04_2内燃机增压-孙柏刚-文字
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04_1内燃机换气过程-孙柏刚-文字
人的呼吸； 游泳换气
三、评价
废气是否排出干净，进入的新鲜充量是否充 分
四、对内燃机工作过程的影响
10
第二节 四冲程内燃机的换气过程
一、 排气阶段 二、 进气过程 三、 气门叠开和燃烧室扫气过程 四、 换气损失 五、 配气相位 六、 充量系数 七、提高充量系数的措施
11
换气过程
一、排气阶段
1、排气提前角 2、自由排气 3．强制排气阶段
超临界阶段： 超临界阶段 P1/P2>(2/(k+1))^(k/(k+1)) 特点是流速达到最大， 等于当地音速，此时的流动损失也是最大，气体能量由压力势能 转变为动能（流速）和热能（温度）。排气流量与压力差无关， 与缸内状态和流通面积有关。 亚临界阶段：P1/P2《(2/(k+1))^(k/(k+1)) 流量与压力差有关，还 亚临界阶段 和缸内状态、通流面积有关。
直列4缸，1.57 L排量，81×77.5mm
31
MITSUBISHI
可变配气相位角度值变化范围之大出乎想象，这也说 明固定不变的配气相位角是何等的不适应发动机的要 求 采用可变配气相位后最大功率增加 20.7％，最大扭矩 增大 11.8％ 最大功率转速提高，尤其是最大扭矩转速提高，可使 发动机在高转速下克服汽车行驶中的各种阻力。大大 地提高了汽车的加速性能与爬坡能力。
35
运转工况
发动机转速 n ：
∆p∝n2，n↑=> ∆p↑，pa↓，Φc ↓ n↑=> 进气充量与热缸壁接触的时间缩短， 也就是∆T下降， Φc↑ 综合因素是： n↑=> Φc↓
发动机负荷(或油门)：
柴油机：改变负荷时， pa基本不变； 汽油机：负荷变大，节气门开度大， pa ↑ 负荷变小，节气门开度小， pa ↓
02燃料与热化学-孙柏刚-文字
10
第一节 内燃机燃料的分类
1 . 从形态上分成三类：液体、气体、固体燃料 2. 石油产品的优点 a. 能量密度高、功率密度高（低热值Hu，单位体积热值） b. 易燃，比石油气、天然气还易燃 c. 燃速快，加速性好但低于醇类； d. 经济性 3. 石油产品的缺点：a.储量；b.排放 4. 醇类燃料：辛烷值高，容积或重量含能低， CH、NO排放低、CO降 低不多、醛排放问题，沸点温度低，易气阻，对弹性密封件有腐蚀。 甲醇：CH3OH，由天然气、煤或木材等制；乙醇：C2H5OH：由甜菜、 玉米、甘蔗或木材等制。
汽、柴油还有那些性质？ 柴油还有那些性质？ 什么参数对发动机有较大的影响？ 什么参数对发动机有较大的影响？
进一步明确几个基本概念 柴油的性质（ 重点内容） 第二节 柴油的性质（★重点内容） 汽油的性质（ 重点内容） 第三节 汽油的性质（★重点内容）
基本参数与燃油成分
• • • • 沸点与蒸馏曲线 密度 热值 着火特性
13
石油产品成分
• 烷烃 • 烯烃 • 芳香烃 • 含氧有机物
具有双键和环状结构， 具有双键和环状结构，难 于氧化形成过氧化物， 于氧化形成过氧化物，因 而具有较高的化学和热稳 定性； 定性； 在高温下分子不易分裂， 在高温下分子不易分裂， 抗爆燃性能极强， 抗爆燃性能极强，适合作 汽油机的燃料或作为汽油 的抗爆添加剂； 的抗爆添加剂； 自燃温度比脂肪族烃和环 烷族烃高， 烷族烃高，
引言
