汽车发动机原理课件-废气涡轮增压

以相似流量为横坐标，膨胀比为 纵坐标，相似转速为参变量的一 组曲线
T T
膨胀比
0.6
0.8
1.0
a、转速一定时，膨胀比↑，流量↑；
效率曲线
流量能否一直增加？？
1.0
膨胀比曲线
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。 b、膨胀比一定时，转速↑，效率↓；
0.8
n T
0
T
相似转速
曲轮箱通风
活性碳罐 接口
内部循环阀 N249
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C、复合增压：
Charge-Air Cooler
Air Filter
Throttle Mechanical Supercharger Turbocharger Intake Manifold Environment Injection Valves
用来表示增压强度。
k
式中：
pk p0
pk 为增压后气体压力； p0为增压前气体压力。
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3、增压的种类： （1）按增压度来分：
k 1.3 ~ 1.6 低增压：
中增压：
k 1.6 ~ 2.5
k 4.5
曲轮箱通风
k 2.5 ~ 4.5 超高增压： 高增压：
活性碳罐 接口
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（3）动能转变为机械能（工作叶轮）
4、涡轮特性：
废气能量转化为机械功的有效程度，即涡轮 （1）涡轮效率 T ：
获得的轴功与废气总能量之比（一般为0.65-0.85）。 表示流动工质所具有的能量中，取
决于热力状态的那部分能量
H = U + pV
废气从涡轮入口状态到出口状态的总焓降
HT
流动内能+推动功
Muffler
Catalyst
Wastegate
Exhaust Manifold
Exhaust Reservoir Air Reservoir Cylinder
Connection Air restrictor resp. Valve
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D、气波增压： 曲轴驱动一个特殊 原理： 转子，利用高压废气脉冲迫使 空气被压缩，从而提高进气压 力。
结构简单，加工方 特点： 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。
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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）能降低排气噪音和烟度； 缺点有： （1）增加了进、排管路，使加速反应滞后； （2）热复合严重，对大气温度和排气背压敏感；
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第五节 废气能量的利用
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。燃料燃烧所释的总热量中，废气占25%以上，废气 能量可用度达到60% 。充分利用废气能量，是提高发动机 热效率的重要途径。
1、改变发动机的结构参数。如增加气缸数i，增大气缸直径D、活 塞行程S和减少冲程数τ等。 受到重量、体积、安装等条件的限制。
27-3
2、提高发动机转速n和活塞平均速度Cm。
受到充量系数ηv、ηm和机械强度、使用寿命、噪音等的限制。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3、提高发动机平均有效压力pme。
具体可通过减少过量空气系数
φa、提高充量系数ηv和进气密度ρs 来实现。 二、进气增压： 利用增压器将空气或可燃混合气压缩后送入发动机气缸。 定义： 增大每循环进入气缸新鲜气体的密度，使实际充量增大， 作用： 从而改善发动机的动力性和经济性。

