汽車發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚摰?章課件

1、第一節(jié)概述第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及原理第三節(jié)廢氣能量的利用第四節(jié)發(fā)動機(jī)增壓新技術(shù)概述第五節(jié)渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配第六節(jié)工程應(yīng)用實(shí)例(文摘)第四章發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓第一節(jié) 概述 增壓: 利用增壓器將空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動機(jī)氣缸的過程。 增壓后，每循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增大，使實(shí)際充氣量增加, 提高發(fā)動機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性。 增壓分類: 按增壓比（增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比 ）低增壓： 1.31.6， 700 1000kPa；中增壓： 1.62.5， 10001500kPa；高增壓： 2.5， 1500kPa；超高增壓 4.55.5， 25003500kPa。一

2、、增壓是提高功率的有效途徑由式可知,通過下列方法可以提高功率:1)加大氣缸總排量iVs,即增加氣缸數(shù)i,增大氣缸直徑D和行程S。2)提高轉(zhuǎn)速n。3)提高平均有效壓力pme。二、增壓度增壓度是指發(fā)動機(jī)增壓后增長的功率與增壓前的功率之比。現(xiàn)代四沖程增壓柴油機(jī)增壓度可達(dá)3以上,而多數(shù)車用發(fā)動機(jī)增壓度為10%60%。三、增壓比增壓比是指增壓后的空氣壓力pk與增壓前的空氣壓力p0之比增壓發(fā)動機(jī)按照增壓比的大小可以分為:低增壓,k2.5,相應(yīng)的pme1500kPa。四、增壓的優(yōu)、缺點(diǎn)增壓技術(shù)可以在保證輸出功率Pe不變的情況下,使氣缸數(shù)減少或者氣缸直徑減小,從而可以減小發(fā)動機(jī)的比質(zhì)量和外形尺寸;提高熱效率,

3、降低燃油消耗率;減少排氣污染和噪聲;降低發(fā)動機(jī)的單位功率造價;對補(bǔ)償高原功率損失十分有利。增壓技術(shù)用于發(fā)動機(jī)上的困難有:增壓發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷都較高;增壓發(fā)動機(jī)很難滿足車輛對轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性及瞬變工況的要求;車用汽油機(jī)應(yīng)用增壓技術(shù)較困難;適用的小型渦輪增壓器發(fā)展晚且效率偏低五、增壓系統(tǒng)的分類根據(jù)驅(qū)動增壓器所用能量的來源不同,增壓方式基本上可以分為四類1.機(jī)械增壓系統(tǒng)增壓器由發(fā)動機(jī)的曲軸通過機(jī)械傳動系統(tǒng)直接驅(qū)動的稱為機(jī)械增壓器。2.廢氣渦輪增壓系統(tǒng)增壓器與發(fā)動機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系,壓氣機(jī)由內(nèi)燃機(jī)廢氣驅(qū)動的渦輪來帶動。3.復(fù)合增壓系統(tǒng)在某些發(fā)動機(jī)上廢氣渦輪增壓與機(jī)械增壓并用,這種增壓系統(tǒng)稱為復(fù)合式增壓

4、系統(tǒng)。4.氣波增壓系統(tǒng)五、增壓系統(tǒng)的分類增壓方式機(jī)械增壓廢氣渦輪增壓復(fù)合增壓氣波增壓結(jié)構(gòu)特征壓氣機(jī)的動力來源于發(fā)動機(jī)的曲軸,增壓器為回轉(zhuǎn)式、羅茨式、螺桿式及蝸旋式發(fā)動機(jī)的排氣驅(qū)動增壓器的渦輪、帶動壓氣機(jī)壓縮空氣形式較多,主要是機(jī)械增壓與渦輪增壓相結(jié)合的方式通過一個由曲軸驅(qū)動的輪轉(zhuǎn)子,排氣壓力波在其中壓縮進(jìn)氣特點(diǎn)1.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化直接使壓氣機(jī)流量變化,加速響應(yīng)性好2. 采用高速調(diào)節(jié)或脫開等控制技術(shù),低速時可獲得較好的轉(zhuǎn)矩3.對排氣系統(tǒng)無干擾,可用于空排氣背壓的特殊場合(如水下)4.發(fā)動機(jī)機(jī)械效率低,油耗高5.增壓器泄漏多,噪聲大,效率低1.不直接消耗發(fā)動機(jī)的功率,充分利用排氣能量2.高速性能優(yōu)越

