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第八章车用发动机的废气涡轮增压
§8-1 概述
一提高发动机单机功率的方法
根据:
[kW]
1 改变发动机结构参数:缸数i,缸径D,冲程S,冲程数t。
2 提高转速n及活塞平均运行速度。
3 提高平均有效压力。
增压®­®­®­。
其中:为充量密度。
二增压的优点和主要技术困难
(一)增压的优点
1 减少气缸数目和气缸直径,减小比重量,提高升功率。采用四气门机构,可大幅度减小比重量,提高升功率。
2 降低制造成本。
3 增大热效率,提高燃料经济性。
4 补偿高原地区的功率损失。
5 减少排气污染物和噪声。
(二)主要技术困难
1 增压使发动机的机械负荷和热负荷增加。
2 小型涡轮增压器的效率偏低。
3 增压器对发动机的扭矩特性和变工况运行的适应性较差。
三增压系统的分类
根据驱动增压器的能源不同,分为三类。
K —压气机,T —废气涡轮机。
(一)机械增压系统
用于小功率发动机,由发动机曲轴直接驱动, [MPa]。
但­®消耗有效功率­,若消耗的有效功率>10%®¯¯,­­。
(二)废气涡轮增压系统
1 广泛应用于柴油机。最大, [kW]。
2 缺点:
(1)由于增压器在前,则必须应用汽油喷射系统或压力式化油器。
(2)通常化油器不能感受由于增压压力变化而引起的空气密度的变化。因此,不能保证提供具有合适混合比的混合气。
(3)由于节气门关闭时限制了增压器排气,容易导致增压器喘振。
3 缺点:
(1)化油器与发动机之间隔了一个增压器。因此,化油器对发动机工况变化反应不敏感。
(2)混合气运行长,燃料易在增压器中沉积。
(三)复合增压系统
复合增压系统®­­®­­®­­。
四特性参数
(一)增压比
由公式:
[kW]
因为:
所以:
代入式,得:
而平均有效压力
代入式,得未增压时发动机功率的分析式:
增压后,空气密度由未增压时的大气密度变为增压后的密度:
代入式,得到增压后的发动机功率分析式:
增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。
增压前:;
增压后:。
假定多变指数n = 2,则时,才。压力增长很多而密度增大不多。这主要是因为增压后温度会升高的缘故,若增压后温度不变,则r与p成线性关系。

则:
若在整个增压过程中,下降或保持为某一常数,则:

此时:与成正比。
增压比:;
低增压:, [kPa]
中增压:, [kPa]
高增压:。[kPa]
通常,为了不使过高,在增压器与发动机之间设置一个中冷器,对增压后的空气进行冷却,称为中间冷却。由图中可见,有中冷比无中冷时的增加很多。
在的高增压时,必须有中冷装置,否则,太高,影响增压效果,使¯¯,并导致零件热负荷过高。但在的中、低增加时,没有必要设置中冷装置。
(二)增压度j
为了说明发动机在采用增压后使功率提高的程度,引用增压度的概念:
发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比。
四冲程增压柴油机,高的增压度已达j = 以上。
车用:j = 10~60%,普遍j = 20~30%。
限制增压度提高的主要原因是机械负荷的问题。
j­®­­®零件机械负荷­®寿命¯。
增压比­®增压度j­。
§8-2 废气涡轮增压器的工作原理
涡轮增压器的分类:
径流式涡轮:废气沿径向流入涡轮机。
用于车用发动机,主要用于车用柴油机,部分能够承受950℃高温的径流式涡轮增压器可用于汽油机。
轴流式涡轮:废气沿轴向流入涡轮机。
用于大、中型柴油机。
由于本章讲述车用发动机的废气涡轮增压,因此将仅讨论径流式涡轮增压器的工作原理和特性。
径流式涡轮增压器组成部件:离心式压气机和径流式涡轮机。具有冷却系统和润滑系统。
一径流式涡轮增压器的参数范围
1 流量:~ [kg/s];
2 最高增压比:;
3 压气机叶轮直径:34~300 [mm];
4 最高转速:260000 [r/min];
5 质量:~ [kg];
6 配机功率:6~220 [kW];
7 配机机型:排量250 ml 以上的摩托车、微型轿车到重型载重汽车。
二离心式压气机的工作原理
(一)空气在压气机中的流动
如图所示,空气沿轴向流入压气机,沿径向流出压气机。
1 –进气道 2 –工作轮 3 –扩压器 4 –出气涡壳
空气在工作轮中流动的速度三角形如图所示。其中:为气流流入工作轮入口的绝对速度,为工作轮A-A截面处的旋转圆周速度,为气流流入工作轮叶片的相对速度。叶片前缘弯曲某一角度,使其与气流入口角基本一致;为工作轮外缘出口处的旋转圆周速度,为气流受离心力作用流出工作轮叶片的相对速度,为气流流入扩压入口的绝