軸上的有用功（Ｊ／ｋｇ廢氣）；ｈＴ——１ｋｇ廢氣所具有的能量，可以用焓降表示（Ｊ／ｋｇ廢氣）（２）膨脹比πＴ代表氣體在渦輪中具有做功能力的重要參數(shù)，定義為渦輪進口氣滯止壓力ＰＴ＊與渦輪出口氣體靜壓力Ｐ０′之比，即

πＴ＝ＰＴ＊／Ｐ０′（３）氣體質(zhì)量流量單位時間內(nèi)通過渦輪的氣體在渦輪的氣體質(zhì)量稱為渦輪的氣體流量。（４）渦輪轉(zhuǎn)速ｎ渦輪機所發(fā)出的功率為

現(xiàn)代廢氣渦輪增壓器的渦輪機效率ηＴ＝０．６５～０．８５3.增壓壓力的調(diào)節(jié)

在渦輪增壓系統(tǒng)中都設(shè)有進氣旁通閥和排氣旁通閥，用以控制增壓壓力。排氣旁通閥及其控制裝置在增壓器上的安裝位置如圖所示。排氣旁通閥及其控制裝置的安裝位置1一控制膜盒2一連動桿3一排氣旁通閥4一排氣管5一渦輪機葉輪6一渦輪機蝸殼7一增壓器軸8一中間體9一壓氣機蝸殼10一壓氣機葉輪11一連通管4.渦輪增壓器的潤滑及冷卻來自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道的機油，經(jīng)增壓器中間體上的機油進口1進人增壓器，潤滑和冷卻增壓器軸和軸承。然后，機油經(jīng)中間體上的機油出口2返回發(fā)動機油底殼渦輪增壓器的潤滑油路及冷卻水套1一機油進口2一機油出口3一冷卻液進H4一冷卻水套5一冷卻液出口第三節(jié)廢氣渦輪增壓對發(fā)動機功率和經(jīng)濟性的影響一、增壓提高了空氣的密度增壓器的壓氣機把空氣從狀態(tài)“0”壓縮到狀態(tài)“k”所發(fā)生的密度變化，根據(jù)狀態(tài)方程可寫為二、對指示效率的影響

表示Pk增加以后，供油系統(tǒng)保持不變，供油提前角也不變，保持θ=30°的情況，由于增壓后要求增加每循環(huán)的供油量，為此加大供油持續(xù)角，使膨脹沖程后燃增加，傳導(dǎo)給冷卻水和廢氣中的熱量增大，從而使指示效率下降。

保持供油系統(tǒng)不變，加大供油提前角，使壓力升高比為常數(shù)是的試驗結(jié)果，此時指示效率隨Pk的增加而下降，但由于后燃減少，指示效率下降幅度較小。