5、,低速性能差3.增壓器結(jié)構(gòu)緊湊,若用中冷器可進(jìn)一步提高增壓效果4.加速響應(yīng)慢5.因排氣充分膨脹故排氣噪聲低6.與排氣后處理裝置有沖突1.綜合了機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn),高速時用渦輪增壓,起動時用機(jī)械增壓,部分負(fù)荷機(jī)械增壓貢獻(xiàn)大2.有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩類3.起動性能好4.低速、低負(fù)荷時仍能保證一定的增壓作用1. 輪消耗發(fā)動機(jī)的功率小,一般僅占1%左右2.結(jié)構(gòu)簡單,制造方便且對動平衡要求不高3.適應(yīng)性好,不會出現(xiàn)容積式壓氣機(jī)的異?，F(xiàn)象4.低速轉(zhuǎn)矩大5.起到EGR作用,利于降低排放6.綜合效率低,質(zhì)量及尺寸大,噪聲大7.對進(jìn)氣和排氣壓力敏感應(yīng)用范圍增壓度不高的發(fā)動機(jī)(汽油機(jī)為主)增壓壓力可達(dá)0.4

6、MPa,適用于單機(jī)功率大于35kW的場合大型二沖程柴油機(jī)概念型,增壓壓力較小表4-1四種增壓方式的比較廢氣渦輪增壓器按廢氣在渦輪機(jī)中的不同流動方向分為徑流式和軸流式兩大類。第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及原理圖4-1徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖1擋油盤2壓氣機(jī)端密封座3推力軸承4壓氣機(jī)葉輪5壓氣機(jī)蝸殼 6渦輪蝸殼7渦輪葉輪8浮動軸承9中間殼體二、離心式壓氣機(jī)1.離心式壓氣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及氣體流動圖4-2離心式壓氣機(jī)簡圖1進(jìn)氣道2工作輪3擴(kuò)壓器4出氣蝸殼離心式壓氣機(jī),一般由進(jìn)氣裝置、工作輪、擴(kuò)壓器和出氣蝸殼組成.進(jìn)氣裝置主要有兩種形式,一種是軸向進(jìn)氣裝置,另一種是徑向進(jìn)氣裝置。軸向進(jìn)氣裝置氣流損失較小,

7、多用于小型增壓器。徑向進(jìn)氣裝置由于氣流流向轉(zhuǎn)變,流動損失較大,多用于大型增壓器。作輪由葉片和輪盤組成,它有封閉式、半開式和星形式三種結(jié)構(gòu)形式。擴(kuò)壓器分為無葉和有葉兩種。無葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡單,但擴(kuò)壓度小,氣流損失大,常用于小型增壓器。葉片擴(kuò)壓器擴(kuò)壓效果好,流動損失小。2.離心式壓氣機(jī)的主要參數(shù)和工作特性(1)離心式壓氣機(jī)的主要參數(shù)1)空氣增壓比k,k=。2)空氣流量(kg/s),即空氣每秒鐘進(jìn)入壓氣機(jī)的質(zhì)量。空氣流量取決于發(fā)動機(jī)所需要的空氣消耗量。3)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nk(r/min),壓氣機(jī)與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn),壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,其轉(zhuǎn)速很高,可達(dá)每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)以上。4)壓氣機(jī)的絕熱效率ad-

