《內(nèi)燃機(jī)學(xué) 第5版》 課件 3.5 內(nèi)燃機(jī)的增壓

1第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)的增壓

內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)概述渦輪增壓器的工作特性壓氣機(jī)的工作特性渦輪機(jī)的工作特性柴油的我增壓技術(shù)汽油機(jī)的增壓技術(shù)渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配SUPERCHARGING主要學(xué)習(xí)內(nèi)容2內(nèi)燃機(jī)增壓概述INTRODUTION一、內(nèi)燃機(jī)的增壓定義DefinitionSuperchargingreferstoincreasetheairorfuel-airmixturedensitybyincreasingitspressurepriortoenteringtheenginecylinder3二、內(nèi)燃機(jī)增壓的歷史1907美國(guó)路易斯?雷諾（LouisRenault）

機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)1915瑞士阿爾弗雷德?波希(AlfredBuchi)

排氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)：增壓壓力、溫度、流量排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速增壓器電子控制技術(shù)4機(jī)械增壓(Mechanicalsupercharging)

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的壓縮。螺桿式、離心式、滑片式、渦旋式、轉(zhuǎn)子活塞式等壓縮機(jī)排氣渦輪增壓(Turbocharging)壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。排氣推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。定壓和脈沖渦輪增壓兩種。三、內(nèi)燃機(jī)增壓的方式

SuperchargingTechnologies53.氣波增壓(Comprex)

氣波增壓器利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)壓縮進(jìn)氣。復(fù)合增壓(CombinedSupercharging)

組合上述多種增壓方式，以獲得更好的增壓效果。渦輪復(fù)合(Turbo-compounding)6機(jī)械增壓器(COMPRESSOR)Twin-screwsupercharger

7機(jī)械增壓器(COMPRESSOR)8排氣渦輪增壓(TURBOCHARGOR)9氣波增壓(COMPREX)10二、增壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響目的:

提高動(dòng)力性，并降低排放。BOOSTINGTHEENGINEPOWER11三、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與代價(jià)Advantagesanddisadvantages優(yōu)勢(shì)代價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性提高體積和質(zhì)量功率密度提高材料利用率提高，成本下降排氣噪聲降低，高原功率恢復(fù)，壓力升高率和燃燒噪聲降低HC、CO和碳煙排放降低技術(shù)適用性廣機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷增加加速響應(yīng)性能變差對(duì)低速轉(zhuǎn)矩有不利的影響增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器的限制。12排氣渦輪增壓（turbocharging）13一、排氣渦輪增壓器（TURBOCHARGOR）14工作過程進(jìn)口段：新鮮充量沿截面收縮的軸向進(jìn)氣道進(jìn)入工作輪，壓力溫度略有下降，氣流略有加速。葉輪通道：氣流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪上葉片組成的氣流通道內(nèi)，吸收葉輪的機(jī)械能，使氣體的壓力、流動(dòng)速度和溫度均有較大的增長(zhǎng)。擴(kuò)壓器：通道流通截面積逐漸增大，氣體動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瑝毫蜏囟冗M(jìn)一步升高，速度下降。集氣蝸殼：收集氣體向內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管輸送。二、離心式壓氣機(jī)的工作特性CENTRIFUGALCOMPRESSORPEFORMANCE15氣體溫度、速度和壓力變化過程

16壓氣機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換COMPRESSOREFFICIENCYEnthalpy-entropydiagram壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功為：

壓氣機(jī)的等熵效率為：17離心式壓氣機(jī)的特性以流量為橫坐標(biāo)，壓比為縱坐標(biāo)，把不同轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)特性曲線繪制在一起，其中效率以等值線的形式表示，稱為壓氣機(jī)的萬有特性。流量特性在同一轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)增壓比和效率隨壓氣機(jī)流量的變化關(guān)系簡(jiǎn)稱為壓氣機(jī)的（流量）特性。PerformanceofCompressor18壓氣機(jī)損失分析圖AnalysisofEfficiency摩擦損失氣流內(nèi)部及氣流與工作輪葉片表面、擴(kuò)壓器葉片表面等發(fā)生摩擦而產(chǎn)生。轉(zhuǎn)速一定，流量增加，氣流速度增大，摩擦加劇，摩擦損失增大而增加。撞擊損失氣流與葉片撞擊造成。設(shè)計(jì)工況下最小，偏離設(shè)計(jì)工況撞擊損失增加19壓氣機(jī)的喘振（surge）

一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)的氣體流量減小到一定程度后，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的變得不穩(wěn)定或者震蕩的狀態(tài)就叫做喘振。進(jìn)氣在葉輪入口處出現(xiàn)邊界層的分離，導(dǎo)致氣體回流，擴(kuò)展到壓氣機(jī)的其他部分，出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，引起工作輪葉片強(qiáng)烈的振動(dòng)，并產(chǎn)生很大的噪音的現(xiàn)象。各種轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)喘振的工作點(diǎn)聯(lián)在一起。20喘振的狀態(tài)用一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)喘震值來描述21壓氣機(jī)的喘振（surge）

