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废气涡轮增压

Yuning
目录

Ⅰ、基础知识：
一、增压的可行性及特点
二、增压的衡量指标
三、发动机增压的种类
Ⅱ、废气涡轮增压
一、理论基础
（一）废气能量的利用
（二）增压空气的中冷
二、压气机构造
三、离心式压气机工作原理
四、离心式压气机工作特性
五、涡轮机构造与工作原理
Ⅲ、增压的特点及与内燃机匹配
一、对车用增压器的要求
二、增压器与内燃机的匹配
Ⅳ、车用内燃机增压的特殊问题及改善措施
一、车用内燃机增压的特殊问题
二、增压内燃机优化措施

Ⅰ、基础知识：
一、增压的可行性及特点
内燃机的有效功率为：

式中:Pme——平均有效压力(kPa)；
Vs——工作容积(m³)；
i——内燃机全缸数；
n——内燃机转速(r／min)；
τ——冲程数。
要提高内燃机的单机功率，可通过提高内燃机的平均有效压力Pme来实现。要提高平均有效压力Pme，通过控制过量空气系数，提高充气效率和增加进入气缸的充气密度，可以实现提高内燃机的动力性。
内燃机采用进气增压，就是提高进入气缸的充量密度的有效途径，使进入气缸的新鲜气量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高有效功率。
增压技术在柴油机上得到了广泛的应用，汽油机增压的许多问题也已经得到了成功的解决。增压发动的特点是：
1)功率相同时，发动机的空间尺寸减小，重量轻，对于提高发动机的经济性更有意义。
2)在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压发动机的工况更接近最大效率设计工况点。
3)通过增压器的合理设计，可以将转短特性改进为低速高转矩，这对车用内燃机很有利。
4)随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降(海拔每上升1000m功率下降10％)，可通过增压来弥补。
5)通过增压可以使排放降低。对于增压汽油机，通过最合适的燃烧室形状设计和在涡轮机内的后燃，可以降低HC值；在低负荷范围可降低NOx，当然在高负荷时NOx会有所升高。对于柴油机，增压后NOx略有上升，但由于空气过量，烟度有所下降。
6)降低噪声。柴油机增压后，由于混合器工作温度升高，着火延迟期缩短，燃烧过程变得柔和，对直喷式柴油机更为有利。另外，通过换气管内的波动削平和消声，也使噪声减小；表面辐射噪声也有所下降。
7)经济性得到改善。由于增压后平均有效压力提高，机械损失相对减少，在高负荷区，机械效率得到提高；在低负荷区，由于进、排气阻力和换气损失增加，经济性受到影响。在相同功率时，增压机比非增压机的排量要小，机械损失也相对减小。因此，增压机比非增压机的比油耗要小、等油耗的经济运行区扩大；另一方面，排量不变时降低转速，机械损失也减小，热效率得到提高。
8)增压机的主要零部件的机械负荷和热负荷增加。
二、增压的衡量指标
衡量指标主要有增压度和增压比。
1、增压度
增压度φ是指内燃机在增压后的标定功率和增压前的标定功率的差值，与增压前标定功率的比值。增压度表明增压后功率增加的程度。

式中—增压后、增压前的标定功率。
增压度取决于所采用的增压系统，采用中冷可使增压度提高。汽油机的增压度受到爆燃的限制。柴油机的增压度受燃烧最高压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。
现代四冲程柴油机的增压度可达3以上，而车用柴油机的增压度不高，一般只有0.1—0.6左右。因为车用柴油机要同时考虑车辆的动力性、经济性、排放和成本等多方面要求。
2、增压比
增压比是指增压器出口压力与环境条件下大气压力(或增压器进口压力)的比值，简称压比，用表示。

式中 —增压器出口压力；
一环境条件下大气压力。
通常<0.15MPa为低增压；0.15MP<<0.25MPa为中增压；0.25MPa<<0.35MPa，>0.35MPa为超高增压。
三、发动机增压的种类
按增压的工作原理，内燃机增压可分为：机械式增压、容积式(进气管)增压、气波增压、废气涡轮增压及复合增压。
Ⅱ、废气涡轮增压
废气涡轮增压在1905年由瑞士人(Bechi)提出，20世纪20年代开始用于柴油机。近年来，汽油机增压也颇受重视，应用增多。
一、理论基础
1、废气能量的利用
为了说明四行程汽油机废气能量利用情况，将其理论示功图表示在图右上。图中3—a为吸气过程，进气压力为入；a-c-z-b是压缩、燃烧、膨胀过程；b—5—4是排气过程，由于废气涡轮的存在，排气背压为；2-3-a-0为压缩进入气缸所需之能量，由于3-a-5-4为充量更换正功；i—g’—3—2为压缩扫气空气所需之能量，故压气机消耗的总能量为i-g’-a-o。
在发动机排气门打开时，气缸中燃气状态为b如果让这些燃气在理想的内燃机或涡轮机中不出现任何损失的完全膨胀到大气压力时，燃气所具有最大作功能力为1-b-f (示功图上面积)它就是理论上有可能从废气中取得并用以作功的最大能量。
废气能量的利用与增压系统的型式有关，一般废气涡轮增压型有恒压增压系统和变压增压系统(也称脉冲增压系统)两种型式。