8、k,壓氣機(jī)把外界1kg空氣進(jìn)行絕熱壓縮所做的功had-k(J/kg)與壓縮1kg空氣實(shí)際消耗的功hk(J/kg)之比稱為壓縮機(jī)的絕熱效率ad-k,圖4-3空氣壓縮過程a)pV圖b)TS圖2.離心式壓氣機(jī)的主要參數(shù)和工作特性(1)離心式壓氣機(jī)的主要參數(shù)5)壓氣機(jī)功率。如果已知1kg空氣的絕熱壓縮功為had-k(J/kg),空氣的質(zhì)量流量為(kg/s),壓縮機(jī)的絕熱效率為ad-k,則壓縮機(jī)功率Pk(W)為(2)壓氣機(jī)的特性壓氣機(jī)的特性是指壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的壓比、效率與空氣流量之間的關(guān)系。圖4-4離心式壓氣機(jī)的特性曲線當(dāng)減小到某一值后,氣流發(fā)生強(qiáng)烈脈動,壓氣機(jī)工作不穩(wěn),這種現(xiàn)象稱為喘振。喘振現(xiàn)象是

9、由于壓氣機(jī)工作輪葉片及擴(kuò)壓葉片局部區(qū)域氣流發(fā)生周期性的嚴(yán)重分離現(xiàn)象所引起的。(2)壓氣機(jī)的特性增壓器在某一轉(zhuǎn)速下,當(dāng)流量超過設(shè)計工況達(dá)到一定數(shù)值后,壓氣機(jī)的壓比k和絕熱效率ad-k急速降低,而流量卻不再增加,這一現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的堵塞。原因是通道中某一截面上的氣流流速達(dá)到了當(dāng)?shù)匾羲?臨界狀態(tài)),從而限制了流量的增加。此時的流量稱為堵塞流量,是該轉(zhuǎn)速下的最大流量。人為規(guī)定當(dāng)ad-k=55%時,就認(rèn)為出現(xiàn)了堵塞。(3)通用特性常引進(jìn)相對折合參數(shù)的概念,就是把試驗(yàn)測得的上述參數(shù)值換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下的參數(shù)值。換算后質(zhì)量流量稱為折合流量,折合流量為圖4-5壓氣機(jī)的通用特性曲線二、徑流式渦輪機(jī)圖4-6徑流

10、式渦輪機(jī)簡圖1進(jìn)氣蝸殼2噴嘴環(huán)3工作輪4出氣道1.徑流式渦輪機(jī)的基本構(gòu)造1.徑流式渦輪機(jī)的基本構(gòu)造(1)噴嘴環(huán)噴嘴環(huán)上裝有許多導(dǎo)向葉片,構(gòu)成漸縮形通道。廢氣從這里被引入工作輪。其材質(zhì)采用耐高溫、抗腐蝕的合金鋼,可用鑄、鍛件機(jī)械加工或板材沖壓成型。噴嘴環(huán)可以有整體式和裝配式兩種結(jié)構(gòu)形式。(2)工作輪工作輪是把從噴嘴環(huán)出口噴出的高速廢氣的動能和壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的場所。工作輪的葉片與輪盤做成一體,多采用精密鑄造成型。葉片的葉型大都采用拋物線。其形式有半開式和星形兩種。(3)渦輪進(jìn)氣殼渦輪進(jìn)氣殼的作用是把發(fā)動機(jī)與增壓器連接起來,將廢氣經(jīng)過整理引導(dǎo)到噴嘴環(huán)的方向,并按噴嘴環(huán)進(jìn)口形狀均勻地進(jìn)入噴嘴環(huán),以

