废气涡轮增压

废气涡轮增压

Yuning

目录

Ⅰ、基础知识：

一、增压的可行性及特点

二、增压的衡量指标

三、发动机增压的种类

Ⅱ、废气涡轮增压

一、理论基础

（一）废气能量的利用

（二）增压空气的中冷

二、压气机构造

三、离心式压气机工作原理

四、离心式压气机工作特性

五、涡轮机构造与工作原理

Ⅲ、增压的特点及与内燃机匹配

一、对车用增压器的要求

二、增压器与内燃机的匹配

Ⅳ、车用内燃机增压的特殊问题及改善措施

一、车用内燃机增压的特殊问题

二、增压内燃机优化措施

Ⅰ、基础知识：

一、增压的可行性及特点

内燃机的有效功率为：

式中:P me——平均有效压力(kPa)；

Vs——工作容积(m³)；

i——内燃机全缸数；

n——内燃机转速(r／min)；

τ——冲程数。

要提高内燃机的单机功率，可通过提高内燃机的平均有效压力P me来实现。要提高平均有效压力P me，通过控制过量空气系数，提高充气效率和增加进入气缸的充气密度，可以实现提高内燃机的动力性。

内燃机采用进气增压，就是提高进入气缸的充量密度的有效途径，使进入气缸的新鲜气量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高有效功率。

增压技术在柴油机上得到了广泛的应用，汽油机增压的许多问题也已经得到了成功的解决。增压发动的特点是：

1)功率相同时，发动机的空间尺寸减小，重量轻，对于提高发动机的经济性更有意义。

2)在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压发动机的工况更接近最大效率设计工况点。

3)通过增压器的合理设计，可以将转短特性改进为低速高转矩，这对车用内燃机很有利。

4)随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降(海拔每上升1000m功率下降10％)，可通过增压来弥补。

5)通过增压可以使排放降低。对于增压汽油机，通过最合适的燃烧室形状设计和在涡轮机内的后燃，可以降低HC值；在低负荷范围可降低NOx，当然在高负荷时NOx会有所升高。对于柴油机，增压后NOx略有上升，但由于空气过量，烟度有所下降。

6)降低噪声。柴油机增压后，由于混合器工作温度升高，着火延迟期缩短，燃烧过程变得柔和，对直喷式柴油机更为有利。另外，通过换气管内的波动削平和消声，也使噪声减小；

表面辐射噪声也有所下降。

7)经济性得到改善。由于增压后平均有效压力提高，机械损失相对减少，在高负荷区，机械效率得到提高；在低负荷区，由于进、排气阻力和换气损失增加，经济性受到影响。在相同功率时，增压机比非增压机的排量要小，机械损失也相对减小。因此，增压机比非增压机的比油耗要小、等油耗的经济运行区扩大；另一方面，排量不变时降低转速，机械损失也减小，热效率得到提高。

8)增压机的主要零部件的机械负荷和热负荷增加。

二、增压的衡量指标

衡量指标主要有增压度和增压比。

1、增压度

增压度φ是指内燃机在增压后的标定功率和增压前的标定功率的差值，与增压前标定功率的比值。增压度表明增压后功率增加的程度。

式中—增压后、增压前的标定功率。

增压度取决于所采用的增压系统，采用中冷可使增压度提高。汽油机的增压度受到爆燃的限制。柴油机的增压度受燃烧最高压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。

现代四冲程柴油机的增压度可达3以上，而车用柴油机的增压度不高，一般只有0.1—0.6左右。因为车用柴油机要同时考虑车辆的动力性、经济性、排放和成本等多方面要求。

2、增压比

增压比是指增压器出口压力与环境条件下大气压力(或增压器进口压力)的比值，简称压比，用表示。

式中—增压器出口压力；

一环境条件下大气压力。

通常<0.15MPa为低增压；0.15MP<<0.25MPa为中增压；0.25MPa<<0.35MPa，

>0.35MPa为超高增压。

三、发动机增压的种类

按增压的工作原理，内燃机增压可分为：机械式增压、容积式(进气管)增压、气波增压、废气涡轮增压及复合增压。

Ⅱ、废气涡轮增压

废气涡轮增压在1905年由瑞士人(Bechi)提出，

20世纪20年代开始用于柴油机。近年来，汽油机增

压也颇受重视，应用增多。

一、理论基础

1、废气能量的利用

为了说明四行程汽油机废气能量利用情况，将其

理论示功图表示在图右上。图中3—a为吸气过程，

进气压力为入；a-c-z-b是压缩、燃烧、膨胀过程；

b—5—4是排气过程，由于废气涡轮的存在，排气背压为；2-3-a-0为压缩进入气缸所需

之能量，由于3-a-5-4为充量更换正功；i—g’—3—2为压缩扫气空气所需之能量，故压气机消耗的总能量为i-g’-a-o。

在发动机排气门打开时，气缸中燃气状态为b如果让这些燃气在理想的内燃机或涡轮机中不出现任何损失的完全膨胀到大气压力时，燃气所具有最大作功能力为1-b-f (示功图上面积)它就是理论上有可能从废气中取得并用以作功的最大能量。

废气能量的利用与增压系统的型式有关，一般废气涡轮增压型有恒压增压系统和变压增压系统(也称脉冲增压系统)两种型式。

废气的全部能量E可以分为两个部分：一部分为气缸内气体由压力膨胀到涡轮前气体压力的膨胀能，对应面积为5-b-e-5。另一部分是气体在涡轮内由压力膨胀到大气压力的膨胀能互，对应面积为e-f-i-g-e，其中包括i-g-4-2-i面积所表示的扫气空气在涡轮中所作的功。

对于恒压增压系统是使所有气缸的废气进入一个容量足够大的排气总管，以维持管中恒定的压力，见图。现在分析一下在恒压增压系统中涡轮作功的能量来源。

根据上述分析，涡轮作功来源由三个部分组成：1)面积i-g-4-2是扫气空气所给予的；

2)面积2-4-5-1是活塞推出废气所作的功；3)真正从废气中取得的能量为面积1-5-e-f；因此，废气所拥有的可用能量为1-b-f，而对恒压增压系统中面积为5-b-e-5的可用能量损失掉了。这是因为废气从气缸流入大容量的排气总管时，排气门处产生节流、涡流等损失。如

果排气管处在绝热的情况下，则动能的一部分转变为热能，使废气的容积增加了ΔV（e →e’）同时涡轮前的温度升高，这样涡轮功的面积将增加一个e-e’-f’-f，这就是从损失5-b-e中的复热回收部分。越高，则复热回收的比例越大。

变压增压系统是把排气系统的容积作的尽量小，使压力脉冲和动能损失尽量小。为此，可用一个涡轮或几个祸轮，安装在尽量靠近相应的气缸，同时把多缸机的排气管分作几个单独的支管以排除气缸排气的相互干扰，这时除可利用定压废气能量外，还可利用的一部分。这是因为排气容积小且变化小，节流损失小。另外排气管截面较细，管中流速较高，部分动能也可以在涡轮中加以利用。通常用表征脉冲增压较恒压增压可多利用的废气能量程度，则