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发动机废气涡轮增压技术资料-文档资料

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第三章 发动机废气涡轮增压

第三章 发动机废气涡轮增压

增压前功率
目前，车用发动机的增压度不高，大约在10％～ 60％的范围内，大部分为20％～30％（而船用大型低 速四冲程柴油机的增压度可达到3.0以上）。这是因 为车用发动机增压不仅要求功率增加，而且还要在较 大的转速和负荷范围内满足动力性能、经济性能、排 放与成本等多方面的要求。
限制增压度提高的主要原因是机械负荷
b） 由于废气涡轮增压和机械增压都有着各自的先 天缺陷，于是大众就利用了这两种增压性能优缺点 的互补性开发出了TSI复合增压系统：复合增压发动 机实际有两套增压系统，当发动机低转速工作时， 机械增压器开始工作，既能够获得良好的油门效应， 又能够增大发动机扭矩输出，而且在低转速时对发 动机功率的消耗并不大。而发动机进入中高转速后， 则完全依靠涡轮增压器来进行增压，这样不仅避免 了涡轮迟滞，让涡轮有足够的加速时间，还在很大 程度上增加了低转速时发动机扭矩，避免了高转速 时机械增压器产生噪音。 目前大众已经在旗下的高尔夫和新途安上配备 了该款发动机，排量虽然只有1.4L，但是在双增压 的作用下能释放出200匹的动力。 大功率柴油机上用的较多,输出功率大、燃油消 耗率低、噪声小，但结构过于复杂。
机械增压目前在 欧洲市场用得较多， 如奔驰C200K 。我国 在北京奔驰E200K和 路虎揽胜运动版上， 都装备了机械增压发 动机。
奔驰C200K 机械增压典型 奔驰C200K是奔驰的一款小型Ｃ级车，发动 机为直列四缸1.8升排量，由于配备了机械增加 器，其动力输出堪与奔驰C240的V6 2.6Ｌ发动机 媲美。其240N.m最大扭矩在3000-4000转时就能 达到，而奔驰C240的最大扭矩要到4500转时才 出现。
k 1 k Pk T0 1 P0 Tk T0

第三章 发动机废气涡轮增压(2)

第三章 发动机废气涡轮增压(2)

进气旁通
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3、可变截面涡轮 （1）双蜗壳通道涡轮 （2）可变蜗壳通道流通截面涡轮 （3）变喷嘴环流通截面涡轮
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第五节 汽油机增压概述
一、汽油机增压的特点 限制汽油机增压的主要技术障碍是爆燃、混合气的控制、热 负荷和增压器的特殊需求等。 （1）爆燃 必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等技术 措施补救。 （2）混合气的调节 （采用电控汽油喷射技术） （3）热负荷 （采用涡轮前放气的调节方案） （4）对增压器的特殊要求 （要求体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小；还要求 有增压调节装置。 ）
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二、汽油机涡轮增压的主要技术措施
1、降低压缩比
汽油机增压由于受爆燃的限制，必须降低压缩比，使用高辛 烷值燃料，采用中间冷却混合气和向气缸喷水等技术措施。 在燃料辛烷值保持不变时，增压后的许用压缩比可用下式估 算其近似值
式中，ε0是非增压时的许用压缩比；εk是增压后的许用压缩 比。 试验数据表明，在使用辛烷值为90的汽油时，汽油机的压 缩比从8.6降到7.0，废气涡轮增压后的最大功率可增加40％～ 50％。
三、汽油机废气涡轮增压器的布置
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第六节 车用增压发动机的性能
—、增压前后发动机动力性能及经济性能的变化
（动力性能）
（经济性能）
假定：增压前后内燃机的转速n及过量空气系数Фα保持不 变，并以下标“0”表示非增压（原机）参数，下标“k”表示用 压后的参数，则有
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根据假定，可认为ηitk／ηit0≈1. 增压前后气体密度的变化，与增压压力和增压气体的温度 都有直接关系。根据压气机的
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2、增压压力控制系统（旁通放气） 3、减小增压后的“反应滞后”现象 措施：一般可采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案；带旁 通阀的控制系统，减小进排气管长度及容积、提高压缩比及可 变点火正时等措施，来减小“反应滞后”现象。 4、燃料供给系统的调整 （1）汽油泵 措施：可以采用由电动油泵和燃油压力调节阀联合工作的 方法，来满足增压所需的供油压力和供油量。 （2）点火提前角的调整 措施：①采用随增压压力增加而自动推迟点火提前角的装 置。 ②使用抗爆剂或较高辛烷值的燃料时，则应适当增大点火 提前角。③增压汽油机应选用冷型火花塞，并适当缩小火花塞 的间隙。

