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本章要求：本章要求：了解：了解：发动机增压方式。发动机增压方式。理解：理解：涡轮增压器的结构和工作原理。涡轮增压器的结构和工作原理。掌握：掌握：离心式涡轮增压器的原理，增压发动机的特离心式涡轮增压器的原理，增压发动机的特点。点。第七章第七章 发动机增压发动机增压2021/9/152021/9/151 1增压：增压：为提高平均有效压力以为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度增加气缸内封存气体密度的方法。的方法。（广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度（广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。）的一切方法，都称为增压。）目的：目的：通过增加充气量，以通过增加充气量，以提高功率提高功率，改善经济性和排放性，改善经济性和排放性提高发动机功率的途径：提高发动机功率的途径：第一节第一节 发动机增压的基本知识发动机增压的基本知识改变结构参数。增加改变结构参数。增加i、Vh(D、S)，减少，减少，但体，但体积积和重量增和重量增加加提高提高转转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命减少，噪速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命减少，噪音大音大提高平均有效提高平均有效压压力力Pe。提高平均有效压力提高平均有效压力Pe 方法：方法：减少过量系数减少过量系数提高充气效率提高充气效率增加充气密度增加充气密度（增压）（增压）2021/9/152021/9/152 2增压度增压度k：发动机在增压后增长的功率与增压前功率：发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比之比k为范围为范围10%60%。大部分为。大部分为20%30%。增压压比增压压比 k：进入气缸的气体压力：进入气缸的气体压力Pk与大气压力与大气压力P0之比之比增压的范围增压的范围:低增压：低增压：k 1.31.6（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe0.71.0MPa）中增压：中增压：k 1.62.5（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe1.01.5MPa）高增压：高增压：k 2.5 （pe 1.5MPa）；）；超高增压：超高增压：k 3.5（pe2.0MPa）。）。2021/9/152021/9/153 3内燃机增压的优缺点内燃机增压的优缺点改善了发动机性能：改善了发动机性能：提高了内燃机机械效率；提高了内燃机机械效率；提高了内燃机的指示热效率；提高了内燃机的指示热效率；改善了燃烧过程。改善了燃烧过程。增加了发动机的比功率；增加了发动机的比功率；扩大了内燃机高原适应性：扩大了内燃机高原适应性：有利于降低有害气体排放和噪声。有利于降低有害气体排放和噪声。(HC降低，高负荷的降低，高负荷的NOx降低，空气充足使碳烟有所降低，空气充足使碳烟有所降低；温度高使着火延迟期缩短）降低；温度高使着火延迟期缩短）增加了柴油机的增加了柴油机的机械负荷；机械负荷；增加了柴油机的增加了柴油机的热负荷。热负荷。优点：优点：缺点：缺点：2021/9/152021/9/154 4按照实现增压所提供的能量可分：按照实现增压所提供的能量可分：机械增压；机械增压；废气涡轮增压；废气涡轮增压；气波增压；气波增压；复合增压复合增压谐波增压（汽油机）谐波增压（汽油机）第二节第二节 发动机增压的类型发动机增压的类型2021/9/152021/9/155 5、机械增压、机械增压由曲轴经过齿轮增速箱驱由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机。动压气机。机械增压增压压力高，压机械增压增压压力高，压气机消耗的功率大。为使气机消耗的功率大。为使内燃机机械效率不要过分内燃机机械效率不要过分下降，增压压力下降，增压压力Pk不能过不能过高。高。Pk 160170KPa主要用途：提高发动机低主要用途：提高发动机低速扭矩速扭矩2021/9/152021/9/156 6机械增压器的种类机械增压器的种类机械增压所用的压气机除机械增压所用的压气机除离心式离心式压气机外，在车用内压气机外，在车用内燃机上常用容积式压气机：燃机上常用容积式压气机：罗茨式；螺杆式；转子活塞式罗茨式；螺杆式；转子活塞式。2021/9/152021/9/157 7、废气涡轮增压、废气涡轮增压废气涡轮增压利用废气涡轮增压利用内燃机排气中能量内燃机排气中能量来实现增压，比机来实现增压，比机械增压经济性好，械增压经济性好，比非增压自然吸气比非增压自然吸气式内燃机燃油好率式内燃机燃油好率可低可低5%10%。质量功率和体积功质量功率和体积功率比非自然吸气内率比非自然吸气内燃机明显改善，因燃机明显改善，因而在内燃机上得到而在内燃机上得到广泛应用。广泛应用。2021/9/152021/9/158 8废气涡轮增压的分类废气涡轮增压的分类废气涡轮增压器主要由压废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮组成。气机和废气涡轮组成。压气机主要是离心式的。压气机主要是离心式的。