涡轮增压讨论.

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1、目录content涡轮增压器与发涡轮增压器与发动机的匹配动机的匹配概述概述涡轮涡轮涡轮增压器的机涡轮增压器的机械设计特征械设计特征离心压气机离心压气机大大学学 University答辩答辩Defence涡轮增压系统的涡轮增压系统的发展发展1.1涡轮增压 涡轮增压，是一种利用内燃机(Internal Combustion Engine)运作所产生的废气驱动空气压缩机(Air-compressor)的技术。与超级增压器(机械增压器，Super-Charger)功能相若，两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量，从而令机器效率提升。常见用于汽车引擎中，透过利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃

2、机的马力输出涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.2涡轮增压的要求 为使涡轮增压发动机良好运行，增压系统各部件需合理匹配。为此需满足几个条件。一个显然的条件是通过

3、涡轮的废气流量应等于通过压气机的流量与燃油流量之和。能量平衡关系要求涡轮输出功率应等于压气机消耗功率与轴系消耗功率之和。压气机进口压力为环境气压（考虑进气损失则略低于环境气压），出口压力取决于压气机特性。涡轮出口压力为环境气压加上涡轮下游管路的排气损失，但涡轮进口条件并不受设计者直接控制，其取决于所需要的涡轮输出功率以及发动机的排气温度。 压气机和涡轮的效率是系统的关键性能参数。发动机与涡轮增压器的尺寸对比也值得关注。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.3涡轮增压的增压原理 涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在

4、排气管上。然后增压器的进气口与空气滤滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.4废气能量利用燃料燃烧释放能量的3040%以废气能量的形式释放。增压发

5、动机的性能很大程度上取决于涡轮利用这部分能量以驱动压气机提供增压比的能力，若能有效利用对发动机性能有很大的正效果。图示为某自然吸气发动机的理想循环示功图。在燃烧终止时刻（点3），气体膨胀推动活塞下行。在下止点（点4）排气阀打开。此时气缸内压力高于排气歧管压力（假设排气歧管压力等于环境压力）。废气通过排气阀，压力降为环境压力（点1）。此时活塞上行进行排气冲程，气缸内压力维持环境压力。状态点4 的废气能量在通过废气阀的膨胀过程中浪费了。如果采用某种方法使得活塞下行时超过下止点（BDC），气缸内压力达到环境压力（点5）时排气阀门方开启，同时活塞上行开始排气冲程，则可获得额外的发动机循环输出功。因此，

6、区域4-5-1 表征理论上可利用的最大废气能量，一般称之为排气能量（blowdown energy）。大大学学University答辩答辩Defence概述概述 图1.14a 所示为增压发动机的等效示功图。进气增压使得气缸进气压力高于环境压力。在下止点（BDC，点4）放气阀打开，废气膨胀到排气歧管压力。图示排气歧管压力低于进气压力，以帮助扫气，这并非关注重点。重点在于应高于环境压力，以提供驱动涡轮的压差。 理想情况下，发动机的膨胀过程可以一直进行直到状态点8。区域4-5-8 表示额外的可用废气能量。一旦排气冲程开始，废气在会在涡轮中继续膨胀而达到环境压力。在此过程中，涡轮进口压力从开始的（点8

7、）下降为（点9）。区域5-8-9-10 表示整个涡轮膨胀过程中所利用的废气能量。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.5等压增压技术 气缸排气经过体积足够大的排气歧管，以维持排气歧管压力大致不变，在发动机循环过程中仅有很小的瞬态波动。图1.15 所示为气缸压力、排气压力和环境压力在放气阀打开(EVO)后的变化。对实际发动机，排气阀在活塞下止点前打开，此时气缸压力往往几倍于排气歧管压力。随后气缸废气进入排气歧管。最初废气经过放气阀有较大的压降，此压降逐渐减小至一个很小的值，之后基本不变以维持排气压差。在此期间，废气在涡轮中膨胀，压力从排气歧管压力降至环境压力。如图1.15

8、 所示，只有一部分的废气能量被涡轮利用。 等压增压的优点在于涡轮在一定的进口条件下工作，膨胀比一定。由此可针对该工作点对涡轮进行优化以达到较高的效率。第三章会讲到，当涡轮工作点偏离设计工况时，其性能下降；针对工作点工况的涡轮优化有可能弥补等压增压中废气能量的浪费。大大学学University答辩答辩Defence概述概述1.6脉冲增压技术 相比之下，脉冲增压技术即为了最大地利用废气能量。为了达到这一目的，排气歧管被设计得尽可能小。在排气阀开启时刻，排气歧管压力接近环境压力（图1.16）。小体积排气歧管意味着当排气阀打开时，排气歧管压力快速上升至接近气缸的瞬时压力，其差值为排气阀的压损。当排气阀

9、关闭时，气缸压力仍然略高于环境压力，废气仍经过涡轮膨胀，直至排气歧管压力降为环境压力。 对比图1.15 与图1.16 可知脉冲增压相比于等压增压可更多地利用废气能量。但是，脉冲增压系统要求涡轮工作在较宽广的范围。一旦排气阀打开，涡轮瞬间工作在高压力工况，并很快变为压比接近1 的工况。因此在一个发动机循环周期只有短暂时间工作在其最高效率点，而另外大部分的时间则工作在非最高效率点。相比于等压增压，尽管脉冲增压技术可以使用更多地废气能量，但效率仍可能较低。大大学学University答辩答辩Defence概述概述大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机1简介简介 离心压

10、气机由转动和静止部件组成。空气轴向进入叶轮，如图2.1 所示。一些特殊情况下在离心叶轮上游会安装进口导叶，以使气流发生偏转，并通过可变导叶以拓宽压气机的工作范围。即使采用进口导叶，叶轮进口的气流方向基本上也是轴向的。流体经过叶轮扩压，流向变为径向，在叶轮出口流体具有径向和切向速度。此时流体仍然具有较高的动能，随后在扩压器中尽可能地扩散增压。扩压器有很多不同型式，如无叶式、有叶式、通道式等。最后气体由集气壳（更多采用的是蜗壳，同时可能起额外的气体扩散作用）收集，为发动机供气。大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机2压气机性能压气机性能 图2.5 所示为一个经典的压

11、气机性能特性图（Map）。对每条等转速线，压比随流量变化。同时该图也给出了效率圈。图中流量和转速采用进口（或者环境）的压力和温度进行修正，确保此Map图可用于不同环境大气条件（例如高海拔，）的发动机匹配。故在发动机台架上测得的一个Map 图在不同的发动机工作环境下均可适用。显然压比和效率均为流量和转速的函数。最大效率出现在相对较小的范围，故为使涡轮增压器高效工作，需要将发动机与增压器联合工作线尽可能置于该高效区内。大大学学University答辩答辩Defence离心压气机离心压气机3叶轮、扩压器叶轮、扩压器叶轮设计首先需确保气体平顺地进入流道，为此叶片需要与气流方向成合适的夹角。叶片与气体相