现代汽车发动机原理第8章 发动机增压

1915 瑞士 Alfred Buchi 排气涡轮增压发动机 1921年，装有压气机的汽油机第一次使用 年 现代内燃机增压技术： 现代内燃机增压技术： 增压压力、温度、 增压压力、温度、流量 排气温度、 排气温度、涡轮转速 增压器电子控制技术
8.2 废气涡轮增压器 组成：涡轮和压气机。 工作过程：废气经排气管进入涡轮，对涡轮 做功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轮，从而带 动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机 进气管。增压中冷发动机在压气机出口和发 动机进气管入口之间增设中间冷却器。 分为两大类：径流式涡轮增压器和轴流式涡 轮增压器。一般大型柴油机多采用轴流式； 而车用发动机多采用径流式，以适应高转速 及较高响应性能的要求。
机械增压器 (COMPRESSOR)
Roots supercharger
Twin-screw supercharger
机械增压器( 机械增压器 COMPRESSOR)
Sliding Vane Compressor
Spiral Supercharger
机械增压器( 机械增压器 COMPRESSOR)
机械负荷及热负荷增加 加速响应性能变差 对低速转矩有不利的影响 增压发动机性能的进一步 优化， 优化，受到增压器及中冷 器的限制 。
8.1.3增压技术的发展与现状
1907 美国 Louis Renault 机械增压发动机 1910 Murray Wi11at 二冲程旋转式汽油机， 二冲程旋转式汽油机，
废气涡轮增压（turbocharging） 废气涡轮增压（turbocharging）
TURBOCHARGOR） 废气涡轮增压器 （TURBOCHARGOR）
8.2.1离心式压气机的工作原理与特性
CENTRIFUGAL COMPRESSOR PEFORMANCE
1 结构及工作过程
进口段：新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮， 进口段：新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮， 压力温度略有下降，气流略有加速。 压力温度略有下降，气流略有加速。 叶轮通道： 叶轮通道：气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流 通道内，吸收叶轮的机械能，使气体的压力、 通道内，吸收叶轮的机械能，使气体的压力、流动速度和 温度均有较大的增长。 温度均有较大的增长。 扩压器：通道流通截面积逐渐增大， 扩压器：通道流通截面积逐渐增大，气体动能大部分转变 为压力能，压力和温度进一步升高，速度下降。 为压力能，压力和温度进一步升高，速度下降。 集气蜗壳：收集气体向内燃机进气管输送。 集气蜗壳：收集气体向内燃机进气管输送。
喘 振 线 各种转速下出现喘振的工作点联在一起。 各种转速下出现喘振的工作点联在一起。
出现喘振的流量。 喘振流量 出现喘振的流量。
压气机的堵塞（ 压气机的堵塞（CHOKING） 堵 塞
某一转速下，当流量增加到一定数值后， 某一转速下，当流量增加到一定数值后，压气机的增压比 和效率均急速下降，而流量却不会增加的现象。 和效率均急速下降，而流量却不会增加的现象。 一般当压气机效率低于65％后就认为压气机发生堵塞。 一般当压气机效率低于65％后就认为压气机发生堵塞。 65 增加转速才能继续增加流量。 增加转速才能继续增加流量。
压气机损失分析图
Analysis of Efficiency
摩擦损失
气流内部及气流与工作轮叶片表面、 气流内部及气流与工作轮叶片表面、扩 压器叶片表面等发生摩擦而产生。 压器叶片表面等发生摩擦而产生。 转速一定，流量增加，气流速度增大， 转速一定，流量增加，气流速度增大， 摩擦加剧，摩擦损失增大而增加。 摩擦加剧，摩擦损失增大而增加。
8.2.1离心式压气机的工作原理与特性
CENTRIFUGAL COMPRESSOR PEFORMANCE
参数
