第四章(发动机废气涡轮增压)

（2）膨胀比 π T
* 膨胀比为涡轮进口气体滞止压力 pT 与涡轮出口气体静压力 p ' 0 之比
* ' π T = pT p 0
（3）气体流量 单位时间内通过涡轮的气体质量称为涡轮的气体流量 气体流量，用 q mT 表示。 气体流量 在分析各性能参数之间的关系时，为使涡轮性能在不同入口气体 * 状态下具有可比性，应采用量纲一致的相似流量 q mT TT* pT 来表征 涡轮的流量。
q mT 为气体质量流量，
* pT 为气体滞止压力。
TT* 为滞止温度，
（4）涡轮转速 由于涡轮与压气机同轴，涡轮转速（用n表示）与压气机转速相等， 统称涡轮增压器转速 涡轮增压器转速。在分析各性能参数之间的关系时，应采用相似量 涡轮增压器转速 纲 n TT* 。但涡轮的相似转速和压气机的相似转速 相似转速并不相等。 相似转速
第二节 废气涡轮增压器的基本结构及原理
离心式压气机
离心式压气机由进气道、压气机叶轮、 无叶式扩压管及压气机蜗壳等组成。叶轮 包括叶片和轮毂，并由增压器轴带动旋转。 当压气机旋转时，空气经进气道进入 压气机叶轮，并在离心力的作用下沿相邻 压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心 流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得 能量，使其流速、压力和温度均有较大的 增高，然后进入叶片式扩压管。扩压管为 渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压， 温度也有所升高，即在扩压管中，空气所 具有的大部分动能转变为压力能。
机械增压 是一种通过发动机曲轴直接驱动 压气机，以提高发动机进气压力的增 压方式，如右图所示。机械增压器由 发动机曲轴经齿轮增速器驱动。 机械增压器与发动机容易匹配， 结构也比较紧凑。但是，由于驱动增 压器需消耗发动机功率，因此燃油消 耗率比非增压发动机略高。
废气涡轮增压 是车用发动机广泛采用的一种增 压方式，主要由涡轮机和压气机构成。 废气涡轮增压器与发动机无机械 联系。这种增压方式能有效地利用排 气的能量进行增压，所以经济性比机 械增压和非增压发动机好。并可大幅 度地降低有害气体的排放和噪声水平。 但缺点是由于涡轮机是流体机械， 而发动机是动力机械装置，因此增压 发动机低速时的转矩增加不多；在发 动机工况发生变化时，瞬态响应特性 较差，从而使得低速加速性较差。
2）脉冲涡轮增压系统 为了更好地利用内燃机废气的脉 冲能量，可以采用脉冲涡轮增压系统。 这种增压系统的特点是：把各缸的排 气歧管做得短而细，涡轮增压器尽量 靠近气缸，并且几个气缸（通常二个 缸或三个缸）连接一根排气管。这样 在每一根排气管中就形成几个连续的 废气脉冲波（或称废气压 互不干扰的废气脉冲波 废气脉冲波 力波）进入废气涡轮机中。同时把涡 轮的喷嘴环根据排气管的数目分组隔 开，使它们互不干扰。由于涡轮处在 进气压力波动较大的条件下工作，所 以该系统又称为变压式涡轮增压系统。
增压技术的优、缺点
增压的优点有： 1）在保证输出功率Pe不变的情况下，可以使气缸数减少或者气缸直 径减小，从而可以减小发动机的比质量和外形尺寸。 2）提高热效率，降低燃油消耗率。 3）减少排气污染和噪声。 4）降低发动机的单位功率造价。 5）对补偿高原功率损失十分有利。
增压技术用于发动机上的困难有： 1）增压发动机的机械负荷和热负荷都较高。 2）增压发动机很难满足车辆对转矩适应性及瞬变工况的要求。 3）车用汽油机应用增压技术较困难。 4）适用的小型涡轮增压器发展晚并且效率偏低。
涡轮增压套件
增压的衡量指标
增压度 为了说明发动机在采用增压后使功率得到提高的程度，提出增压 度的概念。增压度是指发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比：
ϕ=
Pek − Peo Pek = −1 Peo Peo
式中 Pek 、Peo 分别为发动机增压后和增压前的有效功率。 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燃烧的限制。柴油机的增压度受到燃烧最高爆 发压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。 增压度小于1.9时，为低增压；在1.9~2.5范围内，为中增压；在 2.5~3.5范围内，为高增压；大于3.5时为超高增压。
有以上可得，涡轮机所发出的功率PT为：
PT =
qmT H T ηT 1000
在涡轮机变工况运行时，上述参数之间的关系，就是涡轮机的特性 特性。 特性 * * * 涡轮机特性曲线是以相似流量 q mT TT pT 为横坐标，以膨胀比 p ' 0 / pT 为纵 坐标，以相似转速 n TT* 为参变量的一组曲线。
二、废气能量的利用 涡轮增压器是利用内燃机排出气缸的废气能量进行工作的。 因此，提高废气能量的利用对改善涡轮增压发动机性能有重要意 义。 燃料通过燃烧所释放出的总热量中，有25%以上被废气所带 走。而废气中的可用能又约占废气总能量的60%。充分利用这部 分废气能量，是提高内燃机热效率的重要途径。