点燃与压燃； 一 汽油机与柴油机最主要的差别 （点燃与压燃；一个以 预混合燃烧为主和一个以扩散燃烧为主） 预混合燃烧为主和一个以扩散燃烧为主） 引起这些差 别的根本原因源自燃料性质的巨大差别！ 别的根本原因源自燃料性质的巨大差别！ 既然是最根本的原因，在分析汽油机、柴油机工作、 二 既然是最根本的原因，在分析汽油机、柴油机工作、排 性能等等问题时，首先应想到燃料的影响。 放、性能等等问题时，首先应想到燃料的影响。 柴油燃料的不同可以由其性质反映。所以， 三 汽、柴油燃料的不同可以由其性质反映。所以，燃料的 性质是本章的重点。 性质是本章的重点。 对内燃机来说，燃料与内燃机设计、燃烧、污染物排放、 四 对内燃机来说，燃料与内燃机设计、燃烧、污染物排放、 经济性、电子控制、使用等等均有直接关系。 经济性、电子控制、使用等等均有直接关系。
基于喷射正时的柴油机燃烧和排放研究
基于喷射正时的柴油机燃烧和排放研究白向东;刘福水;李向荣;孙柏刚【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2008(000)004【摘要】基于集成电控单体泵柴油机,讨论了喷射正时对柴油机燃烧及排放特性的影响规律.喷射正时对滞燃期和速燃期有显著的影响,从而影响放热规律、缸内压力和燃烧温度,进而对NOx和PM排放特性有显著的影响.在中大负荷下,随着喷射正时的滞后,放热率曲线相对于上止点的相位滞后,缸内最高燃烧温度下降,NOx排放下降,PM排放升高.在中小负荷下,随着喷射正时的进一步滞后,NOx和PM的排放同时下降.【总页数】4页(P11-14)【作者】白向东;刘福水;李向荣;孙柏刚【作者单位】北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TK422【相关文献】1.预喷射对轻型柴油机燃烧与排放性能影响的可视化研究 [J], 吕纯昌;贾和坤2.多次喷射对柴油机燃烧与排放影响的试验研究 [J], 栾兴存;成晓北;殷勇;刘贝;董世军;刘寰;汪鑫3.废气再循环和喷射正时对柴油机燃烧和排放影响的计算流体动力学建模 [J],I.Verma[美];E.Meeks[美];E.Bish[美];M.Kuntz[美];K.Puduppakkam[美];L.Liang[美];C.Naik[美];闫红梅(译);雷柏龄(译);4.废气再循环和喷射正时对柴油机燃烧和排放影响的计算流体动力学建模 [J],I.Verma;E.Meeks;E.Bish;M.Kuntz;K.Puduppakkam;L.Liang;C.Naik;闫红梅;雷柏龄5.预喷正时对柴油机燃烧与排放影响的试验研究 [J], 姜伟波; 张营; 李辉春; 王君萍; 李梅; 丁传广因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
05汽油机燃烧-孙柏刚-文字
19
六 不同工况下的燃烧过程的特点
3． 负荷不同时的燃烧过程 （n=c，节气门开度不同）
节气门开度减小充量系数 急剧下降、废气量不变τi增，火 焰传播慢，Pzmax、Tzmax降…. 负荷减小、散热的比例也将 增加。 节气门开度减小(负荷小)， 最佳点火提前角要提早。 可用分电器内的点火提前真 空调节器来自动调节。
四 火焰传播速度
燃烧速率（火焰速度）是指反应区（燃烧前锋）相对于未燃混合气的 移动速度 决定放热速率；火焰传播速率（总火焰速度）是指火焰相对 于静止燃烧室壁面的运动速度 决定已燃-未燃区变化，影响爆燃。 1）层流火焰速率SL 相对未燃混合气 2）湍流火焰速率ST 火焰前锋扭曲、分裂、多燃烧中心、混合增强、火 焰前锋厚度、面积增大。ST=SL*FSR ；FSR——火焰速率比 3）火焰传播速率Sf=ST+Se
强烈爆燃对发动机工作的影响一次效应二次效应在次效应结果机械载荷k机械效率m零件应力k可靠性m轴承轴轴瓦dpdjkk噪音5000hz振动k破坏附面层换热系数k零件温度k表面点火传热损失k冷却润滑系统过热p油膜不易形成磨损加剧拉缸烧瓦局部点tzmax有所k高温分解k热效率m末端气体低温燃烧爆燃形成的反向压力波对减少后燃并没有好处
23
第二节 燃烧稳定性 （燃烧的循环变动）
1．现象