11、減少流動損失,充分利用廢氣能量。渦輪進(jìn)氣殼的流通截面按一定規(guī)律變化,表面要光潔。其結(jié)構(gòu)可分為軸向、切向、徑向三種進(jìn)氣形式,進(jìn)口可為一個或多個。1.徑流式渦輪機(jī)的基本構(gòu)造(4)渦輪出氣道渦輪出氣道是將已做功的廢氣引出增壓器,它還起支架的作用,流道要求光潔、平滑,有的還帶有冷卻水套。(5)渦輪軸渦輪軸將渦輪工作輪和壓氣機(jī)工作輪連起來,起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用,工作輪與軸的連接方式有整體式和裝配式兩種。圖4-7渦輪機(jī)中氣流參數(shù)的變化廢氣以速度cT進(jìn)入噴嘴環(huán),在噴嘴環(huán)中因斷面是漸縮的,使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能,壓力降低到p1,溫度下降到T1,流動速度增加到c1。廢氣從噴嘴環(huán)噴出,以相對速度w1和一定角度進(jìn)

12、入工作輪,工作輪葉片間的通道也是呈漸縮形狀的,氣體在通道中繼續(xù)膨脹,在工作輪出口處壓力下降到p2,溫度降低到T2,相對速度增加到w2,由于廢氣在噴嘴中膨脹得到的動能大部分傳給了工作輪,所以絕對速度迅速下降到c2,c2205.8Nm/(2300r/min)。文摘一493ZQ型增壓柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的設(shè)計及試驗(yàn)機(jī)型參數(shù)、指標(biāo) 493ZQ493Q提高幅度(DS)/(mmmm)9310293102(Pe/n)/kW/(r/min)70/360051.5/360036%(Ttq/n)/Nm/(r/min)205.8/2300165/200024.7%be/g/(kWh)224.4231.2-3%me/(kg

13、/kW)3.573.65-2%表4-3493ZQ型與493Q型柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能指標(biāo)二、增壓系統(tǒng)的確定及排氣管內(nèi)脈沖能量的計算1.增壓系統(tǒng)的確定 眾所周知，車用發(fā)動機(jī)采用脈沖廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，具有廢氣能量利用得好，加速性能好的特點(diǎn)。車用發(fā)動機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩工況時，為克服瞬時超載的要求，匹配點(diǎn)應(yīng)選在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)并兼顧標(biāo)定點(diǎn)。選擇增壓器首先要求壓氣機(jī)效率高，且高效率區(qū)寬廣，采用前傾后彎式短葉片，用不帶噴嘴環(huán)的渦殼結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)變工況的需要；為滿足汽車的加速性，增壓器轉(zhuǎn)子盡量小，以取得較小的轉(zhuǎn)動慣量；為保證壓比和流量，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要高。2.排氣管內(nèi)廢氣能量的計算 計算包括排氣門開啟相對瞬時壓力系數(shù)

14、P、排氣門開啟規(guī)律影響系數(shù)、氣缸排空率、排氣管截面積影響系數(shù)、排氣管長度影響系數(shù)、渦輪流通特性系數(shù)。三、渦輪增壓器的選擇圖4-13J50-3渦輪增壓器特性線與493ZQ型柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線四、進(jìn)、排氣管的設(shè)計.排氣管的設(shè)計 若把排氣管的作用看成是一個具有一定容積的流入與排空過程，排氣管中壓力波的形狀和反射時間就取決于排氣管的容積、長度、截面積和渦輪流通截面。因此排氣管的設(shè)計主要是對上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。.進(jìn)氣管的設(shè)計 設(shè)計原則是為改善掃氣效果，進(jìn)氣管壓力應(yīng)力求穩(wěn)定，減小波動，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，容積應(yīng)盡量大，管道內(nèi)壁應(yīng)光滑，轉(zhuǎn)彎圓滑。五、試驗(yàn)及結(jié)論圖4-14493ZQ型柴油機(jī)外特性曲線一、試驗(yàn)裝置