空气流量： 单位时间流过压气机的空气量叫空气流量。 空气流量： 单位时间流过压气机的空气量叫空气流量。 流量范围决定了压气机的使用范围。 流量范围决定了压气机的使用范围。 压气机出口压力与进口压力之比。 增压比 ：压气机出口压力与进口压力之比。压气机最主 要的工作指标。 要的工作指标。 压气机转速：压气机叶轮每分钟转数，它等于涡轮转速。 压气机转速：压气机叶轮每分钟转数，它等于涡轮转速。
8.1.1发动机的增压方式 发动机的增压方式 4.复合增压 复合增压 复合增压将上述多种增压方式加以组合， 复合增压将上述多种增压方式加以组合，以 获得更好的增压效果。 获得更好的增压效果。 复合增压不是一种独立的增压方式， 复合增压不是一种独立的增压方式，它只是 前面三种增压方式的组合， 前面三种增压方式的组合，如机械增压与涡 轮增压的组合，一般用于大型船用发动机； 轮增压的组合，一般用于大型船用发动机； 二级涡轮增压方式可获更高的增压压力等。 二级涡轮增压方式可获更高的增压压力等。
8.1.1发动机的增压方式 发动机的增压方式 近年来，机械增压重新得到重视与发展， 近年来，机械增压重新得到重视与发展，这 是因为： 是因为：
1)制造工艺水平和材料科学进步，使现代机械增压 制造工艺水平和材料科学进步， 制造工艺水平和材料科学进步 器体积与噪声大幅降低， 器体积与噪声大幅降低，效率和使用寿命有很大的 提高。 提高。 2)小排量发动机采用涡轮增压难度很大，而采用机 小排量发动机采用涡轮增压难度很大， 小排量发动机采用涡轮增压难度很大 械增压，则可以获得比涡轮增压有更好的动力、 械增压，则可以获得比涡轮增压有更好的动力、转 矩甚至经济性能。 矩甚至经济性能。 机械增压特点：不增加发动机背压， 机械增压特点：不增加发动机背压，但消耗其有效 功率；体积较大，总体布置有一定局限性； 功率；体积较大，总体布置有一定局限性；噪声大 机械磨损量大；增压压力一般不超过0.15～ ，机械磨损量大；增压压力一般不超过 ～ 0.17MPa。 。
1 ）流量特性曲线
在同一转速下， 在同一转速下，压气机增压比和效 率随压气机流量的变化关系简称为 压气机的（流量）特性。 压气机的（流量）特性。 以流量为横坐标，压比为纵坐标， 以流量为横坐标，压比为纵坐标， 把不同转速下的压气机特性曲线绘 制在一起， 制在一起，其中效率以等值线的形 式表示，称为压气机的万有特性 万有特性。 式表示，称为压气机的万有特性。
排气涡轮增压 (TURBOCHARGOR)
气波增压 (COMPREX)
8.1.2发动机增压技术的优势与代价
Advantages and disadvantages 优 势
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
代 价
1. 2. 3. 4.
发动机动力性与经济性提高 体积和质量功率密度提高 材料利用率提高， 材料利用率提高，成本下降 排气噪声降低 ， 高原功率恢复， 高原功率恢复， 压力升高率和燃烧噪声降低 HC、CO和碳烟排放降低 HC、CO和碳烟排放降低 技术适用性广
第8章 发动机增压 8.1.1发动机的增压方式 发动机的增压方式 1.机械增压 机械增压 增压器由发动机的曲轴通过机械传动系统直 接驱动，将气体压缩并送入发动机气缸，实 接驱动，将气体压缩并送入发动机气缸， 现对进气的压缩。 现对进气的压缩。 汽油机增压， 汽油机增压，在增压原理上虽然与柴油机增 压基本相同， 压基本相同，但在技术上要比柴油机增压困 难得多。 难得多。一般汽油机很少应用 机械增压发动机具有较好的低速转矩和加速 响应性能，但由于噪声和使用寿命问题影响 了实际使用。
8.1.1发动机的增压方式 发动机的增压方式 2.废气涡轮增压 废气涡轮增压
压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器， 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， 排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进 气增压。发动机排气涡轮增压系统包含压气机、 气增压。发动机排气涡轮增压系统包含压气机、涡 轮机、中冷器等部件。 轮机、中冷器等部件。 废气涡轮增压在低速、 废气涡轮增压在低速、低负荷以及发动机处于动态 运行工况时优势不大，其缺点非常突出， 运行工况时优势不大，其缺点非常突出，主要表现 在加速冒烟和加速响应缓慢等方面； 在加速冒烟和加速响应缓慢等方面；而机械增压方 式在低速转矩响应性、加速性、 式在低速转矩响应性、加速性、对特性场适应性及 起动性等方面与废气涡轮增压相比具有很大优势。 起动性等方面与废气涡轮增压相比具有很大优势。
