汽车发动机原理发动机废气涡轮增压分析.pptx
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1、第三章第三章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压Engine Exhaust-gas Turbo Supercharging主要内容主要内容概述概述废气能量的利用(废气能量的利用(自学自学)废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压的类型废气涡轮增压的类型汽油机增压概述汽油机增压概述车用增压发动机的性能车用增压发动机的性能第一节第一节 概述概述 增压增压:利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩,再送利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩,再送入发动机气缸的过程。入发动机气缸的过程。增压后,每循环进入气缸内的新鲜充量密度增增压后,每循环进入气缸内的新鲜充量密度
2、增大,使实际充气量增加大,使实际充气量增加,提高发动机功率和改善经济提高发动机功率和改善经济性。性。增压分类增压分类:按增压比(按增压比(增压后气体压力与增压前气体压力之比增压后气体压力与增压前气体压力之比 )低增压:低增压:1.31.6,700 1000kPa;中增压:中增压:1.62.5,10001500kPa;高增压:高增压:2.5,1500kPa;超高增压超高增压 4.55.5,25003500kPa。(1)机械增压机械增压系统系统 发动机输出轴直接驱动发动机输出轴直接驱动机械增压器,实现对进气的机械增压器,实现对进气的压缩。压缩。增压器有:离心式压气增压器有:离心式压气机、罗茨式压气
3、机、螺旋转机、罗茨式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压子式压气机或滑片转子式压气机等。气机等。增压后的气体压力增压后的气体压力P Pk k不宜超过不宜超过160-170kPa160-170kPa。用于小功率发动机。用于小功率发动机。图3-1按增压系统的结构形式按增压系统的结构形式:(2)废气涡轮增压废气涡轮增压系系统统 压气机与涡轮同压气机与涡轮同轴相连,构成涡轮增轴相连,构成涡轮增压器。涡轮在排气能压器。涡轮在排气能量的推动下旋转,带量的推动下旋转,带动压气机工作,实现动压气机工作,实现进气增压。进气增压。可提高功率可提高功率30%-50%30%-50%,降低比油耗,降低比油耗5%5%广
4、泛应用于柴油机。广泛应用于柴油机。涡轮增压的原理涡轮增压的原理 红色为高温废气,蓝色为新鲜空气红色为高温废气,蓝色为新鲜空气废气涡轮增压器废气涡轮增压器()复复合合增增压压系统系统将将废废气气动动力力涡涡轮轮与与废废气气涡涡轮轮增增压压器器串串联联起起来来工工作作,称称为为复复合合式式增增压系统。压系统。(4)组合增压组合增压系统系统 组合式涡轮增压组合式涡轮增压系统由废气涡轮增系统由废气涡轮增压与进气惯性增压压与进气惯性增压组合而成。在该增组合而成。在该增压系统中,除废气压系统中,除废气涡轮增压器外,还涡轮增压器外,还有由稳压箱、共振有由稳压箱、共振管、共振室等构成管、共振室等构成的进气惯性
5、增压系的进气惯性增压系统,利用压力峰值统,利用压力峰值,进一步提高增压后进一步提高增压后的进气压力。的进气压力。()气波增压系统气波增压系统 所谓气波增压,所谓气波增压,是由曲轴驱动一个特是由曲轴驱动一个特殊转子,在转子中废殊转子,在转子中废气直接与空气接触,气直接与空气接触,利用高压废气的脉冲利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相气波迫使空气在互相不混合的情况下受到不混合的情况下受到压缩压缩利用进气及利用进气及排气系统中的波动效排气系统中的波动效应来压缩进气。从而应来压缩进气。从而提高进气压力。提高进气压力。增压的优点增压的优点1.比质量小、升功率大比质量小、升功率大2.降低造价、提高材料利用
6、率降低造价、提高材料利用率 3.排气噪声降低、燃烧噪声降低排气噪声降低、燃烧噪声降低4.有利于高原等稀薄条件工作有利于高原等稀薄条件工作5.排放降低排放降低6.适用性广适用性广增压的缺点增压的缺点1.热负荷与机械负荷大热负荷与机械负荷大2.气体流路长,加速响应性差气体流路长,加速响应性差第三节第三节 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理废气涡轮增压器的基本结构和工作原理一、径流式涡轮的工作原理一、径流式涡轮的工作原理1燃气在涡轮机中的流动燃气在涡轮机中的流动 离心式压气机径流式涡轮中间体 废气从工作叶轮转子的外缘由进废气从工作叶轮转子的外缘由进气蜗壳流入,经过一系列工作路径后气蜗壳流入,经过一系