第四章(发动机废气涡轮增压)

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。

发动机废气涡轮增压技术资料

发动机废气涡轮增压技术资料

一般，当增压空气的压力超过1.5MPa时，就值得采用中冷。
解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。
增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低20K，燃油消耗率可减少3g/kW.h。
增压中冷技术
内燃机增压的优缺点
改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。 增加了发动机的升功率； 扩大了内燃机高原适应性： 有利于降低有害气体排放和噪声。 (HC降低，高负荷的NOx降低，空气充足使碳烟有所降低；温度高使着火延迟期缩短）
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。
随着流量和转速的增加，喘振点对应的增压比是向增大方向移动的
压气机的喘振与堵塞
在压气机的某一转速下，通过压气机的气体流量随增压比的降低而增加。当流量增加到一定数值后，压气机通道中的某个截面达到临界条件。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，也是该转速下压气机所对应的最大流量。
机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机上常用容积式压气机： 罗茨式；螺杆式；转子活塞式。
２、废气涡轮增压
废气涡轮增压利用内燃机排气中能量来实现增压，油耗率可低5%～10%。 质量功率和体积功率比非自然吸气内燃机明显改善，一般可提高功率20%-50%，易实现高增压。 可降低排气噪声和烟度。
可变涡轮喉口截面增压器
压气机；2.可变喉口截面调整板；3.调整板及调整机构；4.操纵机构；5.操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面 低速 高速
可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。

第三章废气涡轮增压

第三章废气涡轮增压

a、膨胀比↑，流量↑；
0.6
0.8 1.0
气阻： 流速达到声速时，流量不再增加，
易发生在喷嘴叶片环出口处。
1.0
b、转速↑，效率↓；
c、膨胀比不变时，转速↑，流量↓； 流量不变时，转速↑，膨胀比↑。 0
0.8
n 0.6
TT
qmT TT / PT
涡轮特性曲线
三、离心式压气机： 1、压气机结构：
扩压器 工作轮 外壳
特点结：构简单，加工方 便，低速转矩性能好；但 体积大、噪音大，且易受 进、排气阻力的影响。
4、废气涡轮增压与其他增压方式相比 优点有：
（1）发动机结构无须做重大改变，且增压器体 积小、重量轻，且易实现高增压；
（2）由于驱动能量来自废气，相对减少了机械 损失（泵气损失）和热损失，提高了机械效率和热 效率（油耗降低5%-10%）；
（3）动能转变为压能（扩压器） （4）动能进一步转变为压能（壳道）
4、压气机主要参数：
（1）增压比 k
pk p0
压气机入口状态下
（2）质量流量 m（k kg/s)和容积流量 （V0m3/s)。
（3）压气机绝热效率 ：k
p
1kg空气绝热压缩功与实 a 4' 4
际压缩功之比，表明压气机
多变
轴功转变为有用压缩功的程
5、可变喷嘴环：
原理：低速、低负荷时使喷嘴叶片环流通截面变小，增大气流速度； 高速、高负荷时增大流通截面，适当降低废气流流速。
第4节 汽油机增压概述
一、汽油机增压需考虑的关键性问题： 1、爆燃（爆随震着）压：缩终点压力、温度以及零件热负荷 的升高，爆震倾向加大。 2、热负汽荷油：机燃烧温度高、排气温度高，进气增压后又 不能像柴油机那样利用大的气门重叠角来加强扫气效果， 因而热负荷将更加严重。

《车辆发动机废气涡轮增压》_第一章

《车辆发动机废气涡轮增压》_第一章
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增压的基本方式
气波增压
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增压的基本方式
离心式 特点：

转速高
增压压力高
体积小
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增压的基本方式
由发动机经传动系驱动，称为机械增压 特点：