废气涡轮分：废气涡轮分：轴流式；轴流式；径流式径流式；斜流式（混流式）。斜流式（混流式）。由于内燃机排气能量由于内燃机排气能量利用的不同，有两种利用的不同，有两种经典的、基本的增压经典的、基本的增压形式：形式：脉冲涡轮增压；脉冲涡轮增压；等压涡轮增压。等压涡轮增压。2021/9/152021/9/159 9、气波增压、气波增压气波增压是通过气波增压器利气波增压是通过气波增压器利用气体质点和压力波的反射特用气体质点和压力波的反射特性，使排气和进气之间进行直性，使排气和进气之间进行直接的能量交换，以增大进气密接的能量交换，以增大进气密度。度。气波增压对内燃机工况反映迅气波增压对内燃机工况反映迅速，使气波增压的加速性好，速，使气波增压的加速性好，且低速时空气的压缩程度高，且低速时空气的压缩程度高，低速扭矩好。工作温度低，不低速扭矩好。工作温度低，不需要耐高温材料。但体积大，需要耐高温材料。但体积大，噪声大，安装位置受到一定限噪声大，安装位置受到一定限值。匹配要求高，防止窜烟。值。匹配要求高，防止窜烟。2021/9/152021/9/151010气波增压器转气波增压器转子展开图子展开图2021/9/152021/9/151111、复合增压、复合增压机械增压与废气涡轮增压组合。机械增压与废气涡轮增压组合。谐波增压与废气涡轮增压组合。谐波增压与废气涡轮增压组合。2021/9/152021/9/151212、谐波增压、谐波增压ACIS2021/9/152021/9/151313双增压器顺序增压双增压器顺序增压多缸发动机上使用两台增压器。多缸发动机上使用两台增压器。在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反映性能。反映性能。在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。2021/9/152021/9/151414第三节第三节 增压器增压器可变进气道增压器；可变进气道增压器；可变喷嘴环增压器；可变喷嘴环增压器；可变涡轮喉口截面增压器；可变涡轮喉口截面增压器；可变叶片增压器；可变叶片增压器；废气放气增压器；废气放气增压器；进气回流增压器；进气回流增压器；射流涡轮增压器；射流涡轮增压器；斜流涡轮增压器；斜流涡轮增压器；2021/9/152021/9/151515可变进气道增压器可变进气道增压器低速时使用一个进气低速时使用一个进气通道；高速时，进气通道；高速时，进气量大，使用两个通道，量大，使用两个通道，可以改善增压发动机可以改善增压发动机的过渡性能。的过渡性能。2021/9/152021/9/151616可变进气道增压器性能可变进气道增压器性能2021/9/152021/9/151717可变喷嘴环增压器可变喷嘴环增压器低速时，喷嘴角低速时，喷嘴角度小，流通截面度小，流通截面小；高速时喷嘴小；高速时喷嘴角度大，流通截角度大，流通截面能保证涡轮从面能保证涡轮从废气中获取足够废气中获取足够能量达到压气机能量达到压气机的需求。的需求。各喷嘴环各喷嘴环1通过轴销通过轴销2固定在涡壳固定在涡壳5上，再经传动杆上，再经传动杆3与喷嘴控制盘与喷嘴控制盘4相相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。通过调整涡壳通过调整涡壳5与涡与涡轮叶轮轮叶轮6之间的喷嘴之间的喷嘴环角度来调整涡轮流环角度来调整涡轮流通截面。通截面。2021/9/152021/9/151818可变喷嘴环增压器特性可变喷嘴环增压器特性左图中左图中是喷嘴环角是喷嘴环角度以此减小的情况。随着度以此减小的情况。随着内燃机转速下降，压气机内燃机转速下降，压气机的增压压力不但没有下降，的增压压力不但没有下降，反而提升到高转速水平，反而提升到高转速水平，从而保证增压内燃机的低从而保证增压内燃机的低速性能。速性能。可调喷嘴环用于增压器与可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配。通过内燃机的高速匹配。通过可调喷嘴环改善低速性能。可调喷嘴环改善低速性能。2021/9/152021/9/151919可变涡轮喉口截面增压器可变涡轮喉口截面增压器1.压气机；压气机；2.可变喉口截面调整板；可变喉口截面调整板；3.调整板及调整机构；调整板及调整机构；4.操纵机操纵机构；构；5.操纵机构控制电磁阀；操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；涡轮；A.最小喉口截面；最小喉口截面；B.最大喉最大喉口截面口截面低速高速2021/9/152021/9/152020可变涡轮喉口截面增压器工作原理可变涡轮喉口截面增压器工作原理可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将作用在涡轮叶片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机有所降低），空气增压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。2021/9/152021/9/152121可变叶片增压器可变叶片增压器可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关系。多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。三菱多阀VG增压器本田可变叶片增压器2021/9/152021/9/152222废气放气增压器废气放气增压器车用增压内燃机为获得低速车用增压内燃机为获得低速大扭矩和良好的加速性能，大扭矩和良好的加速性能，涡轮增压器一般按内燃机低涡轮增压器一般按内燃机低速、小流量设计。