15、與研究方法本研究是在一臺排量為2.7L的電控共軌輕型柴油機(jī)上進(jìn)行的,發(fā)動機(jī)形式為直列4缸,壓縮比為17.51,燃燒室為直噴式,增壓中冷進(jìn)氣,標(biāo)定功率為85kW(3200r/min),最大轉(zhuǎn)矩為300Nm(2200r/min)。文摘二兩級渦輪增壓對輕型柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究圖4-15兩級渦輪增壓系統(tǒng)示意圖1低壓級壓氣機(jī)2進(jìn)氣旁通閥 3中冷器4進(jìn)氣管5發(fā)動機(jī)6排氣管7高壓級壓氣機(jī)8高壓級渦輪9廢氣旁通閥10放氣閥11低壓級渦輪二、試驗(yàn)結(jié)果及分析1.兩級增壓系統(tǒng)高壓級增壓器的選配本研究中的兩級增壓系統(tǒng)低壓級增壓器型號為SJ60F,高壓級增壓器有SJ44Q、SJ44Y和SJ36Y三種型號,因此有三種

16、組合方案。考慮到高壓級增壓器主要側(cè)重低速工況,首先對三種組合在1000180r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),對其性能進(jìn)行對比,以確定最終的兩級增壓的增壓器組合。試驗(yàn)過程中在各工況下對進(jìn)氣旁通閥和廢氣旁通閥進(jìn)行了開度調(diào)節(jié),選出經(jīng)濟(jì)性最好的開度進(jìn)行比較。這里只給出各組合方案在1800r/min和1000r/min轉(zhuǎn)速時,不同負(fù)荷下比油耗、增壓壓力和渦前壓力的比較情況。圖4-16兩級增壓各組合方案對性能的影響a)轉(zhuǎn)速為1800r/minb)轉(zhuǎn)速為1000r/min2.進(jìn)氣旁通閥和廢氣旁通閥對發(fā)動機(jī)性能的影響在確定了兩級增壓的增壓器組合方案后,在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進(jìn)行進(jìn)氣旁通閥和廢氣旁通閥開度的調(diào)節(jié)試驗(yàn),分析

17、其開度對發(fā)動機(jī)性能的影響,確定基于經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化原則的閥門控制策略。以1800r/min來說明較低轉(zhuǎn)速的影響情況,以2200r/min來說明較高轉(zhuǎn)速的影響情況。圖4-17給出了1800r/min時各負(fù)荷下廢氣旁通閥和進(jìn)氣旁通閥開度對性能的影響,全負(fù)荷工況給出的是比油耗和轉(zhuǎn)矩的對比(見圖4-17a),而部分負(fù)荷工況給出的是比油耗、增壓壓力和渦前壓力的比較(見圖4-17b、c、d)。圖4-17廢氣旁通閥和進(jìn)氣旁通閥對性能的影響(1800r/min時)a)全負(fù)荷工況b)部分負(fù)荷(210Nm)c)部分負(fù)荷(150Nm)d)部分負(fù)荷(75Nm)圖4-18廢氣旁通閥和進(jìn)氣旁通閥對性能的影響(2200r/min

18、時)a)全負(fù)荷工況b)部分負(fù)荷(210Nm)c)部分負(fù)荷(150Nm)d)部分負(fù)荷(75Nm)3.采用兩級增壓的發(fā)動機(jī)性能采用圖4-19所給出的兩級增壓控制策略,進(jìn)行外特性和萬有特性試驗(yàn)研究,并與原機(jī)的性能和排放進(jìn)行了對比。圖4-20所示為采用兩級增壓系統(tǒng)后的外特性性能,圖4-21所示為采用兩級增壓系統(tǒng)和原機(jī)的萬有特性比油耗對比。圖4-19兩級增壓經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的進(jìn)、排氣旁通閥控制MAP 圖4-20外特性性能a)空燃比、渦前壓力和增壓壓力b)轉(zhuǎn)矩和比油耗圖4-21兩級增壓和原機(jī)的萬有特性比油耗對比 a)兩級增壓圖4-21兩級增壓和原機(jī)的萬有特性比油耗對比(續(xù))b)原機(jī)三、結(jié)論1)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進(jìn)氣旁通閥和廢氣旁通閥對性能影響的研究表明,在較低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下,廢氣全部