经传动系驱动，安装 受限
降低机械效率ηm

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增压的基本方式
由废气经涡轮机驱动，称为废气涡轮增压
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增压的基本方式
由废气经涡轮机驱动，称为废气涡轮增压
排气加热进气影响增压效果效率不高噪声源505152535455浮动轴承止推轴承润滑密封隔热冷却5657坦克的发展趋势是高功率密度即同样大小的发动机能发出更强劲的动力高增压技术提供更多的空气进行燃烧从而提高功率先进坦克58高空长航时无人机随着高度增加空气密度越来越稀薄导致功率下降从而限制了无人机的飞行高度高增压技术补偿空气密度的下降恢复功率提高升限高增压技术是提高无人机飞行升限的最关键的核心技术之一100150200250300350400450000003006009012015018021024027030correctedairflowkgs7671592006年度国际最佳发动机奖的评选中大众汽车公司研发的利用机械增压和涡轮增压进行双重增压的tsi发动机发动机成为最大亮点
教材与参考书
教材：《车辆发动机废气涡轮增压》
参考书：
朱大鑫 编著, 《涡轮增压与涡轮增压器》, 机械工业出版社, 1992 陆家祥 主编, 《柴油机涡轮增压技术 》, 机械工业出版社，1999.9
霍尼韦尔(Honeywell)增压器 /turbobygarrett/ 博格华纳（BorgWarner）增压器 /
涡轮增压的应用（3）

全球最省油的车， 大众3L Lupo TDI。 绕地球一圈实测油 耗百公里2.7升。 发动机为1.2升3缸 柴油机，功率为 45KW。采用技术： 涡轮增压直接喷射