压气机消耗的机械功为 压气机消耗的机械功为： 机械功
& mc pT0 k −1 & k & − Wc = mc p (T02 − T01 ) = π b − 1 ηb
Enthalpy-entropy diagram
3 离心式压气机的特性
Performance of Compressor
折合流量: 折合流量 折合转速: 折合转速:
mnp = mb
101.3 T0 p0 293
n np = n b
293 T0
压气机的通用特性曲线
8.2.2径流式涡轮机的工作原理与特性
RADIAL TURBINE 径流式涡轮机的工作原理
喷嘴环是由周向均匀安装、 喷嘴环是由周向均匀安装、 是由周向均匀安装 带有一定倾角的多个叶片组成 叶片之间形成渐缩通道。 ，叶片之间形成渐缩通道。 内燃机高温排气流过喷嘴环 内燃机高温排气流过喷嘴环 时被加速，压力、温度下降， 时被加速，压力、温度下降， 速度大大增加， 速度大大增加，一部分排气能 量转化为气流的动能。部分小 量转化为气流的动能。 型涡轮常设计为无叶喷嘴环结 构。
8.2.1离心式压气机的工作原理与特性 1 工作原理
压气机中的能量转换 COMPRESSOR EFFICIENCY
压气机的等熵效率为 压气机的等熵效率为： 等熵效率
ηbห้องสมุดไป่ตู้=
等熵压缩功 h02 s − h01 = 实际压缩功 h02 − h01
T02 s − T01 T01[( p02 p01 )( k −1) / k − 1) = = T02 − T01 T02 − T01
第8章 发动机增压 8.1 发动机增压概述 增压是在不改变气缸工作容积大小的前提下 利用增压器增加进入气缸前的空气压力， ，利用增压器增加进入气缸前的空气压力， 有效地提高进入气缸中的充气密度。 有效地提高进入气缸中的充气密度。 大功率柴油机、 大功率柴油机、半数以上车用柴油机及相当 比例高性能汽油机均采用增压技术。 比例高性能汽油机均采用增压技术。 汽油机增压， 汽油机增压，在增压原理上虽然与柴油机增 压基本相同， 压基本相同，但在技术上要比柴油机增压困 难得多。 难得多。一般汽油机很少应用
8.1.1发动机的增压方式 发动机的增压方式 3.气波增压 气波增压 气波增压是根据压力波的气动原理利用排气 系统中的气体的压缩波和膨胀波进行能量传 递使得进气压力提高从而实现增压。 递使得进气压力提高从而实现增压。可变长 度进气管是直接利用进气压力波和气流惯性 增加缸内进气量， ，增加缸内进气量，某种意义上也是一种气 波增压。 波增压。
3) 压气机的通用特性 （UNIVERSAL PERFORMANCE MAP）
• 根据相似理论，不管压气机进口条件如何，只要马赫数相同， 根据相似理论，不管压气机进口条件如何，只要马赫数相同， 在压气机内的气体流动就相似，流动损失也相似。 在压气机内的气体流动就相似，流动损失也相似。 • 马赫数表示流动相似不直观，采用与上述相似参数成正比的 马赫数表示流动相似不直观， 折合参数来表示。折合参数分别是 折合参数来表示。折合参数分别是 :
撞击损失
气流与叶片撞击造成。 气流与叶片撞击造成。 设计工况下最小， 设计工况下最小，偏离设计工况撞击 损失增加
2）压气机的喘振和堵塞（surge and choking） ）压气机的喘振和堵塞（ ） 喘 振
在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度后， 在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度后， 气体就会在叶轮或扩压器入口处出现边界层的分离， 气体就会在叶轮或扩压器入口处出现边界层的分离，导致气 体回流，扩展到压气机的其他部分，气流出现强烈的振荡， 体回流，扩展到压气机的其他部分，气流出现强烈的振荡， 引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大的噪音的现象。 引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大的噪音的现象。