7、列工作路径后从涡轮中心轴向流出。从涡轮中心轴向流出。在涡轮工作叶轮中,叶片之间的在涡轮工作叶轮中,叶片之间的通道也是呈渐缩状,气体在通道中将通道也是呈渐缩状,气体在通道中将继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片继续膨胀。当气流流过工作叶轮叶片时,气流转弯。由于离心力作用的结时,气流转弯。由于离心力作用的结果,在叶面的凹面上压力得到提高,果,在叶面的凹面上压力得到提高,而在凸面则降低。作用在叶片表面的而在凸面则降低。作用在叶片表面的压力的合力,产生了转矩。此时,压力的合力,产生了转矩。此时,在在工作轮出口处压力、温度以及速度均工作轮出口处压力、温度以及速度均下降,而出口处的气体速度已经大大下降,而出口
8、处的气体速度已经大大小于进口速度,气体膨胀所获得的动小于进口速度,气体膨胀所获得的动能已大部分传给了工作叶轮。能已大部分传给了工作叶轮。涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气涡轮效率为涡轮机轴上的有用功与废气所拥有的能量的比所拥有的能量的比 2.涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线1)涡轮机参数涡轮机参数(1)涡轮效率涡轮效率 膨胀比膨胀比为涡轮进口气体滞止压力与涡轮为涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口气体静压力之比出口气体静压力之比(2)膨胀比膨胀比(4)相似相似转速转速(3)相似流量相似流量 相似流量相似流量 为气体质量流量,为气体质量流量,为滞止温度,为滞止温度,为气体滞止压力。为气体滞止压力。n为为涡
9、轮涡轮转速转速相似相似转速转速涡轮机所发出的功率涡轮机所发出的功率 2)涡轮机特性曲线涡轮机特性曲线图图39 涡轮机的特性涡轮机的特性 涡轮机特性曲线:涡轮机特性曲线:以相以相似流量为横坐标,以膨似流量为横坐标,以膨胀比为纵坐标,以相似胀比为纵坐标,以相似转速为参变量的一组曲转速为参变量的一组曲线。线。转速一定,相似流量随转速一定,相似流量随膨胀比的增大而增大,膨胀比的增大而增大,直到达到流量最大值,直到达到流量最大值,即达到了当地声速,即即达到了当地声速,即使再继续增大膨胀比,使再继续增大膨胀比,该处的气流速度仍维持该处的气流速度仍维持当地声速,涡轮流量也当地声速,涡轮流量也不会再增加。不会
10、再增加。二、离心式压气机的工作原理与特性二、离心式压气机的工作原理与特性图图310 离心式压气机简图离心式压气机简图1进气道;进气道;2工作轮;工作轮;3扩压器;扩压器;4出气蜗壳出气蜗壳基本工作原理基本工作原理:空气沿:空气沿收敛型的轴向进气道略收敛型的轴向进气道略有加速地进入工作轮,有加速地进入工作轮,并沿着工作轮上叶片所并沿着工作轮上叶片所构成的通道流动,由于构成的通道流动,由于工作轮中的空气随工作工作轮中的空气随工作轮一起旋转,工作轮的轮一起旋转,工作轮的机械能传递给气体,转机械能传递给气体,转变为气体的动能,使气变为气体的动能,使气体运动的线速度增大,体运动的线速度增大,使之能克服气
11、体微团所使之能克服气体微团所受径向压差的作用,而受径向压差的作用,而沿着螺旋线轨迹向轮缘沿着螺旋线轨迹向轮缘方向运动,达到了增压方向运动,达到了增压的目的。的目的。主要参数:主要参数:1)增压比)增压比 2)流经压气机的每秒质量流量)流经压气机的每秒质量流量或容积流量或容积流量3)压气机转速)压气机转速 4)压气机的绝热效率)压气机的绝热效率定义为定义为1kg 空气的绝热压缩功空气的绝热压缩功与实际压缩功与实际压缩功之比。之比。压气机特性曲线压气机特性曲线:图图313 离心式压气机的流量特性离心式压气机的流量特性()压气机的流量特性压气机的流量特性 压气机的流量特性是表示压气压气机的流量特性是
12、表示压气机转速机转速不变时,压气机的增压比和不变时,压气机的增压比和绝热效率随空气流量的变化关系。绝热效率随空气流量的变化关系。(1)压气机的喘振与堵塞压气机的喘振与堵塞 压气机的喘振压气机的喘振 当压气机工作在喘振线右侧当压气机工作在喘振线右侧时,其工作是稳定的;而当处于喘时,其工作是稳定的;而当处于喘振线左侧时,压气机的工作就变得振线左侧时,压气机的工作就变得不稳定甚至有危险了。不稳定甚至有危险了。压气机的堵塞压气机的堵塞 当增压比继续降低时,气体当增压比继续降低时,气体流量却不再增加,此时的气体流量流量却不再增加,此时的气体流量称为堵塞流量,它也是该转速下压称为堵塞流量,它也是该转速下压
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