废气涡轮增压资料

一、柴油机增压的概述 1增压、增压度、中冷器 1）增压：用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力pi和柴油机的平均有效压力pe
2）增压度 （1）定义：柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值 （2）限制提高的因素：机械负荷与热负荷（主要） （3）排气阀随增压度提高而提前开启以满足高增压时废气涡轮与压气机的功能平衡
四、废气涡轮增压器的工作原理 1、离心式压气机 1）进气道流道渐缩，气体压力、温度降低，流速提高 2）工作轮对气体作功，压力、温度、流速升高 3）扩压器和排气涡壳流道渐扩，压力、温度升高，流速降低
2、单级轴流式涡轮机 1）喷嘴环喷嘴流道渐缩，废气压力、温度降低而流速升高 2）叶轮叶片前缘在径向沿转向向前扭曲，工作叶轮作机械功，流道渐缩，废气压力、温度、绝对速度下降 3）反动式涡轮机回转力矩来自冲动力矩和反动力矩（两力矩方向相同），都是在叶轮叶片上产生的；废气对涡轮做功多少主要取决于废气流量和热状态
3）涡轮端轴承 支持轴承，只承受转子的径向负荷 4）滚动、滑动轴承 （1）滚动轴承摩擦损失小，用于中小型增压器 （2）滑动轴承结构简单，寿命长，用于大型增压器
5）润滑方式 三种：甩油盘的飞溅润滑、专门油泵润滑、柴油机润滑系统供油润滑。最好是重力－强力混合润滑系统，因为透平油泵故障时重力油柜能维持短时供油。专门油泵润滑油泵多为齿轮泵，主机开航前备车时冲车、试车后应及时检查滑油泵供油情况
2）按照增压压力pk的高低或增压比πb分: （1）低增压pk≤0.15MPa或πb ≤1.5 （2）中增压pk＝0.15～0.25MPa或πb ＝1.5－2.5 （3）高增压pk＝0.25～0.35MPa或πb ＝2.5－3.5 （4）超高增压pk＞0.35MPa或πb ＞3.5 注：现代船用低速柴油机的增压压力在0.3MPa 左右
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可调喷嘴环用于增压器与 内燃机的高速匹配。通过 可调喷嘴环改善低速性能。
提高平均有效压力Pme 方法：
减少过量空气系数、提高充量系数、增加充气密度（增压）
增压度φk：发动机在增压后增长的功率与增压前功率 之比
φk范围为10%~60%。大部分为20%~30%。
增压比k：进入气缸的气体压力Pk与大气压力P0之比 增压的范围:
低增压： k ＝ 1.3~1.6 （内燃机平均有效压力pme＝0.7～10MPa）
速不变时，
各特性与 空气流量 间的关系
压气机的喘振与堵塞 压气机流量很小时，气流会出现强烈的振荡，引
起工作轮叶片强烈振动，并产生很大的噪声，压气 机的出口压力显著下降，并伴随很大的压力波动， 此现象称为压气机的喘振。
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。
低速时，喷嘴角 度小，流通截面 小；高速时喷嘴 角度大，流通截 面能保证涡轮从 废气中获取足够 能量达到压气机 的需求。
可变喷嘴环增压器特性
左图中①～④是喷嘴环角 度以此减小的情况。随着 内燃机转速下降，压气机 的增压压力不但没有下降， 反而提升到高转速水平， 从而保证增压内燃机的低 速性能。
５、谐波增压—ACIS
双增压器顺序增压
多缸发动机上使用两台增压器。 在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速
反应性能。 在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。
第二节 增压器
径流式涡轮的工作原理
燃气在涡轮机中的流动：废气在进气涡壳的引 导下均匀地进入涡轮，并推动涡轮高速旋转， 实现压力能与机械能的转换，低压废气从涡 轮中心轴向流出。
低速时使用一个进气 通道；高速时，进气 量大，使用两个通道， 可以改善增压发动机 的过渡性能。
可变进气道增压器性能
可变喷嘴环增压器
各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上，再经传动杆3与喷嘴控制盘4相 连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。
通过调整涡壳5与涡 轮叶轮6之间的喷嘴 环角度来调整涡轮流 通截面。
主要用途：提高发动机低 速转矩
机械增压器的种类
机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内 燃机上常用容积式压气机： 罗茨式；螺杆式；转子活塞式。
பைடு நூலகம்
２、废气涡轮增压
废气涡轮增压利用 内燃机排气中能量 来实现增压，油耗 率可低5%～10%。
质量功率和体积功 率比非自然吸气内 燃机明显改善，一 般可提高功率20%50%，易实现高增 压。
可降低排气噪声和 烟度。
废气涡轮增压的分类
废气涡轮增压器主要由压 气机和废气涡轮组成。
压气机主要是离心式的。 废气涡轮分：
轴流式； 径流式； 斜流式（混流式）。
由于发动机排气能量利 用的不同，有两种经典 的、基本的增压形式：
脉冲涡轮增压；
等压涡轮增压。
3、复合增压
4、气波增压
一般，当增压空气的压力超过1.5MPa时，就值得采用 中冷。
解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的 空气。
增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低 20K，燃油消耗率可减少3g/kW.h。
内燃机增压的优缺点
优点：
缺点：
改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。
气波增压是通过气波增压器 利用气体质点和压力波的反 射特性，使排气和进气之间 进行直接的能量交换，以增 大进气密度。
气波增压对内燃机工况反应 迅速，使气波增压的加速性 好，且低速时空气的压缩程 度高，低速转矩好。工作温 度低，不需要耐高温材料。 但体积大，噪声大，安装位 置受到一定限值。匹配要求 高，防止窜烟。
增加了柴油机的 机械负荷；
增加了柴油机的 热负荷；
增加了发动机的升功率； 扩大了内燃机高原适应性：
增加了汽油机的 爆燃倾向。
有利于降低有害气体排放和噪声。
(HC降低，高负荷的NOx降低，空气充足使碳烟有所 降低；温度高使着火延迟期缩短）
１、机械增压
由曲轴经过齿轮增速箱驱 动压气机。
机械增压增压压力高，压 气机消耗的功率大。为使 内燃机机械效率不要过分 下降，增压压力Pk不能过 高。 Pk <160~170 kPa
随着流量和转速的增加，喘振点对应的增压比是 向增大方向移动的
在压气机的某一转速下，通过压气机的气
体流量随增压比的降低而增加。当流量增
加到一定数值后，压气机通道中的某个
截面达到临界条件。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，也是该转速下压气机所对应 的最大流量。
可变进气道增压器
中增压： k ＝ 1.6~2.5 （pme＝1.0～1.5MPa）
高增压： k ＞2.5 （pme＞ 1.5MPa）；
超高增压： k ＞ 4.5~5.5 （pme>2.5~3.5MPa）。
增压中冷技术
增压空气温度增加，在柴油机中引起增压条件下进气密 度减小，即在保持不变过量空气系数下，意味着功率下 降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机机械负荷 又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃 烧，但却使燃烧室内受热零件的热负荷增加，排温过高， NOx增加。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功 率下降外，最主要的是爆震倾向增加。
发动机废气涡轮增压技 术资料
精品
第一节 概述
增压：为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方法。 （广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密 度的一切方法，都称为增压。）
目的：通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性
提高发动机功率的途径：
Pe
Pm eVhn
30
i103
①改变结构参数。增加i、Vh(D、S)，减少τ，但体积和重量 增加 ②提高转速。但充量系数和机械效率减少，机件寿命减少， 噪音大 ③提高平均有效压力Pme。
喷嘴叶片环上均匀安装带有一定倾角的叶片 组成多个渐缩通道，使部分压力能转变为动 能，便于高速气流均匀而有序地进入涡轮叶 轮。
离心式压缩机工作原理
主要参数：压气机转速 增压比 k=pk/p0 质量流量mk或容积流量V0
压气机转速nk 每分钟可达几万转甚至十几万转 压气机的绝热效率
压气机特性曲线
压气机转