第三章 (第7次课)《发动机原理》

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荷增加。
3.4.2 废气涡轮增压器的能量回收 一 废气涡轮增压系统的原理
高速废气从排气门出来,推动排气涡轮快速转动,而排气涡 轮又带动进气压气机快速转动。随着压气机涡轮的转动,吸入 大量的新鲜空气,被加压后压入气缸。 进气歧管的升压过程被称为增压。
简单涡轮增 压系统的工 作原理
二 涡轮增压系统的基本类型
根据排气能量的利用方式分: 恒压涡轮增压系统、脉冲(变压)涡轮增压系统 1、恒压涡轮增压系统: 涡轮前的排气压力基本保持平衡。 特点:能量传递效率 较低、加速性差、转 矩特性差。 应用:大型柴油机
1、恒压涡轮增压系统:
能量回收:排气状态b下,废气最 大做功能力=面积b-f-1-b; 由b状态膨胀到涡轮入口(pT) 的能量=面积b-e-5-b ;
1 复合增压
机械增压+涡轮增压
2005年,大众开始将这套
技术装配到大量生产的民
用车型高尔夫1.4TSI上, 这套系统被称作“双增压
-Twincharger”。
1 复合增压

发动机在双增压器的作用下最大输出功率为125kW,最大 扭矩为240Nm。从0 至100km/h 只需7.9 秒。1.4L动力达 到2.5L发动机水平,但油耗却降低了20%,平均油耗只有 7.2L/100km。在1750rpm 就发出了最大扭矩240 Nm,并一 直到4500rpm。
• 豪华车代表车型有萨博9-3 2.0T、VOLVO S80 2.5T 和 VOLVO S80 2.9T6。
• 大众旗下的宝来1.8T、帕萨特1.8T 、奥迪A6/A41.8T。
优点: 利用了废气的能量。增压效率高于机械增压。 缺点:
1 涡轮迟滞是涡轮增压发动机面临的最大难题:启动时低速运 转,废气排量小,增压不能同步起效;
百度文库

