废气涡轮增压

null第一节概述：增压的概念 第一节概述：增压的概念 增压是将空气压缩并供入气缸，用以提高充气密度、增加进气量的一项措施。 增压的目的在于提高功率，伴随着空气量增加，相应地增加循环供油量，即可增加功率废气涡轮增压废气涡轮增压 1)可以减少缸数或气缸直径，减少整机外形尺寸和单位功率的重量，这对提高车辆使用经济性很有意义。 2)提高了热效率，降低了发动机的油耗率。 3)减少了排气污染及噪声。 4)降低了单位功率的造价。 5)对补偿高原功率损失十分有利。发动机增压技术上的困难发动机增压技术上的困难1)采用增压使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增高。 2)适用的小型增压器发展较晚，而且小型涡轮增压器的效率偏低。 3)长期以来增压发动机很难满足车辆对扭矩适应性及瞬变工况的要求。 4)车用汽油机增压遇到的困难更多。增压比的概念增压比的概念空气经过增压器压缩后的压力与压缩前的压力之比，称为增压比(或称压力比）废气涡轮增压的原理废气涡轮增压的原理 发动机排出的具有一定能量的废气进入废气涡轮并膨胀做功。废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作轮，在压气机中将新鲜空气压缩后，再送入气缸废气涡轮增压与非增压性能比较废气涡轮增压与非增压性能比较1．由于利用了废气能量，有利于改善整机动力性及经济性 2．改善了排放品质 3．起动性、加速性变差 4．改善低速扭矩特性有一定困难 5．热负荷及机械负荷增加废气涡轮增压发动机优缺点废气涡轮增压发动机优缺点 1．由于利用了废气能量，有利于改善整机动力性及经济性 2．改善了排放品质 3．起动性、加速性变差 4．改善低速扭矩特性有一定困难 5．热负荷及机械负荷增加复合式发动机复合式发动机复合式发动机优缺点复合式发动机优缺点 1、能充分利用废气能量，使动力性、经济性大为改善 2、由于排气经过两级祸轮，使噪声降低 3、结构复杂，成本高，技术难度大 4、加速性变差，柴油机绝热化+涡轮复合式是一种很有效的组合式（废气涡轮+惯性）增压组合式（废气涡轮+惯性）增压组合式增压优缺点组合式增压优缺点原理：由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。在该增压系统中除涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的惯性增压系统 优缺点： 1．与涡轮增压相比，结构不算复杂 2．对改善低速扭矩有益 3．加速性变好 4，进气管路比较庞大 5．采用三缸一管谐振效果明显，采用二缸一管谐振效果较差气波增压气波增压气波增压优缺点气波增压优缺点原理：由曲轴驱动一个特殊的转子，在转子中废气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波(膨胀波与压缩波)，迫使空气压缩，以提高进气压力 优缺点： 1．与涡轮增压相比，可改善低速扭矩 2．结构简单、加工方便、对主要件 （转子、轴承)的材料及工艺要求不高 3．加速性好 4．工况范围大 5．尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安装位置的限制 6．噪声大第二节废气涡轮增压器的工作原理第二节废气涡轮增压器的工作原理径流式涡轮——车用发动机 轴流式涡轮——大、中型柴油机 径流式涡轮增压器：离心式压气机+径流式涡轮机 其他组件： 支承装置 密封装置 冷却系统 润滑系统径流式涡轮增压器的构成径流式涡轮增压器的构成离心式压气机的工作原理离心式压气机的工作原理括压器的工作括压器的工作空气参数沿压气机通道的变化空气参数沿压气机通道的变化压气机的绝热效率压气机的绝热效率空气的压缩过程空气的压缩功空气的压缩功耗功最小的是可逆绝热过程，所需的绝热压缩功：实际压缩是多变过程，所需的压缩功：绝热效率绝热效率压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压缩功与在实际压气机中消耗的实际压缩功之比压气机功率压气机功率压气机的特性曲线压气机的特性曲线在不同转速下压气机的压力比及效率与空气流量之间的关系压气机压比流量特性分析压气机压比流量特性分析最高效率：当等转速线从大流量向小流量变化时，压比与效率最初有所提高；随着流量减少到某值，压比与效率达到最高；在这以后，流量继续减少，压比与效率反而略有下降。 喘振：当流量进一步减少到某一值后，压气机工作开始不稳定，气流发生强烈地脉动，称为喘振。 喘振线：将各种转速下的喘振点连接起来，就可以确定一条不稳定工作的边界线，称为喘振线。 等效率曲线：中间是高效率区，高效率区一般比较靠近喘振边界线，沿高效率区向外，效率逐渐下降，特别在大流量及低压比区，效率下降很多。 提高高效率区的流量范围提高高效率区的流量范围无叶扩压器的压气机提高高效率区的流量范围提高高效率区的流量范围后掠式工作轮通用特性曲线通用特性曲线通用特性曲线通用特性曲线径流式涡轮机的工作原理径流式涡轮机的工作原理涡轮机中气流参数的变化涡轮机中气流参数的变化涡轮机效率、功率及涡轮增压器总效率涡轮机效率、功率及涡轮增压器总效率涡轮机效率涡轮机阻塞涡轮机阻塞燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值 涡轮机流量特性虽然受阻塞现象的限制，但涡轮机的工作范围常比压气机大得多。