第三章 (第7次课)《发动机原理》

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。
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。
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。
• 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。
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
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


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
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）
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 ；
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。
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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
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
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 。
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


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：
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
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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。
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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。
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
• 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；
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
1 复合增压
机械增压+涡轮增压