汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第四章

二、离心式压气机特性线的调整方法
１.流量范围的选择
图４-１０ 涡轮增压器的工作范围
２.移动喘振线位置
１)改进叶片扩压器进口构造角。 ２)改变叶片的宽度。
３)控制压气机的堵塞
三、增压发动机在结构上的变动
１.增大供油量，调整供油系 增大循环供油量，但必须保证不增加供油持续角。 否则燃烧过程拉长，经济性变差，排气温度升高， 热负荷增加。
图3–9 涡轮机的特性
二、离心式压气机的工作原理与特性
基本工作原理 ：空气沿 收敛型的轴向进气道略 有加速地进入工作轮， 并沿着工作轮上叶片所 构成的通道流动，由于 工作轮中的空气随工作 轮一起旋转，工作轮的 机械能传递给气体，转 变为气体的动能，使气 体运动的线速度增大， 使之能克服气体微团所 受径向压差的作用，而 沿着螺旋线轨迹向轮缘 方向运动，达到了增压 的目的。
变时，排气压力波动立刻发生变化，并迅速传到涡轮机，引起涡轮机
转速变化。 ４)脉冲系统的绝热效率较低，这是因为该系统有较大的流动损失、撞 击损失和部分进气损失。 ５)脉冲系统的涡轮尺寸大，这是因为脉冲系统流量是脉动的，最大瞬
时流量比恒压系统大。
４.增压系统的选择 增压系统的选择原则是：低增压时 选择脉冲系统，高增压时选用恒压系 统。车用发动机均选用脉冲增压系统， 这是因为车用发动机大部分时间在部
2. 低速转矩性能变差
主要是由于低速时发动机排出的废气能量低，增压器 增压压力不高，致使循环供气量不足，转矩增量明显比高 速时低。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使 增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合，以及采用低 速气门定时等，是可以改善其低速转矩的。
3.
加速性能变差
由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器 自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压 内燃机的加速性能比非增压内燃机的差。 为了改善加速性能，可以采用脉冲增压系统，减少进、 排气管道容积，采用放气调节或可变喷嘴，减少转子的转 动惯量，采用较小的气门重叠角等。另外．利用车辆上空 气制动系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射．
图3–13 离心式压气机的流量特性
10ZJ型涡轮增压器
废气涡轮增压器结构
涡轮增压器的结构
涡轮增压套件
半开式工作轮
第三节 废气能量的利用 １.恒压增压系统
恒压增压系统结构特点是有一根尺 寸较大的排气总管，所有气缸的排气 均流入总管。由于总管尺寸大，同时 各缸排气相互交替补充，使排气管内 压力波动很小，进入涡轮机前的压力 基本稳定，如图４-９ｂ所示。
图４-９ 涡轮增压柴油机的排气压力曲线 ａ)脉冲系统 ｂ)恒压系统
2.恒压与脉冲两种增压系统的比较
１)由于脉冲系统部分利用了废气脉冲能量Ｅ１，所以系统的可用能量 比恒压系统大。
２)脉冲增压系统扫气效果好，因为脉冲系统在扫气时废气压力PＴ正处
于低谷，大于恒压系统的(Pｋ－PＴ)。 ３)脉冲系统的加速性能好，因为其排气系统容积小，当柴油机负荷改
荷和排气温度。试验表明，增压空气温度每
降低１０℃，柴油机的循环平均温度可降低
２５～３０℃，在压比为１.５～２时，供气
量能比不用中冷器时提高１０％～１８％，
发动机的动力性和经济性都会得到改善。冷
却增压空气的方法有水冷和空气冷却两种。
６.增压技术应用实例
表４-１ ６１３５Ｇ与６１３５ＺＧ柴油机性能及结构比较
废气涡轮增压器
涡轮增压的原理
红色为高温废气，蓝色为新鲜空气
(３)复合增压 系统 将废 气动 力涡轮与 废气 涡轮增压器串 联起来工 作 ， 称为复合 式增 压系统。
(4)组合增压系统
组合式涡轮增压 系统由废气涡轮增 压与进气惯性增压 组合而成。在该增 压系统中，除废气 涡轮增压器外，还 有由稳压箱、共振 管、共振室等构成 的进气惯性增压系 统，利用压力峰值, 进一步提高增压后 的进气压力。
(５)气波增压系统
所谓气波增压， 是由曲轴驱动一个特 殊转子，在转子中废 气直接与空气接触， 利用高压废气的脉冲 气波迫使空气在互相 不混合的情况下受到 压缩．利用进气及 排气系统中的波动效 应来压缩进气。从而 提高进气压力。
增压度φ