式中： TT 为滞止温度； PT 为滞止压力。 （4）涡轮转速n： 与压气机转速相等（几万-十几万转）。 相似转速： n / TT

式中： TT 为滞止温度。 涡轮发出的功率：
入口状态到出 口状态的总焓降
qmT H T PT T 1000
入口状态到出 口状态的总焓降
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（5）涡轮特性曲线：
（体积小、质量轻）。
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二、改善汽油机增压性能的主要措施：
1、降低压缩终点的压力和温度：进气中冷、缸内喷水、降低压 缩比。
增压后的压缩比可按下式进行计算：
k
0
0
pk / p0
式中： 为增压前压缩比；
Pk 为增压后进气压力；
P0 为增压前进气压力。
2、采用抗爆性好的汽油（辛烷值高）
低速
高速
原理：低速、低负荷时使涡轮流通截面变小，增大气流速度；高 速、大负荷时增大涡轮流通截面，适当降低废气流流速。
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5、可变喷嘴环：
导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流 速度，低转速时开度小（左图），提高空气流 速，高转速时开度大（右图），减小排气负压
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。
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3、涡轮的工作过程（原理）：
径流式废气涡轮工作简图
T0 p0
T1 T2 p1 p2 c2 Tr pr cr
喷嘴叶片环 工作叶轮 废气 出口
冲动力矩
c0
反动力矩
c1
废气 涡轮壳道 入口
（1）废气进入涡轮壳道
（2）废气压能转变为动能（喷嘴叶片环） 可见，经过涡轮后，废气中的部分能量转变为 推动涡轮旋转的机械能。
4、压气机主要参数：
pk （1）增压比 k p0
p a
压气机入口状态下
（2）质量流量 m k （kg/s)和容积流量 V0（m3/s)。
（3）压气机绝热效率 k ：
1kg空气绝热压缩功与实际压缩 功之比，表明压气机轴功转变为有 用压缩功的程度（一般为0.6-0.8）。
绝热
入口
4' 出口 4
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1、增压度 k： 发动机增压后增加的功率与增压前功率之比，用
来表示增压后功率提高的程度。
Pek Pe 0 Pek k 1 Pe 0 Pe 0
式中： Pek为增压后功率； Pe 0为增压前功率。
一般车用发动机增压度在10%-60%的范围内。 2、增压比
发动机增压后气体压力与增压前气体压力之比， k：
带旁通阀的涡轮增压系统 原理：将部分废气直接排入大气，适当降低涡轮及压气机转速，
使增压压力控制在允许范围内。
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3、双涡壳通道涡轮：
原理：低速时使用一个进气通道，增加废气流速；高速时使用两
个通道，适当降低气流流速，从而将增压器转速保持在适当范围内。
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4、可变截面涡轮：
截面调节板（舌片）
产生迟滞的原因？
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（2）控制问题
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压气机特性曲线决定了在增压发动机开发过程中要做什么工作？
3.0
Pressure ratio p2/p1 [-]
Compressor Speed Limit
2.5
离喘振线太近（增压器太大）
Surge Line
2.0
1.5
Turbo DISI Turbo PFI
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第二节 废气涡轮增压器基本 结构和工作原理
一、基本结构：
废气涡轮
后处理系统
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废气入口
喷嘴叶片环
二、径流式废气涡轮：
1、涡轮的结构： 喷嘴叶片环 工作叶轮 涡轮壳 工作叶轮
废气出口
2、涡轮的作用：
将废气中的能量尽可能 多的转变成推动涡轮转动的 机械功。 涡轮壳 径流式废气涡轮结构
定压增压系统
脉冲增压系统
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定压增压与脉冲增压的特点：
1、废气能量利用率：脉冲式利 用率高，但随着增压比提高，两者 的差别逐渐缩小； 2、扫气效果：脉冲式可利用排气 动力效应提高扫气效果，增加充量； 3、加速性：脉冲式排气容积小，
定压增压 管路连接
因而废气压力能迅速建立，响应负荷
的变化； 4、结构：脉冲式结构较为复杂。
1.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
Volume flow rate [m3/s]
压气机过小产生什么问题？ 性能不达标 压气机过大产生什么问题？ 喘振、迟滞
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增压器与发动机的匹配工作
第三节 废气涡轮增压的类型
一、废气涡轮增压系统的基本类型：
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3、压气机的工作原理：
离心式压气机工作过程
T2 T0 T1 c1 p1
进气道
进气道是渐缩流道
T3
Tk
c2
p3
c3
pk
ck
C空气流速 p0
大气
p2
工作轮
扩压器
压气机 壳道
（1）空气被吸入进气管
（2）机械能转变为气体压能与动能（工作轮）
（4）动能进一步转变为压能（壳道）
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（3）动能转变为压能（扩压器）
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第四节 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（爆震）：随着压缩终点压力、温度以及零件热负荷的
升高，爆震倾向加大。 2、热负荷：汽油机燃烧温度高、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。
3、苛刻要求：要有宽广的工作范围；耐热性要好、转动惯量要小
所以，离心式压气机的特点是：
转速高堵塞，转速低喘振。
汽车什么工况下易发生喘振？ 从外特性运行线观察
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6、废气涡轮增压器存在的其它问题
（1）迟滞问题