改變供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如改變凸輪型線，加大柱塞直徑，增大供油速率等，使供油持續(xù)角保持不變，并且調(diào)整供油提前角，使壓升比為常數(shù)，指示效率反而提高。三、對充氣效率的影響充氣效率隨增壓壓力的增加略有提高，但不明顯。充氣效率隨Tk的增加而提高，可用下式近視計算：四、對機械效率的影響發(fā)動機采用渦輪增壓后，平均機械損失壓力Pm從絕對值來看有所增大，但相對于因增壓后而大幅度提高平均指示壓力Pi而言，Pm/Pi比值卻減小了，機械效率得到了提高?，F(xiàn)代增壓柴油機的機械效率在以下范圍：增壓四沖程柴油機0.80~0.90非增壓四沖程柴油機0.75~0.85增壓二沖程柴油機0.75~0.85非增壓二沖程柴油機0.70~0.80第四節(jié)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式兩種基本形式恒壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)恒壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較和選擇1）脈沖系統(tǒng)由于部分利用了廢氣的脈沖能量，所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。2）脈沖增壓系統(tǒng)對氣缸中掃氣有明顯好處。脈沖系統(tǒng)的PT正處于波谷，因此即使在低增壓和高增壓的部分負(fù)荷工況，仍能保持有足夠的掃氣壓力差PK-PT，保證氣缸內(nèi)良好的掃氣。而在恒壓系統(tǒng)中由于PT波動小，掃氣壓力差就大為減小，不容易保證氣缸的掃氣。3）在脈沖系統(tǒng)中，由于排氣管容積小，當(dāng)柴油機負(fù)荷改變時，排氣的壓力波立刻發(fā)生變化，并迅速傳遞到渦輪機，引起增壓器轉(zhuǎn)速較快的變動，所以脈沖系統(tǒng)的加速性能好。４）從廢氣渦輪的效率來看，脈沖系統(tǒng)的渦輪平均絕熱效率比恒壓系統(tǒng)的略低。５）脈沖系統(tǒng)的廢氣瞬時流量也是周期性變化的，其瞬時最大流量比恒壓系統(tǒng)的流量（相當(dāng)于脈沖系統(tǒng)的平均流量）大，因此，脈沖渦輪的尺寸較大。其排氣管的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，受每根排氣管聯(lián)接氣缸數(shù)目的限制，在一臺柴油機上有時不得不采用幾個廢氣渦輪增壓器，這就使得整個增壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，柴油機的輪廓尺寸加大。