其中σ為連續(xù)20個(gè)入口壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m為平均值s<=8%，輕微喘振狀態(tài)，s>12%嚴(yán)重喘振狀態(tài)。22壓氣機(jī)的堵塞（CHOKING）某一轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機(jī)的增壓比和效率均急速下降，而流量卻不會(huì)增加的現(xiàn)象。一般當(dāng)壓氣機(jī)效率低于65％后就認(rèn)為壓氣機(jī)發(fā)生堵塞。增加壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速才能繼續(xù)增加流量。23壓氣機(jī)的通用特性

（UNIVERSALPERFORMANCEMAP）折合流量:折合轉(zhuǎn)速:根據(jù)相似理論，不管壓氣機(jī)進(jìn)口條件如何，只要馬赫數(shù)相同，在壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)就相似，流動(dòng)損失也相似。馬赫數(shù)表示流動(dòng)相似不直觀，采用與上述相似參數(shù)成正比的折合參數(shù)來表示。折合參數(shù)分別是:24壓氣機(jī)的通用特性曲線25徑流式渦輪機(jī)的工作原理

噴嘴環(huán)是由周向均勻安裝、帶有一定傾角的多個(gè)葉片組成，葉片之間形成漸縮通道。內(nèi)燃機(jī)高溫排氣流過噴嘴環(huán)時(shí)被加速，壓力、溫度下降，速度大大增加，一部分排氣能量轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。部分小型渦輪常設(shè)計(jì)為無葉噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)。三、徑流式渦輪機(jī)的工作原理RADIALTURBINE26壓氣機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換（TURBINEEFFICIENCY）渦輪等熵效率：渦輪機(jī)功率為：27徑流渦輪通用特性(UNIVERSALTURBINEMAP)在一定轉(zhuǎn)速下，隨著流量的增加，渦輪機(jī)也存在一個(gè)堵塞流量。堵塞發(fā)生意味著在渦輪的內(nèi)部某處氣流速已達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲佟６氯话阋装l(fā)生在噴嘴出口截面。28排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TURBOCHARGINGSYSTEM

定壓渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)29一、定壓渦輪增壓系統(tǒng)

定壓增壓

把內(nèi)燃機(jī)所有氣缸的排氣收集到一個(gè)體積足夠大的排氣管內(nèi)，然后再引入渦輪。由于排氣管的穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為定壓增壓。特點(diǎn)渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，渦輪效率較高氣流引起的激振和沖擊小，工作穩(wěn)定排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本較低，易于布置和維護(hù)缺點(diǎn)

脈沖能量的利用率較低，加速性能差。CONSTANTPRESSURETURBOCHARGINGSYSTEM30定壓渦輪增壓系統(tǒng)能量平衡EnergyAnalysis

31二、脈沖渦輪增壓系統(tǒng)排氣管短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積小，排氣過程造成渦輪進(jìn)口壓力的周期性脈動(dòng)。渦輪是在進(jìn)口壓力有較大波動(dòng)的情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓。PulseTurbochargingSystem脈沖增壓缺點(diǎn)特點(diǎn)排氣系統(tǒng)容積小，渦輪是在進(jìn)口壓力脈動(dòng)。節(jié)流損失減小，排氣能量利用率提高。加速響應(yīng)快排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置較困難。渦輪受沖擊較大，對(duì)壽命有一定影響。32三、定壓增壓與脈沖增壓系統(tǒng)的比較性能指標(biāo)定壓增壓脈沖增壓排氣能量利用率－＋掃氣作用－＋發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能－＋渦輪效率＋－增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)＋－COMPARISONOFTURBO-SYSTEM33排氣脈沖與發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣ScavengingPerformance34一、內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓器的匹配計(jì)算渦輪增壓器自由平衡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)滿足的條件

1.渦輪機(jī)和壓氣機(jī)同軸安裝。

2.扣除機(jī)械效率，渦輪機(jī)的輸出功率與壓氣機(jī)的消耗功率相等。

3.通過壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的氣體質(zhì)量流量有如下關(guān)系：

推導(dǎo)建立定壓渦輪增壓器的基本方程利用已知特性參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算

渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配

Engine&TurboMatching35二、柴油機(jī)與渦輪增壓器聯(lián)合運(yùn)行特性1—2—3—外特性4—螺旋槳特性線5—喘振邊界6—最高轉(zhuǎn)速線7—最高排溫線8—最低效率線36三、渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配流量范圍的選擇：通常是指從喘振線至某一效率等值線或堵塞線所包括的區(qū)域。聯(lián)合運(yùn)行線的調(diào)整：調(diào)整渦輪增壓器的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增大渦輪噴嘴環(huán)出口截面積等，將發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線向右移動(dòng)，使其離開喘振線而進(jìn)入正常的工作區(qū)域。喘振線位置的調(diào)整：采用改變?nèi)~片擴(kuò)壓器喉口面積的辦法來控制喘振線的左右移動(dòng)。還可以通過改變渦輪噴嘴環(huán)的出口流通面積、改變運(yùn)行線的方法適應(yīng)壓氣機(jī)的特性曲線。壓氣機(jī)堵塞的控制：適當(dāng)增大葉片擴(kuò)壓器喉口面積和葉輪喉口面積，可以提高壓氣機(jī)的堵塞流量。

渦輪增壓器超速和增壓壓