第九章發(fā)動機排氣渦輪增壓 顧寶興 第一節(jié)概述 增壓是發(fā)動機提高功率最有效的方法 各種增壓方法中 以廢氣渦輪增壓技術(shù)最成熟 效率也高 應(yīng)用最廣 近年來汽車發(fā)動機采用廢氣渦輪增壓日漸普遍 增壓 利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮 再送入發(fā)動機氣缸的過程 增壓后 每循環(huán)進入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增大 使實際充氣量增加 提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性 本章重點介紹 1 汽車發(fā)動機增壓系統(tǒng)常用的廢氣渦輪增壓器的離心式壓氣機和徑流式渦輪機的主要工作參數(shù)和流通特性 2 恒壓增壓系統(tǒng)和脈沖增壓系統(tǒng) 3 增壓發(fā)動機的性能 本章的目的是要在熟悉廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)的前提下 掌握離心式壓氣機和徑流式渦輪機的工作原理 掌握廢氣渦輪增壓器與柴油機的匹配特性及其調(diào)整 為了提高發(fā)動機的輸出功率Pe 由式 可知 通過下列方法可提高功率 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或活塞平均速度Cm 3 提高平均有效壓力pme 顯然 用加大車用發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高發(fā)動機功率 將受到安裝位置和自重的限制 通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速 向高速發(fā)動機發(fā)展雖然是可行的 但發(fā)動機轉(zhuǎn)度的提高受到活塞平均速度的限制 因為充氣效率 v和機械效率 m都將隨著活塞平均速度的提高而顯著下降 此外 燃料經(jīng)濟性 發(fā)動機運轉(zhuǎn)可靠性 機件壽命及噪聲等因素也限制了活塞平均速度的提高 只有提高發(fā)動機的平均有效壓力才是最經(jīng)濟有效的方法 它可通過減小過量空氣系數(shù) a 提高充氣效率 v和增加進入氣缸的充量密度 k來實現(xiàn) 因此 增大進氣密度 即提高進入氣缸空氣的壓力 降低進入氣缸空氣的溫度Tk是提高平均有效壓力pme最有效的方法 提高進入氣缸空氣的壓力和降低進入氣缸空氣的溫度的辦法是采用增壓和中冷技術(shù) 渦輪增壓的原理 紅色為高溫廢氣 藍色為新鮮空氣 渦輪增壓套件 增壓的衡量指標 增壓度為了說明發(fā)動機在采用增壓后使功率得到提高的程度 提出增壓度的概念 增壓度是指發(fā)動機增壓后增長的功率與增壓前的功率之比 式中 分別為發(fā)動機增壓后和增壓前的有效功率 增壓度取決于所采用的增壓系統(tǒng) 采用中冷可使增壓度提高 汽油機的增壓度受到爆燃燃燒的限制 柴油機的增壓度受到燃燒最高爆發(fā)壓力的限制 通常以降低壓縮比來補償 增壓度小于1 9時 為低增壓 在1 9 2 5范圍內(nèi) 為中增壓 在2 5 3 5范圍內(nèi) 為高增壓 大于3 5時為超高增壓 目前 車用發(fā)動機的增壓度不高 在0 1 0 6的范圍內(nèi) 大部分為0 2 0 3 而船用大型低速四沖程柴油機的增壓度可達到3 0以上 這是因為車用發(fā)動機增壓不僅要求功率增加 而且還要在較大的轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)滿足動力性 經(jīng)濟性 排放與成本等多方面的要求 因此增壓度一般不宜過高 增壓比增壓比是指增壓后空氣壓力pk與增壓前的空氣壓力po之比增壓發(fā)動機按照增壓比的大小可以分為 低增壓 相應(yīng)的pme 0 7 1MPa 中增壓相應(yīng)的pme 1 1 5MPa 高增壓 相應(yīng)的pme 1 5MPa 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 增壓方法基本上可以分為以下幾類 機械增壓是一種通過發(fā)動機曲軸直接驅(qū)動壓氣機 以提高發(fā)動機進氣壓力的增壓方式 如右圖所示 機械增壓器由發(fā)動機曲軸經(jīng)齒輪增速器驅(qū)動 機械增壓器與發(fā)動機容易匹配 結(jié)構(gòu)也比較緊湊 但是 由于驅(qū)動增壓器需消耗發(fā)動機功率 因此燃油消耗率比非增壓發(fā)動機略高 廢氣渦輪增壓 是車用發(fā)動機廣泛采用的一種增壓方式 主要由渦輪機和壓氣機構(gòu)成 