•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。
增压比
分负荷下工作，对转矩特性和加速性
能等要求较高的缘故。
第四节 涡轮增压器与柴油机的匹配
一、柴油机选配涡轮增压器的要求
１)柴油机应能达到预定的动力性和经济性指标，涡轮增压器 应能供给柴油机所需的增压压力和空气流量。 ２)涡轮增压器应能在柴油机的各种工况下稳定的工作，压气 机不应出现喘振现象，涡轮机不出现堵塞现象。 ３)涡轮增压器在柴油机的各种工况下都能高效率的运行。 ４)涡轮增压柴油机在各种工况下都能可靠的工作。
图４-１１ ６１３５ＺＧ型与６１３５Ｇ型性能对比
四、增压发动机性能
一、增压前后发动机动力性及经济性的变化 • 增压后平均指示压力提高。 • 增压后机械效率提高。 • 增压后内燃机的充量系数是增大的。 二、废气涡轮增压对发动机其它性能的影响 １. 降低排气污染和噪声 通常增压柴油机为富氧燃烧，有害气体HC和 CO的排放量一般为非增压机的1／3~l／2，如果措 施得当（例如采用高喷射率并延迟喷射），NOx 排放量也显著降低。
４.进、排气系统
脉冲系统中，为了使扫气期间各缸排气不 致互相干扰，排气管必须分支。分支的原则 是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠。 四冲程机一根排气管所连接气缸数目一般不 超过三个，三个气缸的排气期必须合理岔开。
５.冷却增压空气
增压空气冷却，一方面可提高进入气缸 的空气密度，提高功率，同时也降低了热负
增压的缺点
• 1. 热负荷与机械负荷大
• 2. 低速时转矩受影响
• 3. 加速响应性差 • 4. 增压器对发动机性能优化的限制
第二节 废气涡轮增压器的基本结构及原理
一、径流式涡轮的工作原理
1 燃气在涡轮机中的流动
离心式压 气机
中间体
径流式 涡轮
废气从工作叶轮转子的外缘由进 气蜗壳流入，经过一系列工作路径后 从涡轮中心轴向流出。 在涡轮工作叶轮中，叶片之间的 通道也是呈渐缩状，气体在通道中将 继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片 时，气流转弯。由于离心力作用的结 果，在叶面的凹面上压力得到提高， 而在凸面则降低。作用在叶片表面的 压力的合力，产生了转矩。此时，在 工作轮出口处压力、温度以及速度均 下降，而出口处的气体速度已经大大 小于进口速度，气体膨胀所获得的动 能已大部分传给了工作叶轮。
•增压比是指增压后空气压力ｐ 与增压 前的空气压力ｐ 之比 •增压发动机按照增压比的大小可以分 为：低增压，ｋ＜１.６，中增压，ｋ ＝１.６～２.５，高增压，ｋ＞２.５，
ｋ ０
增压的优点
• 1. 比质量小、升功率大
• 2. 降低造价、提高材料利用率 • 3. 排气噪声降低、燃烧噪声降低 • 4. 有利于高原等稀薄条件工作 • 5. 排放降低 • 6. 适用性广
ad k
had k hk pk k RT0 1 k 1 p0 T ' 4 T0 k T4 T0 RT4 T0 k 1
压气机特性曲线 ：
(１) 压气机的流量特性 压气机的流量特性是表示压气 机转速不变时，压气机的增压比和 绝热效率随空气流量的变化关系。 (1) 压气机的喘振与堵塞 压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧 时，其工作是稳定的；而当处于喘 振线左侧时，压气机的工作就变得 不稳定甚至有危险了。 压气机的堵塞 当增压比继续降低时，气体 流量却不再增加，此时的气体流量 称为堵塞流量，它也是该转速下压 气机所对应的最大流量。
图3–10 离心式压气机简图 1—进气道；2—工作轮；3—扩压器；4—出气蜗壳
主要参数： 1）增压比
pk k p0
2）流经压气机的每秒质量流量 mk 或容积流量 V0 3）压气机转速 nk 4）压气机的绝热效率 ad k 定义为1kg 空气的绝热压缩功与实际压缩功 k 1 之比。 k
带中冷器的废所涡轮增压系统 图中蓝色的为进气管，红色的为排气管。
