發動機原理 第二篇動力輸出與能量利用 第七章發動機廢氣渦輪增壓 7 1發動機增壓的基本方法與原理 提高發動機的有效功率和平均有效壓力的途徑 1 改變發動機的結構參數 如增加氣缸數 增大氣缸直徑 活塞行程和減少行程數等 2 提高發動機轉速或活塞平均速度 3 提高發動機的平均有效壓力 發動機增壓的概念和特點 所謂增壓 就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮 再送入發動機氣缸的過程 特點 1 尺寸減小 質量減輕 2 摩擦損耗相對較小 3 可將扭矩特性改進為低速高扭矩這對車用機非常有利 4 可進行高原功率補償補 5 排放降低 6 降低噪聲 7 機械損失減少 經濟性得到改善 8 零部件的機械負荷和熱負荷增加幾個概念 增壓度 發動機在增壓后增長的功率與增壓前的功率之比 增壓比是指增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比 簡稱壓比 增壓的結構形式及分類 機械式增壓 1 排氣管2 氣缸3 曲軸4 齒輪副5 壓氣機6 進氣管 2 廢氣渦輪增壓 1 排氣管2 渦輪殼體3 渦輪4 轉子軸5 壓氣機6 集氣器7 進氣管 3 氣波增壓 1 發動機2 轉子3 帶輪驅動4 高壓排氣5 高壓空氣6 低壓空氣7 低壓排氣 4 復合式增壓和組合式渦輪增壓 7 2廢氣渦輪增壓器的基本結構和工作原理 1 壓氣機蝸殼2 壓氣機葉輪3 密封套4 推力軸承5 擋油板6 隔熱板7 卡環8 渦輪機葉輪9 渦輪機蝸殼 徑流式渦輪 1 燃氣在渦輪機中的流動 2 渦輪機特性曲線 1 渦輪效率2 膨脹比3 氣體流量 無量綱的相似流量 4 渦輪轉速渦輪機所發出的功率 渦輪機特性曲線是以相似流量為橫坐標 以膨脹比為縱坐標 以相似轉速為參變量的一組曲線 渦輪機的阻塞 當轉速一定時 相似流量隨膨脹比的增大而增大 直到達到流量最大值 噴嘴環或渦輪葉片輪中某處氣流速度已經達到了當地聲速 即使再繼續增大膨脹比 該處的氣流速度仍維持當地聲速 渦輪流量也不會再增加 這種現象稱為渦輪機的阻塞現象 這時的流量稱為阻塞流量 離心式壓氣機的工作原理與特性 1 基本工作原理和主要參數 進氣道2 工作輪3 擴壓器4 出氣蝸殼 壓氣機中氣流參數的變化 壓氣機的主要參數 1 增壓比 2 流經壓氣機的每秒質量流量 3 壓氣機轉速 4 壓氣機的絕熱效率 5 壓氣機功率 的推導過程 1kg空氣的絕熱壓縮功與實際壓縮功之比 按理想情況 將1kg空氣從壓縮到 耗功最小的是絕熱過程 所需的絕熱壓縮功為由于實際壓縮是多變過程 伴隨著摩擦和流動損失 所以將1kg空氣從壓縮到消耗的實際壓縮功為 故壓氣機的絕熱效率 1 壓氣機的流量特性 壓氣機轉速不變時 壓氣機的增壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關系 2 壓氣機特性曲線 2 壓氣機的喘振與堵塞1 喘振現象2 喘振原因3 避免喘振堵塞 3 壓氣機通用特性折合流量折合轉速 7 3廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用 廢氣渦輪增壓的類型1 定壓渦輪增壓系統2 脈沖渦輪增壓系統 廢氣能量的利用 1 廢氣的最大可用能 圖7 14四沖程增壓柴油機理論示功圖 2 影響脈沖能量利用的因素 1 排氣門開啟定時2 排氣門流通面積3 排氣門開啟規律4 排氣管流通面積5 排氣管長度6 渦輪當量流通面積 7 4廢氣渦輪增壓對發動機性能的影響 廢氣渦輪增壓對發動機動力性和經濟性的影響 增壓前后發動機參數對比 說明1 過量空氣系數在增壓前后保持不變 則增壓后的供油量將相應增大 以適應空氣質量增加的需要 同時配氣定時也要進行適當的調整 這樣可以保證熱效率基本不變或略有提高2 進氣密度的變化 機械效率變化 提高 由于增壓后平均指示壓力提高 而平均機械損失壓力基本保持不變 在轉速相同的前提下 那么機械效率在增壓后將是增加的 增壓后充量系數變化 車用增壓柴油機經濟性運行特點 指示功率和有效功率都得到提高改善高負荷區的運行經濟性在低負荷區 渦輪增壓器的能量轉換較差 柴油機進 排氣阻力及換氣損失增加 增壓對經濟性沒有明顯的好處 改善廢氣渦輪增壓發動機轉矩特性的途徑 保證發動機在低速時具有較高的增壓壓力和較高的轉矩 而在高速時增壓壓力又不致過高 防止發動機熱負荷過大和渦輪增壓器超速1 排氣旁通 2 進氣旁通3 可變截面渦輪1 雙蝸殼通道渦輪2 可變蝸殼通道流通截面渦輪3 變噴嘴環流通截面渦輪 廢氣渦輪增壓對發動機其他性能的影響1 降低排氣污染和噪聲2 低速轉矩性能變差3 加速性能變差4 起動與制動有一定困難 7 5汽油機增壓 汽油機增壓的特點1 爆燃增壓比一般比柴油機低得多 功率最高增加幅度為40 50 2 混合氣的調節電控汽油噴射技術的應用 為增壓技術在汽油機中的應用掃除了一大障礙3 熱負荷4 對增壓器的特殊要求 汽油機渦輪增壓的主要技術措施1 降低壓縮比2 增壓壓力控制系統3 減小增壓后的 反應滯后 現象4 燃料供給系統的調整 汽油機廢氣渦輪增壓器的布置 圖7 16增壓器配置方案 a 后置式 b 前置式 c 中置式F 化油器