綜上：在低增壓時，采用脈沖渦輪增壓較為有利。而在高增壓是則宜采用恒壓渦輪增壓。但考慮到車用柴油機大部分時間在部分負(fù)荷（增壓壓力較低）下工作，對其轉(zhuǎn)矩特性、加速性能要求比較高，即使是在高增壓的車用柴油機上仍常采用脈沖增壓系統(tǒng)。第五節(jié)廢氣渦輪增壓柴油機的特點和性能一、特點1．主要參數(shù)的選取適當(dāng)降低壓縮比適當(dāng)加大過量空氣系數(shù)2．供油系統(tǒng)增加每循環(huán)的供油量：方法：增大柱塞直徑，增加供油速率（噴油泵凸輪輪廓線較陡），提高噴油壓力以及加大噴油嘴噴孔直徑等。減小供油提前角：供油系統(tǒng)材料、流通面積：3．配氣機構(gòu)采用較大的氣門重疊角，即增加進氣門的開啟提前角和排氣門的關(guān)閉遲后角，利用活塞在上止點附近Pk和PT的壓力差進行掃氣。加大進排氣門升程：4．進排氣系統(tǒng)在脈沖系統(tǒng)中，為了使掃氣期間各缸的排氣不互相干擾，因此排氣管必須分支。分支的原則是一根排氣管所連各缸排氣必須不相重疊（或重疊很少）。增壓柴油機的排氣管承受的熱負(fù)荷很高，排氣管開裂是常見的故障。增壓柴油機的進氣管容積希望盡可能大一些，以減少進氣壓力的脈動，從而提高壓氣機效率和改善發(fā)動機性能?？諡V也應(yīng)相應(yīng)增大，以免壓氣機進口壓力損失過大，引起柴油機性能惡化。5．冷卻增壓空氣將增壓器出口的增壓空氣加以冷卻，一方面可以提高充氣密度，從而提高柴油機功率；另一方面也可以降低柴油機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度，從而降低柴油機的熱負(fù)荷和排氣溫度。冷卻增壓空氣的方法，一般是用水和空氣在中間冷卻氣中進行間接冷卻。在低增壓時沒有必要設(shè)置中間冷卻器。二、性能1．低速轉(zhuǎn)矩性能變化2．加速性能變差3．經(jīng)濟性有所改善4．降低了排氣污染及噪聲5．起動和制動有一定困難柴油機起動時，無高溫排氣，渦輪機無法工作，壓氣機也不能供氣。增壓柴油機在起動瞬時的進氣壓力及溫度均不高，加之壓縮比較低，起動時壓縮終點的溫度降低，造成著火與起動的困難。非增壓柴油機，其制動力與氣缸排量成正比。但增壓柴油機的升功率高，因此按增壓后功率配置的制動力就不足。為此，使用內(nèi)燃機制動時借助自動裝置，在活塞壓縮行程終了時將排氣門打開，這樣就減去了氣體膨脹功，而增大了內(nèi)燃機的制動力。第六節(jié)廢氣渦輪增壓器與四沖程柴油機的特性配合一、柴油機用渦輪增壓器型號的編制原則（GB727-65）6DJ——表示在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，供氣量為600m3的低增壓徑流式增壓器。二、渦輪增壓器的選用——特性匹配１）根據(jù)柴油機的特定工況（如額定工況或最大轉(zhuǎn)矩工況）確定其在壓氣機特性曲線上的位置（即根據(jù)內(nèi)燃機選用合適型號的增壓器）；２）解決柴油機在整個運行區(qū)實現(xiàn)良好的配合。選用的依據(jù)：廢氣渦輪增壓器制造廠均提供壓氣機的特性和渦輪機的特性等技術(shù)資料。根據(jù)柴油機特定工況時所需的空氣流量（包括掃氣空氣量）及壓比，就可以判斷該工況在某一壓氣機特性曲線上的位置，若該點落在壓氣機特性曲線的高效率區(qū)，即可初步選定增壓器型號。渦輪增壓器有一個大致確定的工作范圍根據(jù)與柴油機聯(lián)合運行的位置，可以判斷增壓器與柴油機的配合是否良好。如果聯(lián)合運行線與壓氣機特性曲線配合不夠理想，則需要進行局部調(diào)整。方法是改變渦輪噴嘴環(huán)出口截面積，或改變壓氣機通道截面積。減少噴嘴環(huán)出口截面積可以使聯(lián)合運行線從壓氣機低效率區(qū)移向高效率區(qū)。但調(diào)整有限，如果相差很遠，只能以更換增壓器型號為宜。第七節(jié)汽油機增壓當(dāng)前汽油機渦輪增壓有兩種發(fā)展類型１）化油器式汽油機渦輪增壓器。２）電控汽油直接噴射渦輪增壓型。一、汽油機渦輪增壓的特點1．增壓度較低。2．汽油機壓縮比較低（6-9）、過量空氣系數(shù)范圍也較窄（0.85-1.05），燃油經(jīng)濟性較差；3．汽油機不能用混合氣掃氣，故不能用加大掃氣來冷卻受熱零件，所以增壓熱負(fù)荷偏高；4．汽油機由于壓縮比低，故燃燒后的膨脹做功也不充分，所以汽油機排溫較高，對廢氣渦輪的耐熱強度就有更高要求；5．汽油機速度范圍較寬，功率和廢氣能量差別也很大，渦輪增壓器與汽油機的匹配較柴油機困難，對增壓器的性能有更高的要求。布置方案：前置方案：優(yōu)點：1）化油器安裝位置不變，化油器喉管流通截面也不用改變，混合氣流程短，原發(fā)動機改裝不至于困難；2）空氣在增壓其中壓縮后溫度升高，有利于化油器中燃料的汽化；3）汽油機回火不易損壞壓氣機葉輪；4）增壓器發(fā)生故障而不能運轉(zhuǎn)時，容易與汽油機脫開，恢復(fù)原機運行。缺點：1）化油器處在增壓壓力狀態(tài)下工作，必須嚴(yán)格密封，否則向外泄漏燃油；2）化油器的供油量對空氣密度變化不敏感，因此，在低增壓時混合氣過濃，而在高增壓時，混合氣又過稀?；旌蠚夂茈y隨工況變化而加以調(diào)整；3）供油系統(tǒng)比較復(fù)雜，汽油泵的供油壓力必須隨增壓壓力提高而增壓，供油量才能適應(yīng)增壓的要求。后置：優(yōu)點：1）化油器處于大氣狀