汽油机燃烧的一大特点。稀燃、低速、低负荷加剧
2．危害
1）难或不能实现最佳控制； 2）排放高； 3）性能变差，输出转矩变动，车辆驱动性能恶化
24
第二节 燃烧稳定性 （燃烧的循环变动）
3．表征参数
1）与气缸压力有关的参数； 2）与燃烧速率有关的参数； 3）与火焰前锋位置有关的参数 平均指示压力变动系数CoVimep=标准偏差σpmi/ pmi均值。为保证 车辆驱动性能CoVimep<10%为宜。示功图测量应多循环平均。 σpmi为pmi的标准偏差；pmi均值为pmi的平均值。
03内燃机工作循环-孙柏刚-文字
16
六
理论循环与循环热效率
内燃机实际工作条件的约束和限制：
1. 结构条件的限制。pz的升高，对可靠性及尺寸、重量影响很大。 2. 机械效率的限制。pz的升高将导致机械效率下降。
3. 燃烧方面的限制。压缩比c高对控制爆燃和燃烧室设计不利。
柴油机 汽油机
17
压缩比c 12~22 6~12
最高循环压力pz 7~14MPa 3~8.5
n1x tg1x n2 x tg 2 x
31
d (log p) n1 d (logV ) d (log p) n2 d (logV )
二. 压缩平均多变指数分析
平均多变指数n1、n2
瞬态多变指数计算研究困难，引入平均多变 指数的概念——确定原则：只保证起点状态一 样，则终点状态一样，中间过程不管。
5
• 但是为了了解各过程的基本情况，各热 力学参数之间的关系及影响因素，对实 际循环的热力过程在不失其基本物理、 化学特征的前提下，进行合理的简化， 保留哪些对发动机性能有重大影响的参 数，如：压缩比、膨胀比、压力升高比、 绝热指数等，抽象出最本质的特征，提 出一个便于分析的假想循环，即理想循 环
29
本章内容与要求
第一节 内燃机理论循环 第二节 内燃机实际循环（★） 第三节 压缩、膨胀多变指数分析 第四节 传热与热平衡
30
第三节 压缩膨胀多变指数分析
一．压缩、膨胀多变指数n1、n2 等熵、绝热压缩膨胀过程 PVk=Const，k为绝热指数 而实际为多变过程；为分析方 便将各因素的影响归结为对 PVn=Const中多变指数n的影响。 反之，多变指数n的变化也反映了 压、胀过程各因素综合影响情况。 瞬态多变指数n1、n2的求法：
六
理论循环与循环热效率
内燃机实际工作条件的约束和限制：
1. 结构条件的限制。pz的升高，对可靠性及尺寸、重量影响很大。 2. 机械效率的限制。pz的升高将导致机械效率下降。
3. 燃烧方面的限制。压缩比c高对控制爆燃和燃烧室设计不利。
柴油机 汽油机
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压缩比c 12~22 6~12
最高循环压力pz 7~14MPa 3~8.5
n1x tg1x n2 x tg 2 x
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d (log p) n1 d (logV ) d (log p) n2 d (logV )
二. 压缩平均多变指数分析
平均多变指数n1、n2
瞬态多变指数计算研究困难，引入平均多变 指数的概念——确定原则：只保证起点状态一 样，则终点状态一样，中间过程不管。
5
• 但是为了了解各过程的基本情况，各热 力学参数之间的关系及影响因素，对实 际循环的热力过程在不失其基本物理、 化学特征的前提下，进行合理的简化， 保留哪些对发动机性能有重大影响的参 数，如：压缩比、膨胀比、压力升高比、 绝热指数等，抽象出最本质的特征，提 出一个便于分析的假想循环，即理想循 环
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本章内容与要求
第一节 内燃机理论循环 第二节 内燃机实际循环（★） 第三节 压缩、膨胀多变指数分析 第四节 传热与热平衡