废气的全部能量E可以分为两个部分：一部分为气缸内气体由压力膨胀到涡轮前气体压力的膨胀能，对应面积为5-b-e-5。另一部分是气体在涡轮内由压力膨胀到大气压力的膨胀能互，对应面积为e-f-i-g-e，其中包括i-g-4-2-i面积所表示的扫气空气在涡轮中所作的功。
对于恒压增压系统是使所有气缸的废气进入一个容量足够大的排气总管，以维持管中恒定的压力，见图。现在分析一下在恒压增压系统中涡轮作功的能量来源。
根据上述分析，涡轮作功来源由三个部分组成：1)面积i-g-4-2是扫气空气所给予的；2)面积2-4-5-1是活塞推出废气所作的功；3)真正从废气中取得的能量为面积1-5-e-f；因此，废气所拥有的可用能量为1-b-f，而对恒压增压系统中面积为5-b-e-5的可用能量损失掉了。这是因为废气从气缸流入大容量的排气总管时，排气门处产生节流、涡流等损失。如果排气管处在绝热的情况下，则动能的一部分转变为热能，使废气的容积增加了ΔV（e→e’）同时涡轮前的温度升高，这样涡轮功的面积将增加一个e-e’-f’-f，这就是从损失5-b-e中的复热回收部分。越高，则复热回收的比例越大。
变压增压系统是把排气系统的容积作的尽量小，使压力脉冲和动能损失尽量小。为此，可用一个涡轮或几个祸轮，安装在尽量靠近相应的气缸，同时把多缸机的排气管分作几个单独的支管以排除气缸排气的相互干扰，这时除可利用定压废气能量外，还可利用的一部分。这是因为排气容积小且变化小，节流损失小。另外排气管截面较细，管中流速较高，部分动能也可以在涡轮中加以利用。通常用表征脉冲增压较恒压增压可多利用的废气能量程度，则

式中K——能量的利用系数。
下图示出了及f随增压比 （一压气机出口压力，一压气机进口压力）的变化关系。当大于2.5时，值的变化较缓，说明脉冲增压所得到的能量增益不大。
2、增压空气的中冷
根据式(8—1)可知要想提高发动机的功率则需提高进气压力加(增压)，但随着的提高则进气温度也随之升高，它不但限制了发动机功率的进一步提高，而且还将引起排气温度升高，热负荷增加。为此，将从压气机出来的高温气体经过在压气机与进气门之间设置的中冷器1使空气冷却降温后再送入到发动机气缸中，这样增压使增加，中冷使下降，从而使发动机的功率得到更大的提高。其系统布置及工作路线如图所示。根据一般车用汽油机的产品统计可知：采用废气涡轮增压其功率可提高30％一40％，增压后中冷又可提高20％一30％左右。因此在高性能车用发动机中都采用增压中冷型式。

二、压气机构造
下图为单级车用废气涡轮增压器。左侧为压气机，它由进气道、压气机叶轮扩压器和压气机壳等组成。
1．进气道
进气道的作用是将气流有秩序地导入压气机的工作叶轮进行压缩。轴流式压气机进气气流沿轴向进人工作轮，空气进入工作轮时的损失较小，这种结构常用于小型增压器。
2．压气机叶轮
叶轮的作用是在其旋转时，使空气在离心力的作用下，受到压缩并甩向叶轮外缘，使空气的温度、压力和流速都增加。
叶轮的构造如下图所示。其结构形式有半开式、开式和星形。
半开式叶轮叶片和轮盘相连，具有一定的强度和刚度，小型增压机应用较多。
开式叶轮只有轮鼓和叶片，叶片两端是敞开的，摩棕流动损失大，效率低，易引起振动，目前较少采用。
星形叶轮是在半开式的基础上发展起来的。这种结构能承受较高转速，适用于高增压机。
3．扩压器和出气蜗壳
扩压器的作用是使流经叶轮后的气流速度降低，从而进一步增加气体的静压力。扩压器的型式有两种：一种是入口小出口大的无叶扩压器(缝隙式扩压器)；另一种是叶片式扩压器两种。
出气蜗壳的作用是收集气体，并将其引入增压器的进气管，同．时继续压缩气体，使从扩压器出来的气体再一次降低流速，以提高气体的静压力。

