04_2内燃机增压-孙柏刚-文字

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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？
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。
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内容
第一节 第二节 第三节 第四节
一、 二、 三、 四、 五、 六、
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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
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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
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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；
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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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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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
排放性能


Φc、Φa提高，燃烧更加完全，平均工作温度提高， 利于氧化过程的进行 所以
• • • HC、CO排放下降 颗粒物排放下降 NOx增加。
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发动机增压的优缺点
优点




升功率高，提高了动力性； 降低单位功率的造价 排气噪声降低 具有高原恢复功率的能力 压力升高比降低，降低燃烧噪声 技术适应性广
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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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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目的
提高进气密度 增加进气量 供给更多的燃料
Alfred Büchi A. 比希 1905
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。
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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两个概念
增压度
• 增压后功率的提高程度
增压压比
• 增压后，进入气缸的气体压力与大气压力之比 称为增压压比
增压度与压比
• • • • 低增压，πk=1.3~1.6 中增压，πk=1.6~2.5 高增压，πk>2.5 超高增压， πk>3.5
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内容提纲
一、 二、 增压技术概述 废气涡轮增压器
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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：
定压涡轮增压； 脉冲涡轮增压；
如何充分利用排气能量？
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充分利用排气能量 充分利用排气能量
以定压涡轮增压为例
仔细分析废气能量利用问题
增压发动机换气过程示功图
P0---大气压力，P2---压气机出口压力，P3---涡轮进口压力
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能量转换过程
对于压气机 a42da 压气机压缩空气耗功 12651 压缩空气对活塞做功 acf5a 压缩扫气对涡轮做功 cd1fc 扫气通过进排气门损失功
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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？
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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
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参数变化
• • • •
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
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
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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）
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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
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效率特性
效率特性曲线：以u/c为 横坐标，ηT为纵坐标，

u—涡轮叶轮外径切线速度； c —进口气体的可用焓降 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。
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数值范围
等熵效率：ηT ,ad =0.70～0.90； 有效效率：ηT =0.65～0.85。
• • • • ηitk≈ηito， ηmk > ηmo， Φck >Φco， ρsk > ρso
p ek peo

∴ pek
> peo
sk itk ck mk so ito co mo
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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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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：
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涡轮的特性参数
膨胀比：涡轮进口压力与出口压力之比。
涡轮转速：与压气机同轴，转速相等 相似流量：是马赫数的函数， 相似转速：是马赫数的函数，
流量特性曲线：等同于喷嘴流量特性，临界点有极值，转 速不同有微小差别是由于离心力造成的，通常可用一条包 络线表示；

流量特性分析：流量和膨胀比一一对应；焓降与膨胀比有关同时 与流量有关；
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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。
Biblioteka Baidu
ηkad = Wkad/Wk
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压气机的流量特性
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热力过程及绝热效率
气体在收缩型通道的喷嘴 环流过时，压力下降，速 度升高，温度下降； 在工作轮中继续膨胀并对 外作功，压力、速度、温 度再降低； 具有一定动能和压力能的 排气在流经进气蜗壳→喷 嘴环→工作轮后，大部分 转化为机械功
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余速损失
从涡轮排出的气体仍然具有一定的速度，且该部分动能不 能在涡轮中得到利用而直接进入排气管，故通常将该部分 动能称为余速损失，也称余项损失； 等熵效率是涡轮机的实际焓降与可用焓降之比，见下页图；
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：

涡轮前压力P3，b3eb压力高于P3 排气门强烈节流，压力差较大，超临界排气 时间长，导致流动损失大。 流动损失变为热量，使气体膨胀，回收一小 部分能量3347。
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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
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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。
1 涡轮增压器的组成与结构
典型车用涡轮增压器----径流向心涡轮与离心压气机；
涡轮：由叶轮及涡轮壳体组成，其作用是利用废气能量 做功，带动压气机工作； 压气机：由叶轮及其壳体组成，与涡轮叶轮同轴，作用 是对空气做功，增加其压力，提高其密度； 中间体(轴承体)：由径向轴承和止推轴承及润滑和密封等 部分组成，其作用是支撑叶轮转子，并对轮轴进行润滑、 冷却和密封。