30
第三节 压缩膨胀多变指数分析
一．压缩、膨胀多变指数n1、n2 等熵、绝热压缩膨胀过程 PVk=Const，k为绝热指数 而实际为多变过程；为分析方 便将各因素的影响归结为对 PVn=Const中多变指数n的影响。 反之，多变指数n的变化也反映了 压、胀过程各因素综合影响情况。 瞬态多变指数n1、n2的求法：
增压直喷汽油机超级爆燃研究
增压直喷汽油机超级爆燃研究苏博浩;王伟;屈伟;孙建军;赵勇【期刊名称】《小型内燃机与摩托车》【年(卷),期】2014(000)004【摘要】缸内直喷和增压已成为当今汽油机技术的主流方向，然而，随着发动机小型化和动力性的提高，增压直喷汽油发动机出现了一种新的异常燃烧现象---超级爆燃，其严重影响着发动机性能和使用寿命。
根据国内外超级爆燃的研究现状，在典型增压直喷汽油机上对不同的超级爆燃抑制方法进行了研究。
结果表明：加浓、二次喷射、冷型火花塞都能够抑制超级爆燃。
【总页数】6页(P29-33,63)【作者】苏博浩;王伟;屈伟;孙建军;赵勇【作者单位】长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000; 河北省汽车工程技术研究中心;长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000; 河北省汽车工程技术研究中心;长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000; 河北省汽车工程技术研究中心;长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000; 河北省汽车工程技术研究中心;长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000; 河北省汽车工程技术研究中心【正文语种】中文【中图分类】TK411【相关文献】1.利用二次喷射抑制增压直喷汽油机超级爆震的试验研究 [J], 张健;虞坚;滕勤2.一种增压直喷汽油机超级爆震控制策略研究 [J], 董立冬;万滨;张文韬;王迪;闫涛;郝伟3.增压直喷汽油机超级爆震研究进展 [J], 李英;滕勤;张健4.一种增压直喷汽油机超级爆震控制策略研究 [J], 董立冬; 万滨; 张文韬; 王迪; 闫涛; 郝伟5.增压直喷汽油机超级爆震发生机理以及爆震抑制的试验研究 [J], 苗瑞刚;曾小春;曹黎明;景国玺因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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通常以增压比为纵坐标、流量为横坐标、转速为变参数， 以等绝热效率曲线的形式绘制压气机的特性，可方便地看 出在各种工况下压气机主要工作参数之间的相互关系；
在压气机的转速不变时，压气机增压比πb和绝热效率ηb 随压气机流量的变化关系，称为压气机的流量特件，也称 为增压器特性线
曲线的走向描述：定转速，压比随流量的变化关系，抛物 线形状成因
有效效率是扣除余项后的有效焓降与可用焓降之比，见下 页图；
可用焓：滞止焓，总焓，相当于总能量
36
热力过程及绝热效率
排气能量转换为机械功的 有效程度，即效率。 用于评价实际的热工转换 过程与理想过程的接近程 度； 涡轮的等熵效率：实际焓 降与可用焓降之比ηT = hT/HT 涡轮的有效效率：有效焓 降与可用焓降之比ηT’ = hT ’ /HT
原理