一种涡轮机可以和多种不同的压气机配套使用第三节 废气能量的利用第三节 废气能量的利用自然吸气的活塞式内燃机，间断燃烧而能做到从高温吸热，热效率高，但不能做到完全膨胀。 涡轮式机械能完全膨胀，适应的转速高，单位功率的体积与重量比较小。但工作温度不可能太高。 两者合理结合，有利于能量的充分利用四冲程涡轮增压发动机理论示功图四冲程涡轮增压发动机理论示功图恒压增压系统与脉冲增压系统恒压增压系统与脉冲增压系统恒压与脉冲增压系统比较恒压与脉冲增压系统比较脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用能量比恒压系统大 脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处 脉冲系统的加速性能较好——排气管容积小，负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快地变动 脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低 脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂第四节 车用增压发动机的性能第四节 车用增压发动机的性能涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点 一是根据发动机的特定工况(如额定工况或最大扭矩工况)，确定其在压气机特性曲线上的位置(即根据发动机选用合适型号的增压器)； 二是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。增压器选用增压器选用根据发动机特定工况时所需的空气流量(包括扫气空气量)及压比，判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，使该点落在压气机特性曲线的高效率区 叶片机的高效率窄，不可能使发动机所有工况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及到柴油机的某些特定的工况 车用柴油机选配增压器时，常以最大扭矩工况作为设计工况，把最大扭矩点的工况放在高效率区确定涡轮增压器的工作范围确定涡轮增压器的工作范围小流量——压气机受喘振 大流量——效率下降过多， 高速、高负荷——机械强度允许转速， ——涡轮机叶片承受的温度最大扭矩点的匹配 最大扭矩点的匹配 涡轮增压器的工作范围涡轮增压器的工作范围涡轮增压器与柴油机联合运行区涡轮增压器与柴油机联合运行区增压发动机在结构上的变动增压发动机在结构上的变动增大供油量、调整供油系 改变配气相位 合理地增加气阀重叠角。 减小压缩比、增大过量空气系数 设置分支排气管 冷却增压空气设置分支排气管设置分支排气管车用增压发动机性能车用增压发动机性能低速扭矩性能: 一般涡轮增压柴油机在低速时扭矩性能差：低速时增压压力不足，致使循环供气量不足 增压发动机的扭矩储备不好，也可以说是因为高速、高负荷区的废气能量过高，或压气 机供气量过多 解决措施 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车用增压发动机性能车用增压发动机性能车用增压发动机性能车用增压发动机性能解决措施解决措施放气调节：高速运行时放掉涡轮机前一部分废气，或者放掉压气机 后一部分增压空气。加速性能变差加速性能变差涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差解决措施解决措施脉冲增压 减少进、排气管道容积； 放气调节或可变喷嘴环； 减少转子的转动惯量； 采用较小的气阀重叠角 利用车辆上的制动空气系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射，可以起到帮助增压器加速的作用经济性改善经济性改善影响经济性改善的因素影响经济性改善的因素负荷率：增压使功率范围扩大，高负荷的经济运行范围扩大了；而在低负荷区，增压器的能量转换不好，进、排气阻力及换气损失增加，对低负荷经济性没有明显作用。 转速：保持原有功率和较高扭矩的情况下，适当降低发动机转速 与车辆参数合理配合 增压中冷 压气机效率影响经济性改善的因素——负荷率影响经济性改善的因素——负荷率影响经济性改善的因素—增压中冷 影响经济性改善的因素—增压中冷 影响经济性改善的因素—压气机效率影响经济性改善的因素—压气机效率降低了排气污染及噪声降低了排气污染及噪声起动与制动有一定困难起动与制动有一定困难起动时，无高温排气，使涡轮机无法工作，压气机也不能供气。这时增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高，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，造成着火与起动的困难 按增压后的功率配置的载货汽车发动机的制动力不足——采用排气制动