速、小流量设计。轿车用增压器设计转速为内轿车用增压器设计转速为内燃机标定转速的燃机标定转速的40%左右。左右。公共汽车、重型车用的增压公共汽车、重型车用的增压器设计转速为内燃机标定转器设计转速为内燃机标定转速的速的60%左右。左右。高速时，将会使增压压力过高速时，将会使增压压力过高，增压器超速，柴油机爆高，增压器超速，柴油机爆发压力过大，汽油机容易引发压力过大，汽油机容易引起爆震。起爆震。为此，设计增压器常增加废为此，设计增压器常增加废气放气阀，在高速时将一部气放气阀，在高速时将一部分废气旁通掉，加以控制增分废气旁通掉，加以控制增压压力。压压力。2021/9/152021/9/152323废气废气放气放气增压增压器工器工作原作原理理废气门废气门3与增压器与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上。废气门的阀门的排气管上。废气门的阀门固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废气一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压力回不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压力回落，以实现空气增压压力的自动调节。落，以实现空气增压压力的自动调节。2021/9/152021/9/152424进气回流增压器进气回流增压器为避免由于负荷突变及环境变为避免由于负荷突变及环境变化而使压气机出现喘振而损坏化而使压气机出现喘振而损坏增压器，在增压器的压气机进增压器，在增压器的压气机进口装上整体式的回流阀。口装上整体式的回流阀。当进气管压力低于某一值时，当进气管压力低于某一值时，作用在回流阀上的进气管压力、作用在回流阀上的进气管压力、弹簧压力和压气机出口的空气弹簧压力和压气机出口的空气增压压力不平衡，回流阀顶开，增压压力不平衡，回流阀顶开，压气机出口的空气通过回流阀压气机出口的空气通过回流阀和回流通道进入压气机进口，和回流通道进入压气机进口，以增加通过压气机的空气量。以增加通过压气机的空气量。2021/9/152021/9/152525第四节第四节 增压中冷技术（选）增压中冷技术（选）增压空气增压空气温度增加温度增加，在柴油机中引起，在柴油机中引起增压条件下进气密增压条件下进气密度减小度减小，即在保持不变过量空气系数，即在保持不变过量空气系数 下，意味着功率下，意味着功率下降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机机械负下降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机机械负荷又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的荷又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的热负荷增加，排温过热负荷增加，排温过高，高，NOx增加增加。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一。汽油机中增压温度升高，除与柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。一般，当增压空气的压力超过一般，当增压空气的压力超过0.15MPa时，就值得采用时，就值得采用中冷。中冷。解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。空气。增压空气温度每降低增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低，涡轮前的废气温度约可降低20K，燃油消耗率可减少，燃油消耗率可减少3g/kW.h。2021/9/152021/9/152626增压中冷方案：增压中冷方案：闭式空水中冷闭式空水中冷：中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系：中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系统中的循环水。该方案结构与布置简单，但不能将增压统中的循环水。该方案结构与布置简单，但不能将增压空气温度冷却较低。空气温度冷却较低。分开式空水中冷分开式空水中冷：中冷器采用独立的冷却介质。该方：中冷器采用独立的冷却介质。该方案可提高中冷器的冷却效率，能较低地降低空气地温度。案可提高中冷器的冷却效率，能较低地降低空气地温度。结构要复杂些，布置上会增加难度。结构要复杂些，布置上会增加难度。共用冷却风扇空空中冷共用冷却风扇空空中冷：中冷器装在内燃机冷却系水：中冷器装在内燃机冷却系水散热器前或后，依靠风扇和车辆行驶时地空气气流冷却散热器前或后，依靠风扇和车辆行驶时地空气气流冷却增压空气。该方案由于它的增压空气。该方案由于它的 最少能量消耗而得到广泛最少能量消耗而得到广泛应用。应用。独立冷却风扇空空中冷独立冷却风扇空空中冷：中冷器带有独立地冷却风扇，：中冷器带有独立地冷却风扇，它可由直流电动机或空气涡轮带动。它可由直流电动机或空气涡轮带动。2021/9/152021/9/152727ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法方法2021/9/152021/9/152828