由于容积小，接纳气缸排气时易造成“堆积”，使排气管 中压力迅速上升，减小了排气门前后的压力差，也就减小 了损失； 排气管中压力上升，会造成下一缸排气不畅，因此将排气 管分组，以保证互不干扰。 分组原则：排气过程约为240度曲轴转角，要求通过同一 排气管排气的相邻两缸的排气间隔角约为240度。互相间 既不干扰又不断气。 效果：减小了废气能量的损失，提高了废气能量的利用率， 相同条件下提高增压压力，如果保持增压压力不变，则可 以放大涡轮流通截面，降低排气的平均压力水平，增加排 气正功。
三、
四、
涡轮增压系统
涡轮增压器与发动机的匹配
五、
六、
汽油机增压简介
增压技术的发展状况
17
认识增压器
18
分类
压气机
容积式：往复式、旋 转式 叶轮式：离心式、轴 流式、混流式
涡轮
轴流式：大型柴油机， 大流量、高效率 径流式：车用发动机， 高转速、高响应
19
典型涡轮增压器总图
20
48
b3eb
b3eb面积较大：
一般称为“脉冲能” 变为热量，使气体膨胀，回收一小部分能量3347。 利用率太低，柴油机的低速扭矩特性和加速性能较差
49
显然
定压增压有背于“如何充分利用排 气能量？”的原则
脉冲增压
脉冲涡轮增压系统
结构与原理
结构
减小排气管容积 排气管分组
52
27
抛物线形状成因
两种损失：
摩擦损失，随流量增加而 增加，使高速度情况下曲线 变得更陡； 撞击损失，偏离设计点， 不沿工作轮、扩压器的入口 角进入，有夹角，发生撞击， 是形成抛物线的主要原因
速度三角形
28
速度三角形
29
流动方向
从图中可以看出，转速一定时，气 体流量大于设计工况后，叶片凹面 产生涡流，如(3)所示。此时受到进 入气流的挤压，旋涡区不致扩大， 仅限于进口边缘区域。
气体流量减小时，叶片凸面形成旋 涡，如(2)所示。此时旋涡区很容易 扩展到压气机的整个通道 叶片扩压器中也有类似(2)、(3)的现 象。
流量继续减小，旋涡扩展导致气流 强烈脉动，压气机工作不稳定，出 现的现象称为“喘振”
30
喘振：压气机转速一定时，流量减小到一定程度发生的一 种不正常流动现象，对柴油机和增压器都是有害的。叶轮 由于振动损坏，发动机会熄火。
12
废气涡轮增压
本课程重点介绍：排 气驱动涡轮、涡轮驱 动压气机、压气机为 发动机供气，目前最 为常见，国内发展最 快
13
复合增压
两种以上增压方式的组合
14
HyperBar
补燃增压系统； 法国，勒克莱尔，主战坦克发动机； 国内，4160，柴油机改型－>超高增压； 一般结构构成：单独的一套补燃装置 高平均有效压力，低压缩比； 冷起动困难； 现代材料与控制－>新生命力；
42
排气能量是如何被利用的？还有潜力吗？
内容提纲
一、 二、 增压技术概述 废气涡轮增压器
三、
四、
涡轮增压系统
涡轮增压器与发动机的匹配
五、
六、
汽油机增压简介
增压技术的发展状况
43
涡轮增压系统
涡轮增压系统一般是指涡轮增压器与进排气管的 组合，决定了废气能量的利用方式和涡轮的工作 方式。一般有两种：
第四章
内燃机增压
北京理工大学 机械与车辆工程学院 孙柏刚
主要部分
内燃机换气过程（5学时） 内燃机增压（6学时）
2
目的
掌握换气过程对内燃机工作性能的影响及为什么 设配气相位 掌握影响换气质量的因素及改善措施 了解各种可变机构 了解二冲程发动机的换气过程 了解增压发动机的优缺点及废气涡轮增压器的工 作原理 了解废气涡轮增压器设计及匹配的特点及各种涡 轮增压系统的工作特点
21
2 离心式压气机的工作原理
压气机：旋转动能－>气体压力能
• 打气筒：手压(动能)－>轮胎 • 气球、汽车轮胎：储存压力能
气流通道
气流在经历这样一 个过程后，它的状 态如何变化？
22
压气机中的气体流动过程
把气流路径分为4段： 1进气道、 2工作轮、 3扩压器、 4涡壳
23
参数变化
• • • •
38
效率特性
效率特性曲线：以u/c为 横坐体的可用焓降 用速度表示；
效率特性分析：效率的 变化主要受损失的影响， 损失分为：
1. 2. 3.