常见的1.8T涡轮增压发动机,经过增压之后,动 力可以达到2.4L发动机的水平,但是耗油量略高 于1.8发动机。 增压是提高发动机强度的有效措施,也是发动机 在高原地区恢复功率的主要手段。
boost-increase the value
三、 发动机增压的类型
•按照驱动压气机的方式不同分: •机械增压--Supercharger •废气涡轮增压--Turbocharger •气波增压 •按增压器组合方式的不同分: • 复合增压
力能。
一 离心式压气机
1.增压比及绝热效率
增压比:压气机出口/入口压力之比,即 p2 b p0
压气机转速几万转~十几万转/min绝热
绝热效率:压气机工作效率
k 1 h2 s h0 T0 b ( b k 1) 0.70 ~ 0.85 h2 h0 T2 T0
表示:压气机实际消耗的机械功的有效利用程度
一 离心式压气机
忽略进气道内传热损失时,压气机所消耗的机
械功率为:
Pb qmbc p (T2 T0 )
qmbc pT0
b qmb:流通压气机的空气流 量
( b 1)
k 1 k
c p:空气的定压比热
结论:同等增压条件下,压气机绝热效率是减
二、 增压的目的
通过增加充气量,提升发动机动力(功率, 增大扭矩)和燃油经济性,同时减少发动机 有害废气排放量。 一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未 装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。
• 带“T”的轿车:排量后面加上一个T ,如宝 来的1.8T ,T就是代表着涡轮增压:TurboSupercharger 。
讨论
机械增压:低转速时扭力输出大,但是高转速时功率输出有
限(受发动机转速局限);
废气涡轮增压:高转速时功率输出强大,但低转速时力不从 心。
发动机的设计师们于是就设想把机械增 压和涡轮增压结合在一起,来解决两种技术 各自的不足,同时解决低速扭矩和高速功率 输出的问题。
二)按照增压器组合方式不同分
3与废气涡轮增压相比,没有排气背压,泵气损失小,排 气温度高,可以提高催化转换器的转换效率;
缺点:
由发动机曲轴带动,消耗了部分输出功,且功耗随着 增压比的升高而迅速提高。 适合于高速小功率的汽油机,增压压力Pb不能过高: Pb <0.160~0.170MPa
2 废气涡轮增压
结构原理 压气机与涡轮同轴相连, 构成涡轮增压器。涡轮在 排气能量的推动下旋转, 带动压气机工作,实现进 气增压。 广泛应用于柴油机。
1800~4000r/min; 故均设减速器和离合器
一级增压
有两个增压控制阀
二级增压
2 多(双)级增压联结方式: 双级直列增压:小型/大型增压器串联; 低速:小型增压器工作 切换阀 中高速:大型增压器
双级并列增压:
采用2个小型增 压器兼顾高低速
切换阀
避免各缸排气 干涉
四、 发动机增压的优缺点
• 双级增压
一)按照驱动压气机的方式不同分
1 机械增压 结构原理
•发动机曲轴直接驱动机械增压器的涡轮(转子), 对进气进行压缩。 •这种方式提出最早,但其优点与缺点同样突出。用 于小功率发动机。 •豪华车代表车型有奔驰C200K,发动机为直列四缸 1.8升的小型d级车,在2500rpm 时达最大扭矩230Nm, 综合油耗只有8.8L/100km。
结构特征:压气机的动力直接来源于发动机曲轴。
典型的机械增压系统
安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接,从发动 机输出轴获得动力来驱动增压器旋转。
优点:
1 机械增压器从发动机直接获得动力,所以介入直接, 油门响应迅速--无滞后(油门加大,增压同步起效);
2加速流畅,无迟滞和突然爆发。当发动机转速达到4000 转以上时,车子的推背感和加速性更为明显。
使排气直接迅速喷入涡轮机膨胀做功
减小节流损失。 为减小各缸排气中压力波的相互干扰; 将相邻发火气缸的排气支管互相隔开,使 同一根排气管内无其他缸同时排气现象。
脉冲增压较恒压增压有如下优缺点:
1)在废气能量利用上,脉冲增压好于恒压增压,但随着增 压压力提高其优点逐渐消失。 2)脉冲增压对气缸中扫气有明显优点,即使在部分负荷工 况下,也能保证气缸有良好扫气。 3)脉冲增压由于排气管容积小,当发动机负荷改变时,排 气压力波立刻发生变化并迅速传到涡轮,引起增压器转速较快 的变动,所以脉冲增压系统加速性能较好。 4)脉冲增压的平均绝热效率比恒定增压低,而且涡轮的尺 寸大、排气管结构复杂。 由上述可见,在低增压时采用脉冲涡轮增压较为有利。在 高增压时,一般来说宜采用恒定涡轮增压。考虑到汽车发动机 大部分时间是在部分负荷下工作,为了获得良好的低速扭矩特 性和加速性,即使在高增压时仍采用脉冲增压系统 。
2、脉冲(变压)涡轮增压系统:
结构:排气歧管短而细 涡轮在进气压力波动较大的条件下工作。
特点:对气缸扫 气有利、加速性 好、有局部气流 的撞击损失。
应用:中小型发
动机
2、脉冲(变压)涡轮增压系统:
目的:尽可能废气能量(b-e-5-b)的回收利用率。 特点:排气管设计成短而细;
=40%~50%
尽可能减小排气系统容积
在稳压箱内转化为热量加热废 气涡轮入口状态由e变为e`
实际推动涡轮工作的能量=面积2-4e`-f`-2 +面积 i-g-4-2(扫气)
1、定压涡轮增压系统
能量平衡:推动涡轮工作的能量涡轮机效率=涡
轮机推动压气机做功所消耗的能量。
面积 (i g e f )T WT 压气机消耗的总能量 WC /(Cm)
优点:

缺点:

改善了发动机性能: 提高了内燃机机械效率; 增加了柴油机的机械负荷; 增加了柴油机的热负荷。 提高了内燃机的指示热效率; 增压空气温度增加,在柴油机中引起 改善了燃烧过程。 增压条件下进气密度减小,即在保持 增加了发动机的比功率; 不变过量空气系数下,意味着功率 下降,不然需要进一步提高增压压力, 扩大了内燃机高原适应性; 但柴油机机械负荷又要增加。虽然气 有利于降低有害气体排放和噪 缸内工质温度提高有利于柴油机的燃 声。 烧,但却使燃烧室内受热零件的热负
3 气波增压:
气波增压器工作原理: 基于一种气体动力现象: 当压缩波在管道内传播时, 在管道的开口端反射为膨
胀波,而在管道的封闭端
则反射为压缩波。反之亦 然,即当膨胀波在管道内 传播时,在管道的开口端 反射为压缩波,而在封闭
端则反射为膨胀波。
3 气波增压: 这种系统低速增压性能 好、加速性好、工况范 围大;但尺寸大、笨重、 噪声大,不太适合安装 在体积较小的轿车里面。
改变配气相位。
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施
三 、合理选择配气定时 2.凸轮驱动油压控制式可变配气机构
凸轮到气门之间为高压油路内设有油压柱塞;
凸轮经摇臂将其升程转换为柱塞位移通过液压 控制气门开启。
3.无凸轮液压式可变配气机构 用电磁阀将高压共轨内油量进行合理分配 控制油压柱塞位置控制气门升程。
WC=面积i-g`-a-0=面积2-3-a-0+ 面积i-g`-3-2
进气压力pb压入气缸所需能量 扫气所需能量
C:压气机效率 m:机械效率(增)
特点:增压后泵气正功=面积a-5-4-3-a 。
定压增压排气能量利用效率低:从损失能量5b- e-5中只能回收一小部分,大部分能量排掉; 定压增压低速转矩特性和加速响应特性较差。


优点是适合全部工况。
缺点是结构复杂,在高转速区域的动力表现并不突出。 按大众公司的解释,性能并非这台发动机的主要诉求,动 力输出的顺畅度与经济性才是重点。 大功率柴油机上用的较多。

1 复合增压 涡轮和增压器复合方式:废气能量回收率, t 根据涡轮位置分三种:串联后复合增压 涡轮转速: 串联前复合增压 50000~180000r/min; 并联复合增压 发动机转速:
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施

一、总体原则(从影响因素出发)
减小进气系统阻力:提高pa 合理匹配配气相位:综合优化有效容积比和惯性
进气。 减小排气系统阻力:降低残余废气系数 减小进气加热:降低Ta
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施
二 、减少进气系统阻力 1.降低进气门处的流动损失
3.4.3 增压器的工作原理及特性曲线 一 离心式压气机
出气蜗壳 进气道
扩压器
工 作 轮
原理:叶轮机械能气流的动能离心力流
向叶轮周边扩压管减速增压。
进气道:将气流有秩序地导入压气机的工作叶轮进行压缩。 压气机叶轮:使空气在离心力的作用下受到压缩并甩向工作叶 轮外緣,从而使空气的温度、压力和流速都增加。 扩压器:降低气流速度,使气流动能变为压力能 压气机壳:收集从扩压器流出的空气,并继续将动能转变为压
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施
四 、进气管长度及气流的动态效应

进气管对v的影响:进气管长度进气系统阻力; 波动效应管道内压力波动
1)可变进气管长度 2)动态效应:惯性效应 波动效应
§3.4 增压技术
3.4.1 增压器的分类及特点
一、 增压的概念
增压:以某种方式提高进气充量的密度,提高 进入汽缸的新鲜空气量。
1)、时面值、角面值(气门的流通能力) 2)、进气马赫数Ma 3)、多气门结构 (1)加大进气门直径 (2)增加进气门数目
4)、改善配气机构
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施
二 、减少进气系统阻力
2.进气道形状及进气管长度

进气管阻力:支管等长度适当,内表面光滑,避免 界面突变; 可变进气管长——波动效应。
2 在低转速时,涡轮增压器没有介入,同时废气仍然要驱动涡 轮旋转,排气没有自然吸气发动机顺畅,此时的发动机扭力 输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱; 3 发动机的转速升高到3000 转以后,涡轮增压器突然介入,这 个时候产生的动力将陡增。这种动力的突然增加影响了动力 输出的平顺性,给驾驶舒适性带来一定影响。
3.空滤器

作用:滤清,消声 保证滤清的前提下尽可能减少阻力
上次课内容回顾 §3-3 提高充气效率的措施
三 、合理选择配气定时
进气迟关角的影响
1. 可变配气相位机构 (1)MIVEC系统: 特点:高低速2段式电控可变配气相位的控 制机构
(2) VVT-I (智能可变配气定时)系统: 特点:随n可连续改变进气凸轮轴相对曲轴的位置
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