廢氣渦輪增壓器與發(fā)動機無機械聯(lián)系 這種增壓方式能有效地利用排氣的能量進行增壓 所以經(jīng)濟性比機械增壓和非增壓發(fā)動機好 并可大幅度地降低有害氣體的排放和噪聲水平 缺點 由于渦輪機是流體機械 而發(fā)動機是動力機械裝置 因此增壓發(fā)動機低速時的轉(zhuǎn)矩增加不多 在發(fā)動機工況發(fā)生變化時 瞬態(tài)響應(yīng)特性較差 從而使得低速加速性較差 在大功率柴油機上采用比較多 其發(fā)動機輸出功率大 燃油消耗率低 噪聲小 只是結(jié)構(gòu)太復雜 技術(shù)含量高 維修保養(yǎng)不容易 將廢氣渦輪增壓和機械增壓組合使用 復合式增壓系統(tǒng) 氣波增壓利用排氣壓力波使空氣受到壓縮 以提高進氣壓力的方式 氣波增壓器設(shè)有一個特殊形狀的氣波增壓器轉(zhuǎn)子 由發(fā)動機曲軸帶輪經(jīng)傳動帶驅(qū)動 在轉(zhuǎn)子中發(fā)動機排出的廢氣直接與空氣接觸 利用排氣壓力波使空氣受到壓縮 以提高進氣壓力 氣波增壓器結(jié)構(gòu)簡單 加工方便 工作溫度不高 不需要耐熱材料 也無需冷卻 與渦輪增壓相比 其低速轉(zhuǎn)矩特性好 但其體積大 噪聲水平高 安裝位置受到一定的限制 氣波增壓 增壓技術(shù)的優(yōu) 缺點 增壓的優(yōu)點有 1 在保證輸出功率Pe不變的情況下 可以使氣缸數(shù)減少或者氣缸直徑減小 從而可以減小發(fā)動機的比質(zhì)量和外形尺寸 2 提高熱效率 降低燃油消耗率 3 減少排氣污染和噪聲 4 降低發(fā)動機的單位功率造價 5 對補償高原功率損失十分有利 1 增壓發(fā)動機的機械負荷和熱負荷都較高 2 增壓發(fā)動機很難滿足車輛對轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性及瞬變工況的要求 3 車用汽油機應(yīng)用增壓技術(shù)較困難 4 適用的小型渦輪增壓器發(fā)展晚并且效率偏低 增壓技術(shù)用于發(fā)動機上的困難有 第二節(jié)廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及原理 離心式壓氣機 離心式壓氣機由進氣道 壓氣機葉輪 無葉式擴壓管及壓氣機蝸殼等組成 葉輪包括葉片和輪轂 并由增壓器軸帶動旋轉(zhuǎn) 當壓氣機旋轉(zhuǎn)時 空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪 并在離心力的作用下沿相鄰壓氣機葉片之間形成的流道 從葉輪中心流向葉輪的周邊 空氣從旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得能量 使其流速 壓力和溫度均有較大的增高 然后進入葉片式擴壓管 擴壓管為漸擴形流道 空氣流過擴壓管時減速增壓 溫度也有所升高 即在擴壓管中 空氣所具有的大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?徑流式渦輪機 徑流式渦輪機由進氣蝸殼 噴嘴環(huán) 工作輪及出氣道等組成 蝸殼的進口與發(fā)動機排氣管相連 發(fā)動機的排氣經(jīng)蝸殼引導進入葉片式噴嘴環(huán) 噴嘴環(huán)是由相鄰葉片構(gòu)成的漸縮形流道 排氣流過噴嘴環(huán)時降壓 降溫 增速 膨脹 使排氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?由噴嘴環(huán)流出的高速氣流沖擊葉輪 并在葉片所形成的流道中繼續(xù)膨脹做功 推動葉輪旋轉(zhuǎn) 渦輪機特性曲線 渦輪機的主要工作參數(shù)有渦輪效率 膨脹比 氣體流量和渦輪轉(zhuǎn)速等 并以這些參數(shù)及其相互關(guān)系來表示渦輪機的工作性能 1 渦輪效率 渦輪效率為渦輪機軸上的有用功與廢氣所擁有的能量的比 2 膨脹比 膨脹比為渦輪進口氣體滯止壓力與渦輪出口氣體靜壓力之比 3 氣體流量 單位時間內(nèi)通過渦輪的氣體質(zhì)量稱為渦輪的氣體流量 用表示 在分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系時 為使渦輪性能在不同入口氣體狀態(tài)下具有可比性 應(yīng)采用量綱一致的相似流量來表征渦輪的流量 為氣體質(zhì)量流量 為滯止溫度 為氣體滯止壓力 4 渦輪轉(zhuǎn)速 由于渦輪與壓氣機同軸 渦輪轉(zhuǎn)速 用n表示 與壓氣機轉(zhuǎn)速相等 統(tǒng)稱渦輪增壓器轉(zhuǎn)速 在分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系時 