流动损失； 撞击损失； 余速损失。
39
数值范围
等熵效率：ηT ,ad =0.70～0.90； 有效效率：ηT =0.65～0.85。
3
内容
第一节 第二节 第三节 第四节
一、 二、 三、 四、 五、 六、
4
概述 四冲程内燃机的换气过程（） 二冲程内燃机的换气过程 内燃机的增压
增压技术概述 废气涡轮增压器 涡轮增压系统 涡轮增压器与发动机的匹配 汽油机增压简介 增压技术的发展状况
内容提纲
一、 二、 增压技术概述 废气涡轮增压器
• • • • ηitk≈ηito， ηmk > ηmo， Φck >Φco， ρsk > ρso
p ek peo
∴ pek
> peo
sk itk ck mk so ito co mo
8
经济性
评价指标：有效燃油消耗率be，be ∝ηit ηm 增压后：如前述ηitk≈ηito ，ηmk >ηmo ∴ 经济性提高
25
压气机的工作参数
流量：通过压气机的气体质量流量，kg/s, 压比πc：压气机出口压力与进口压力之比（绝对压力） 转速：压气机叶轮的转速，与涡轮同速，r/min,
绝热效率：等熵压缩功与实际压缩功之比，表征实际过程 进行的完善程度。
ηkad = Wkad/Wk
26
压气机的流量特性
7
发出更大的功率。
增压对发动机性能的影响
动力性
评价发动机动力性大小的指标－>升功率，平均有效 压力； 升功率PL的主要影响因素有 ηit ,Φc, ηm ,ρs, Φa ,n； 非增压柴油机的ηit ,Φc, ηm , Φa ，n等参数都受到限 制，增压后ρs可以大幅度提高, Φc可略有提高 平均有效压力的比值：
机械负荷和热负荷增加，可靠性受到挑战 低速扭矩特性不好 加速性不好
缺点
10
增压方式
① ② ③ ④ 机械增压 废气涡轮增压 气波增压 复合增压 书中有对比表4-2； 相关公式的简单推导； 增压后性能估算；
11
机械增压
• 用发动机的曲轴驱动压气机----响应性好，扭矩 特性好，燃油耗高
40
压比、效率 流量、转速
41
膨胀比 效率：有效效率、等熵效率 转速 流量
引入 三
已经基本理解发动机的一般过程或原理； 通过第一节的讲述，大致了解了涡轮增压发动机的一般过程 或原理； 过第二节的讲述，了解了一些增压器本身的部分知识。
增压器如何连接到发动机上？ 发动机与增压器是怎样协同工作的？
流量减小
气体分离
喘振
堵塞：从特性曲线图上看出，在某一增压器转速下，通过 压气机的气体流量随压比的降低而增加。当压气机流量增 加到一定程度时，流速接近声速，流动损失急剧增加，称 之为堵塞。 低速->高速
31
径流式涡轮的工作原理
32
径流式涡轮的工作简图
33
过程描述
涡轮的功用是将排气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮 旋转的机械功； 进气蜗壳的作用是引导内燃机的排气均匀地进入涡轮； 气流流过喷嘴环时，部分压力能转变为动能，气体得到加 速而压力、温度下降，且具有很强的方向性，便于均匀而 有序地流人涡轮机的工作轮； 由于离心力作用的结果，在叶面的凹面上压力得到提高， 而在凹面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生了 转矩，在工作轮出口处压力、温度、速度均下降；
24
进气道：速度↑、温度↓、压力↓； 工作轮：速度↑、温度↑、压力↑； 扩压器：速度↓、温度↑、压力↑； 涡壳： 速度↓、温度↑、压力↑；
气体在压气机中的热力过程
理想过程：等熵压缩 耗功Wkad Wkad = Cp(T4ad – To) 实际过程：多变压缩 耗功Wk= Cp (Tb – To) 绝热效率
对于发动机 bef 排气过程 12 进气过程 12ef1 换气正功
对于涡轮 6e346 涡轮利用自由排气废 气做功（含3347损失回收） acf5a 涡轮利用扫气做功 5fe65 涡轮利用活塞推动废
气强制排气做功
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b3eb
b3eb未被利用的原因：
在压气机的转速不变时，压气机增压比πb和绝热效率ηb 随压气机流量的变化关系，称为压气机的流量特件，也称 为增压器特性线
曲线的走向描述：定转速，压比随流量的变化关系，抛物 线形状成因
有效效率是扣除余项后的有效焓降与可用焓降之比，见下 页图；
可用焓：滞止焓，总焓，相当于总能量
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热力过程及绝热效率
排气能量转换为机械功的 有效程度，即效率。 用于评价实际的热工转换 过程与理想过程的接近程 度； 涡轮的等熵效率：实际焓 降与可用焓降之比ηT = hT/HT 涡轮的有效效率：有效焓 降与可用焓降之比ηT’ = hT ’ /HT
原理