三、离心式压气机工作原理
增压器工作时，空气沿进气道铀向进入叶轮(参见图8—4)，因进气道多为收敛形，气流流经进气道时，速度略有增加，此时充量与外界没有热交换，其压力和温度赂有下降。气流进入叶轮后，由于叶轮转动，使气流受离心力的作用，压缩并甩到叶轮外绦，压力和流速有较大的增长。然后进人扩压器，将其动能大部分转为压能，空气的密度、压力及温度升高，而流速降低。进入涡壳后，继续增压降速，然后将空气送入内燃机的进气管和气缸，达到增压的目的。
四、离心式压气机工作特性
离心式压气机的主要工作参数是增压比、流量、转速和绝热效率。
在不同转速下，压气机的增压比和效率随空气流量的变化关系，称为压气机的压比流量特性，如图8—7所示。

从图中等转速曲线看，随着流量的增加，曲线呈下弯趋势，增压比逐渐减小。增压比的大小与转速有关，转速越高，增压比越大。在一定转速下，当压气机流量减小时，增压比和效率增加；当流量减小到某值时，增压比、效率达最大值；流量继续减小，增压比和效率随之又降低。当流量减小到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的角度偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，引起压气机工况不稳定，导致压气机振动，并发出异常响声，称为喘振。将各转速下的喘振点连接起来；构成一条喘振边界线。喘振线的左边为不稳定区域，压气机只能在喘振线右侧工作，即小供气量时，不能达到高增压比。
从特性曲线中的等效率曲线来看，中间是高效率区。高效率区一般比较靠近喘振边界线，从中心向外，效率逐渐下降，特别在大流量低增压区，效率下降很多。
五、涡轮机构造与工作原理
径流式涡轮机主要由进气涡壳，工作轮及出气道等组成(参见图8—4)。
进气涡壳把发动机与增压器连接起来，并使发动机的废气均匀地进入涡轮。在涡壳与工作轮问装有导向叶片(吸嘴环)，其作用是将废气的压朗有效地转换为动能，使气流具有一定的方向和较均匀地高速进入工作轮。高速运动的气流冲击着涡轮机的工作轮，使其高速旋转，并带动压气机工作。
Ⅲ、增压的特点及与内燃机匹配
一、对车用增压器的要求
与车用内燃机相匹配的涡轮增压器应满足以下要求：
1)尽量小的转动质量。车用机变工况多，起动性、加速性必须良好，因而增压器转子的转动惯量要小。
2)最佳的涡轮转速比。涡轮的效率与其速比有密切关系。速比最佳时，涡轮效率最高。变工况时，由于转速和进口废气状态变化，速比也发生变化，使祸轮效率下降。在叶轮尺寸较小的情况下，只有提高温轮机的转速。一般中等吨位的车用发动机增压器的转速，在每分钟10几万转以上，轿车则可达25万转以上。
3)宽广的压气机高效区。车用内燃机流量变化范围较宽，而压气机的效率和压比随工况变化会明显下降，高效区很窄。
4)较强的变工况适应性。车用内燃机工况变化大，导致涡轮喷嘴环出口的气流速度发生变化，则叶轮入口相对速度的方向和大小均发生变化，而入口导向叶片的几何角度不变，气流将偏离最佳设计方向，使产生的冲击损失较大，影响涡轮效率。这种现象在有叶喷嘴上反映敏感，在无叶喷嘴上却比较迟钝。所以，车用增压器宜采用无叶喷嘴涡轮，以增强工况的适应性。另外，为了满足车用内燃机低速下转矩和排放指标的要求，近年来还采用变截面增压器。
二、增压器与内燃机的匹配
要使增压器获得良好的性能，涡轮增压器与发动机必须很好地匹配：
1)在标定工况，必须达到预期的增压压力和空气流量，以保证有足够的过量空气，使燃烧完善。同时，要求涡轮前的徘气温度不能超过预定值，以保证热负荷和机械负荷不致过高。
2)低工况时，保证有一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求。
3)增压器对运转范围的适应能力较强，涡轮机应允许在较宽广的范围运转较大，高效率区在整个工作范围不发生喘振和涡轮机阻塞现象。