如右图所示，柴油机的理论示功 图面积为a—c—z’—b—a。进气过程 3—a（进气压力为pk），排气过程b— 5—4（排气压力pT）。泵气功3—a— 5—4—3，为正功，这是因为增压发动 机的进气压力高于排气压力，即pk>pT ， 得到正的泵气功，所以它成为增压内 燃机的理论功的一部分。面积2—0— a—3—2为压缩进入内燃机气缸空气所 需要能量。i—g’—3—2—i为压缩扫气 空气所需的能量，故压缩机所消耗的 总能量为面积i—g’—a—0—i。在废气 涡轮增压内燃机中，压气机由涡轮机 驱动，与内燃机无任何机械联系，因 此压气机消耗的功率pk应与涡轮机发 出的功率pT相等。
离心式压气机的流量特性
第三节 废气涡轮增压的类型与废气能量的利用
一、废气涡轮增压的类型 在涡轮增压内燃机中，根据废气能量的利用方式， 可以分为定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统两种 基本类型。
1）定压涡轮增压系统 特点是涡轮前的废气压力 涡轮前的废气压力基本上 涡轮前的废气压力 保持恒定。把各缸的排气管部通向一 根排气总管上。且排气总管的容积要 足够大，应能起稳定压力的作用。这 时虽然各气缸的排气时间互有差异， 压力波动较大，但汇集到排气总管后， 互相混合减速和滞止，基本保持恒定 压力，然后，废气按定压由排气管导 入涡轮机的喷嘴环。
汽车发动机原理
第四章 发动机废气涡轮增压
第一节 概述
增压是发动机提高功率最有效的方法。各种增压方法中，以废气涡 轮增压技术最成熟，效率也高，应用最广。近年来汽车发动机采用废气 涡轮增压日渐普遍。 增压：利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气 缸的过程。 增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大，使实际充气量增 加, 提高发动机功率和改善经济性。
pk πk = po
增压发动机按照增压比的大小可以分为：低增压 π k < 1.6 ，相 应的pme=0.7~1MPa；中增压 π k = 1.6 2.5 相应的pme=1~1.5MPa；高 增压 π k > 2.5 ，相应的pme>1.5MPa。
增压系统的分类
根据驱动增压器所用能量的来源不同，增压方法基本上可以分为以 下几类：
气波增压 是利用排气压力波使空气受到压 缩，以提高进气压力的方式。 气波增压器设有一个特殊形状的 气波增压器转子，由发动机曲轴带轮 经传动带驱动。在转子中发动机排出 的废气直接与空气接触，利用排气压 力波使空气受到压缩，以提高进气压 力。 气波增压器结构简单，加工方便， 工作温度不高，不需要耐热材料，也 无需冷却。与涡轮增压相比，其低速 转矩特性好；但其体积大，噪声水平 高，安装位置受到一定的限制。
本章重点介绍：1.汽车发动机增压系统常用的废气涡轮增压器的离 心式压气机和径流式涡轮机的主要工作参数和流通特性；2.恒压增压系 统和脉冲增压系统；3.增压发动机的性能。 本章的目的是要在熟悉废气涡轮增压器的结构的前提下，掌握离心 式压气机和径流式涡轮机的工作原理，掌握废气涡轮增压器与柴油机的 匹配特性及其调整。
η ad − k =
had − k hk
压气机的特性 压气机的特性是指压气机在不同转速 下的压比、效率与空气流量之间的关系。 压气机流量特性是由试验测得的，如 右图所示。从特性曲线上可以看出，当空 气流量 mk 沿等转速线由大向小变化时，开 η 始 π k 、 ad −k 均有所增加，达最高后下降。 当 mk 减小到某一值后，气流发生强烈脉动， 压气机工作不稳，这种现象称为喘振现象。 压气机出现喘振后，气流出现强烈的振荡， 引起工作叶轮叶片强烈的振动，并产生很 大的噪声，压气机的出口压力显著下降， 并伴随着很大的压力波动，这样，不仅达 不到预期的压力升高效果，严重时反而还 会损坏压气机的元件如叶片等。
径流式涡轮机
径流式涡轮机由进气蜗壳、喷嘴环、 工作轮及出气道等组成。蜗壳的进口与 发动机排气管相连，发动机的排气经蜗 壳引导进入叶片式喷嘴环。喷嘴环是由 相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过 喷嘴环时降压、降温、增速、膨胀，使 排气的压力能转变为动能。由喷嘴环流 出的高速气流冲击叶轮，并在叶片所形 成的流道中继续膨胀做功，推动叶轮旋 转。
为了提高发动机的输出功率Pe，由式：
Pe = PmeVs in ×10−3 30τ
Pme ∝
ηi ηvηm ρ k α
可知，通过下列方法可提高功率： 1）加大气缸总排量iVs，即增加气缸数i，增大气缸直径D和行程S； 2）提高转速n或活塞平均速度Cm； 3）提高平均有效压力pme；
显然，用加大车用发动机结构参数来提高发动机功率，将受到安装 位置和自重的限制。通过提高发动机转速，向高速发动机发展虽然是可 行的，但发动机转度的提高受到活塞平均速度的限制，因为充气效率ŋv 和机械效率ŋm都将随着活塞平均速度的提高而显著下降。 此外，燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命及噪声等因素也 限制了活塞平均速度的提高。 只有提高发动机的平均有效压力才是最经济有效的方法，它可通过 减小过量空气系数øa，提高充气效率ŋv和增加进入气缸的充量密度ρk来 实现。
压气机特性曲线
压气机主要参数： 1）增压比：