由于容积小，接纳气缸排气时易造成“堆积”，使排气管 中压力迅速上升，减小了排气门前后的压力差，也就减小 了损失； 排气管中压力上升，会造成下一缸排气不畅，因此将排气 管分组，以保证互不干扰。 分组原则：排气过程约为240度曲轴转角，要求通过同一 排气管排气的相邻两缸的排气间隔角约为240度。互相间 既不干扰又不断气。 效果：减小了废气能量的损失，提高了废气能量的利用率， 相同条件下提高增压压力，如果保持增压压力不变，则可 以放大涡轮流通截面，降低排气的平均压力水平，增加排 气正功。
三、
四、
涡轮增压系统
涡轮增压器与发动机的匹配
五、
六、
汽油机增压简介
增压技术的发展状况
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认识增压器
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分类
压气机
容积式：往复式、旋 转式 叶轮式：离心式、轴 流式、混流式
涡轮
轴流式：大型柴油机， 大流量、高效率 径流式：车用发动机， 高转速、高响应
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典型涡轮增压器总图
20
48
b3eb
b3eb面积较大：
一般称为“脉冲能” 变为热量，使气体膨胀，回收一小部分能量3347。 利用率太低，柴油机的低速扭矩特性和加速性能较差
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显然
定压增压有背于“如何充分利用排 气能量？”的原则
脉冲增压
脉冲涡轮增压系统
结构与原理
结构
减小排气管容积 排气管分组
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抛物线形状成因
两种损失：
摩擦损失，随流量增加而 增加，使高速度情况下曲线 变得更陡； 撞击损失，偏离设计点， 不沿工作轮、扩压器的入口 角进入，有夹角，发生撞击， 是形成抛物线的主要原因
速度三角形
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速度三角形
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流动方向
从图中可以看出，转速一定时，气 体流量大于设计工况后，叶片凹面 产生涡流，如(3)所示。此时受到进 入气流的挤压，旋涡区不致扩大， 仅限于进口边缘区域。
气体流量减小时，叶片凸面形成旋 涡，如(2)所示。此时旋涡区很容易 扩展到压气机的整个通道 叶片扩压器中也有类似(2)、(3)的现 象。
流量继续减小，旋涡扩展导致气流 强烈脉动，压气机工作不稳定，出 现的现象称为“喘振”
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喘振：压气机转速一定时，流量减小到一定程度发生的一 种不正常流动现象，对柴油机和增压器都是有害的。叶轮 由于振动损坏，发动机会熄火。
12
废气涡轮增压
本课程重点介绍：排 气驱动涡轮、涡轮驱 动压气机、压气机为 发动机供气，目前最 为常见，国内发展最 快
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复合增压
两种以上增压方式的组合
14
HyperBar
补燃增压系统； 法国，勒克莱尔，主战坦克发动机； 国内，4160，柴油机改型－>超高增压； 一般结构构成：单独的一套补燃装置 高平均有效压力，低压缩比； 冷起动困难； 现代材料与控制－>新生命力；
42
排气能量是如何被利用的？还有潜力吗？
内容提纲
一、 二、 增压技术概述 废气涡轮增压器
三、
四、
涡轮增压系统
涡轮增压器与发动机的匹配
五、
六、
汽油机增压简介
增压技术的发展状况
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涡轮增压系统
涡轮增压系统一般是指涡轮增压器与进排气管的 组合，决定了废气能量的利用方式和涡轮的工作 方式。一般有两种：
第四章
内燃机增压
北京理工大学 机械与车辆工程学院 孙柏刚
主要部分
内燃机换气过程（5学时） 内燃机增压（6学时）
2
目的
掌握换气过程对内燃机工作性能的影响及为什么 设配气相位 掌握影响换气质量的因素及改善措施 了解各种可变机构 了解二冲程发动机的换气过程 了解增压发动机的优缺点及废气涡轮增压器的工 作原理 了解废气涡轮增压器设计及匹配的特点及各种涡 轮增压系统的工作特点
21
2 离心式压气机的工作原理
压气机：旋转动能－>气体压力能
• 打气筒：手压(动能)－>轮胎 • 气球、汽车轮胎：储存压力能
气流通道
气流在经历这样一 个过程后，它的状 态如何变化？
22
压气机中的气体流动过程
把气流路径分为4段： 1进气道、 2工作轮、 3扩压器、 4涡壳
23
参数变化
• • • •
38
效率特性
效率特性曲线：以u/c为 横坐体的可用焓降 用速度表示；
效率特性分析：效率的 变化主要受损失的影响， 损失分为：
1. 2. 3.