Ⅳ、车用内燃机增压的特殊问题及改善措施
一、车用内燃机增压的特殊问题
1．柴油机增压的特殊问题
(1)热负荷增加 增压柴油机进气的温度是压气机出口温度的函数，比非增压机高至少60—80℃。由于压缩初温升高，致使各工作循环的温度相应上升。同时，循环供油量增加后，转变为有用功的热量和损失的热量都随着增加，表现于机油温度、冷却水温度及排气温度显著提高。
对于涡轮增压器来说，也存在热负荷过大问题，有关的零部件会因热负荷大而加速损坏。随着增压速度的提高，热应力的问题将会更加突出。
(2)机械负荷增加 随着进气压力的增高，柴油机的燃烧最高压力也要增大。进气压力每增加0．1MPa，燃烧最高压力就增加0．868MPa，压力升高率剧增，柴油机的机械负荷增加很多。
(3)低速和加速排气冒烟 柴油机在低速运转时，由于惯性作用，空气增压较差，柴油棚，杯低谏区是官油燃烧，易冒黑烟。在加速时，由于惯性使压气机供气滞后，也会出现冒烟现象。
2．汽油机的特殊问题
汽油机增压以后，除了热负荷增加和机械负荷增加外，由于汽油机工况变化范围更大，并采用点燃式着火方式，增压所带来的问题更为特殊。
(1)爆燃倾向加大 汽油机增压后，由于热负荷的增加，进、排气温度升高，加上不能加大扫气来冷却受热零件，使热负荷更高。如果不改变压缩比和使用高辛烷值的汽油，爆燃的倾向加剧。
(2)汽油机速度变化范围大。整个速度范围内的功率差别大，使涡轮增压器的匹配更难。
(3)瞬态响应更差。由于汽油机增压直接影响空气和燃油量，因此，对速度变化的瞬态响应更差。
二、增压内燃机优化措施
由于废气涡轮增压可以明显地提高发动机的动力性能，降低比油耗及排放污染，径小于100mm的汽车发动机也越来越多地采用增压技术。为获得较为理想的效果，动机必须采取相应的措施，才能完善其性能。
1．增压柴油机的优化措施
(1)降低热负荷 降低热负荷的主要措施有增加冷却扫气量、温度等。现代缸降低压缩空气温度和排气
1)适当增大进排气门的叠开角，每增加10°叠开角，可降低排气温度5℃左右。但叠开角过大，会发生活塞与气门相碰现象。
2)增大气门叠开期内进、排气管压差，每增加压差0.01MPa，每循环每气缸可增加扫气量0.02g。增大压差的主要途径是合理设计进、排气歧管，增大进排气门的时间(截面)。
3)增压中间冷却，压缩空气每降低1℃，燃烧最高温度可降低2—3℃。因此，对增压空气进行中间冷却，冷却后的压缩空气进入进气管。中间冷却使发动机进气密度进一步提高，在不增加热负荷的情况下，可提高功率12％一15％，同时还有利于降低NOx的排放。
4)强化冷却系统。改善机油冷却条件和曲轴箱通风，增大机油散热器散热面积；改善冷却系工作条件，适当调整水泵容量，提高水泵转速，增大散热水箱散热面积，增大风扇直径等。
5)改善供油系统和燃烧系统。柴油机增压后，循环供油量增大。适当调整供油系统、合理组织燃烧过程，对降低热负荷很有作用。可以通过缩短供油时间、强化燃挠室中油气的混合，适当降低供油提前角，使滞燃期缩短，工作柔和。
(2)降低机械负荷的措施
1)适当降低压缩比，可以降低燃烧最高压力，从而对降低机械负荷有利。
2)适当减小供油提前角，使燃烧的最高压力下降，既减小了热负荷，又缓解了机械负荷。
3)调整涡轮增压器，适当增大喷嘴环面积，使增压器转子转速下降，压气机出口压力降低，柴油机最大爆发压力减小，机械负荷减小。还可适当增大压气机及涡轮的涡壳来调整压缩比、流量及效率范围，以优化匹配。
4)优化供油系统。
5)采用特殊结构，如：可变压缩比增压系统、变截面增压器、低温高增压系统、冒烟*限制器等。
2．增压汽油机的优化
汽油机增压的主要问题是爆燃倾向加剧，应有效地消除草成小爆燃。
1)采用辛烷值高的燃料或降低压缩比。
2)采用废气再循环，降低燃挠最高温度和压力。
3)燃烧室设计更紧凑。
4)采用中间冷却技术，降低充气温度。
5)选择适当的增压度。