２. 混合气的调节 汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增 压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难 于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增 压方案的选择、化油器的密封、加速响应性能等新 问题。 ３. 热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀 比小，废气温度也比柴油机高200℃～300℃。增压 后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。 ４. 对增压器的特殊要求 汽油机要求增压器体积要小、耐高温性能要好、 转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内， 还要求有增压调节装置，这就造成它的成本比柴油 机用增压器要高。
按增压系统的结构形式： (1)机械增压系统 发动机输出轴直接驱 动机械增压器，实现对进 气的压缩。 增压器有：离心式 压气机、罗茨式压气机、 螺旋转子式压气机或滑片 转子式压气机等。 用于小功率发动机。
图3-1
罗茨式压气机
(2)废气涡轮增压系 统 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。
第四章 发动机废气涡轮增压
第一节 概 述
第二节 废气涡轮增压器的基本结构及原理
第三节 废气能量的利用
第四节 涡轮增压器与柴油机的匹配 第五节 工程应用实例(文摘)
第一节 概述
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。 增压分类: 按增压比（增压后气体压力与增压前气体压力之比 ） 低增压： ＝1.3～1.6， ＝700 ～1000kPa； 中增压： k ＝1.6～2.5， pme ＝1000～1500kPa； 高增压： ＞2.5， ＞1500kPa； 超高增压 ＞4.5～5.5， ＝2500～3500kPa。
五、汽油机增压的困难
从废气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与 柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压 技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动中得到应用 外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。 限制汽油机压的主要技术障碍： １. 爆燃 汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温 度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将 促使爆燃的发生，限制汽油机增压。 采用降低压缩比、推迟点火时刻、中冷技术解决。
２.改变配气相位
１)合理地加大气门重叠角，以增加扫气空气，冷却受热零件，
降低热负荷，提高充气效率，改善涡轮的工作条件。 ２)为使充气效率提高，可增大进、排气门的升程，为避免气
门碰撞活塞，活塞顶部可挖凹坑。
３)改进气门和气门座的结构和材质，以提高其耐磨性。
３.减小压缩比，增大过量空气系数
１)为了降低最高爆发压力，压缩比可适当降低。 ２)增加过量空气系数，其目的在于降低热负荷和改 善经济性。
4. 起动与制动有一定困难
柴油机起动时，因无高温废气，涡轮机无法正常工 作，压气机也就不能正常供气。增压柴油机在起动瞬时的 进气压力及温度均不高．再加上增压柴油机的压缩比较低， 使起动时压缩终点的温度降低．造成着火与起动困难。 一般非增压机改为增压机后，转速均有所降低，这时， 车辆后桥传动比也应作相应改动。
q mT
* TT* pT
相似流量
q mT 为气体质量流量， T * 为滞止温度， T
* pT 为气体滞止压力。
(4)
相似转速
n TT*
相似转速
n为涡轮转速
涡轮机所发出的功率
qmT H T PT T 1000
2） 涡轮机特性曲线
涡轮机特性曲线：以相 似流量为横坐标，以膨 胀比为纵坐标，以相似 转速为参变量的一组曲 线。 转速一定，相似流量随 膨胀比的增大而增大， 直到达到流量最大值， 即达到了当地声速，即 使再继续增大膨胀比， 该处的气流速度仍维持 当地声速，涡轮流量也 不会再增加。
2. 涡轮机特性曲线 1) 涡轮机参数 (1) 涡轮效率 T
涡轮效率为涡轮机轴上的有用功 WT 与废气 所拥有的能量 H T 的比
WT T HT
(2 )
膨胀比 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
T p
* T
p
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