流动损失； 撞击损失； 余速损失。
39
数值范围
等熵效率：ηT ,ad =0.70～0.90； 有效效率：ηT =0.65～0.85。
3
内容
第一节 第二节 第三节 第四节
一、 二、 三、 四、 五、 六、
4
概述 四冲程内燃机的换气过程（） 二冲程内燃机的换气过程 内燃机的增压
增压技术概述 废气涡轮增压器 涡轮增压系统 涡轮增压器与发动机的匹配 汽油机增压简介 增压技术的发展状况
内容提纲
一、 二、 增压技术概述 废气涡轮增压器
• • • • ηitk≈ηito， ηmk > ηmo， Φck >Φco， ρsk > ρso
p ek peo
∴ pek
> peo
sk itk ck mk so ito co mo
8
经济性
评价指标：有效燃油消耗率be，be ∝ηit ηm 增压后：如前述ηitk≈ηito ，ηmk >ηmo ∴ 经济性提高
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压气机的工作参数
流量：通过压气机的气体质量流量，kg/s, 压比πc：压气机出口压力与进口压力之比（绝对压力） 转速：压气机叶轮的转速，与涡轮同速，r/min,
绝热效率：等熵压缩功与实际压缩功之比，表征实际过程 进行的完善程度。
ηkad = Wkad/Wk
26
压气机的流量特性
7
发出更大的功率。
增压对发动机性能的影响
动力性
评价发动机动力性大小的指标－>升功率，平均有效 压力； 升功率PL的主要影响因素有 ηit ,Φc, ηm ,ρs, Φa ,n； 非增压柴油机的ηit ,Φc, ηm , Φa ，n等参数都受到限 制，增压后ρs可以大幅度提高, Φc可略有提高 平均有效压力的比值：
机械负荷和热负荷增加，可靠性受到挑战 低速扭矩特性不好 加速性不好
缺点
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增压方式
① ② ③ ④ 机械增压 废气涡轮增压 气波增压 复合增压 书中有对比表4-2； 相关公式的简单推导； 增压后性能估算；
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机械增压
• 用发动机的曲轴驱动压气机----响应性好，扭矩 特性好，燃油耗高
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压比、效率 流量、转速
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膨胀比 效率：有效效率、等熵效率 转速 流量
引入 三
已经基本理解发动机的一般过程或原理； 通过第一节的讲述，大致了解了涡轮增压发动机的一般过程 或原理； 过第二节的讲述，了解了一些增压器本身的部分知识。
增压器如何连接到发动机上？ 发动机与增压器是怎样协同工作的？
流量减小
气体分离
喘振
堵塞：从特性曲线图上看出，在某一增压器转速下，通过 压气机的气体流量随压比的降低而增加。当压气机流量增 加到一定程度时，流速接近声速，流动损失急剧增加，称 之为堵塞。 低速->高速
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径流式涡轮的工作原理
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径流式涡轮的工作简图
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过程描述
涡轮的功用是将排气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮 旋转的机械功； 进气蜗壳的作用是引导内燃机的排气均匀地进入涡轮； 气流流过喷嘴环时，部分压力能转变为动能，气体得到加 速而压力、温度下降，且具有很强的方向性，便于均匀而 有序地流人涡轮机的工作轮； 由于离心力作用的结果，在叶面的凹面上压力得到提高， 而在凹面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生了 转矩，在工作轮出口处压力、温度、速度均下降；
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进气道：速度↑、温度↓、压力↓； 工作轮：速度↑、温度↑、压力↑； 扩压器：速度↓、温度↑、压力↑； 涡壳： 速度↓、温度↑、压力↑；
气体在压气机中的热力过程
理想过程：等熵压缩 耗功Wkad Wkad = Cp(T4ad – To) 实际过程：多变压缩 耗功Wk= Cp (Tb – To) 绝热效率
对于发动机 bef 排气过程 12 进气过程 12ef1 换气正功
对于涡轮 6e346 涡轮利用自由排气废 气做功（含3347损失回收） acf5a 涡轮利用扫气做功 5fe65 涡轮利用活塞推动废
气强制排气做功
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b3eb
b3eb未被利用的原因：