應(yīng)采用相似量綱 但渦輪的相似轉(zhuǎn)速和壓氣機的相似轉(zhuǎn)速并不相等 有以上可得 渦輪機所發(fā)出的功率PT為 在渦輪機變工況運行時 上述參數(shù)之間的關(guān)系 就是渦輪機的特性 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(zhuǎn)速為參變量的一組曲線 壓氣機特性曲線 壓氣機主要參數(shù) 1 增壓比 2 流經(jīng)壓氣機的每秒質(zhì)量流量 或容積流量 3 壓氣機轉(zhuǎn)速 4 壓氣機的絕熱效率 定義為1kg空氣的絕熱壓縮功與實際壓縮功之比 其物理意義可表述為轉(zhuǎn)動壓氣機的功有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫膲嚎s功 第三節(jié)廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用 一 廢氣渦輪增壓的類型在渦輪增壓內(nèi)燃機中 根據(jù)廢氣能量的利用方式 可以分為定壓渦輪增壓系統(tǒng)和脈沖渦輪增壓系統(tǒng)兩種基本類型 1 定壓渦輪增壓系統(tǒng)特點是渦輪前的廢氣壓力基本上保持恒定 把各缸的排氣管部通向一根排氣總管上 且排氣總管的容積要足夠大 應(yīng)能起穩(wěn)定壓力的作用 這時雖然各氣缸的排氣時間互有差異 壓力波動較大 但匯集到排氣總管后 互相混合減速和滯止 基本保持恒定壓力 然后 廢氣按定壓由排氣管導入渦輪機的噴嘴環(huán) 2 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)為了更好地利用內(nèi)燃機廢氣的脈沖能量 可以采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng) 這種增壓系統(tǒng)的特點是 把各缸的排氣歧管做得短而細 渦輪增壓器盡量靠近氣缸 并且?guī)讉€氣缸 通常二個缸或三個缸 連接一根排氣管 這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互不干擾的廢氣脈沖波 或稱廢氣壓力波 進入廢氣渦輪機中 同時把渦輪的噴嘴環(huán)根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開 使它們互不干擾 由于渦輪處在進氣壓力波動較大的條件下工作 所以該系統(tǒng)又稱為變壓式渦輪增壓系統(tǒng) 二 廢氣能量的利用渦輪增壓器是利用內(nèi)燃機排出氣缸的廢氣能量進行工作的 因此 提高廢氣能量的利用對改善渦輪增壓發(fā)動機性能有重要意義 燃料通過燃燒所釋放出的總熱量中 有25 以上被廢氣所帶走 而廢氣中的可用能又約占廢氣總能量的60 充分利用這部分廢氣能量 是提高內(nèi)燃機熱效率的重要途徑 1 定壓渦輪增壓系統(tǒng)定壓渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點是有一根尺寸較大的排氣總管 所有氣缸的排氣均流入總管 由于總管尺寸大 同時各缸排氣相互交替補充 使排氣管內(nèi)壓力波動很小 進入渦輪機前的壓力基本穩(wěn)定 2 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)這種系統(tǒng)的特點是盡可能的將氣缸中的廢氣直接而迅速的送到渦輪機中去 為此 渦輪機靠近氣缸 排氣管短而細 并且為了減少各缸排氣相互干涉 用幾根排氣支管將相鄰發(fā)火的氣缸排氣隔開 排氣管中的壓力pT在氣缸排氣不久 便可迅速升高并接近缸內(nèi)壓力p1 隨著氣體流入渦輪 又迅速下降到pT 直到下一缸排氣使壓力重復上述情況 形成周期性脈動壓力 定壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較和選擇 綜上所述 可以得出這樣的結(jié)論 在低增壓時 采用脈沖增壓是較為有利的 而在高增壓時 則是兩種系統(tǒng)同時存在 各有所長 應(yīng)根據(jù)實際情況 如用途 氣缸數(shù)目 行程數(shù) 在發(fā)動機上的安裝方式 綜合考慮 例如 車用發(fā)動機大部分時間都在部分負荷下工作 對加速性能和轉(zhuǎn)矩特性要求較高 故在低增壓的車用發(fā)動機上較多采用脈沖增壓系統(tǒng) 1 發(fā)動機的增壓方式有哪幾種 與其他方式相比渦輪增壓的優(yōu)點有哪些 2 增壓為什么能夠提高發(fā)動機的功率 3 發(fā)動機廢氣能量是如何利用的 4 汽油機渦輪增壓的主要技術(shù)措施有哪些 作業(yè)