第2章-涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构-2013

第二章废气涡轮增压技术第二章废气涡轮增压技术教材与参考书N.Watson,TurbochargingtheInternalCombustionEngine,1982,ggg,Baines,N.C.,FundamentalsofTurbochargers,ConceptsETI,Inc.,2005.朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》机械工业出版社1992朱大鑫编著,《涡轮增压与涡轮增压器》,机械工业出版社,1992陆家祥主编,《柴油机涡轮增压技术》,机械工业出版社，1999.9朱梅林主编，《内燃机增压》，华中科技大学出版社，2002朱梅林主编，《内燃机增压》，华中科技大学出版社，2002宋守信编著,《内燃机增压技术》,同济大学出版社,1993彭泽琰、刘刚,《航空燃气轮机原理(上)》,国防工业出版社,2000年霍尼韦尔(Honeywell)增压器博格华纳（BorgWarner）增压器博格华纳（BorgWarner）增压器富源增压器h//fb/h/id22增压的发展史增压的发展史第个为大家所知的涡轮增压器是由瑞士Bhi在1905年•第一个为大家所知的涡轮增压器是由瑞士Buchi在1905年到1912期间发明的，但是他的这项成果直到1925年在船用发动机应用后才被得到肯定；第次世界大战时增压技术开始在些飞机的火花点燃•第一次世界大战时，增压技术开始在一些飞机的火花点燃式发动机上使用；•第二次世界大战时，GE将增压器推广到战斗机上并广泛应用应用；•Holset(康明斯)的第一台增压器始于20世纪50年代，代(康明斯)第年代代表了涡轮增压器的产业化开始涡轮增压发展历史第一次世界大战后期，开始在飞机上进行尝试发展瑞士Buchi发明1905年第一台涡轮增压器1925年用于大型船舶飞机1930年用于机车1954年用于乘用车1970年大规模应用年用于机车1970年大规模应用柴油机绝大部分增压；增压汽油机越来越多涡轮增压器全球产量超过3000万台/年，涡轮时代到来了2010年全球发动机排名前5名中有4款是涡轮2010年全球发动机排名，前5名中有4款是涡轮增压发动机第一名：宝马3.0LDOHCL6Turbodiesel第二名：奥迪2.0LTFSITurbochargedDOHCL4第三名：丰田1.8LDOHCL4Hybrid第四名：斯巴鲁2.5LTurbochargeredDOHCH4Boxer第五名：大众2.0LTurbochargedDOHCL4Diesel讨论在涡轮时代到来之际如果你是车企总裁讨论：在涡轮时代到来之际，如果你是车企总裁，带“T”的轿车如何战略定位？为什么要增压为什么要增压??为什么要增压为什么要增压??增压的组织形式？增压的组织形式？增压的组织形式？增压的组织形式？增压的优缺点？增压的优缺点？增压的优缺点？增压的优缺点？国内外增压国内外增压发展水平及趋势发展水平及趋势？？内外增内外增发水势发水势2*2*****60nNeVsiPe*60*****vsimPeHuL*SPsRT*imLo*SRTs其中：η为充气系数；ρ空气密度；L理论空燃比147；ηv为充气系数；ρs空气密度；L0理论空燃比14.7；α过量空气系数；Hu是燃料的热值；是指示热效率为机械效率ηi是指示热效率；ηm为机械效率。提高内燃机功率的主要途径：（1）结构方面；（2）运行方面；（3）提高机械效率方面；（4）工作过程方面；（3）提高机械效率方面；（4）工作过程方面；上述诸因素之间的相互关联和制约。具体分析：)增加汽缸排量汽缸作容积或汽缸数1)增加汽缸排量，即汽缸工作容积Vs↑或汽缸数i↑。则→内燃机重量↑和尺寸↑；2)增加转速n，即提高活塞平均速度cm。则→运动件的惯性力↑和机械应力↑（惯性力∝转速2）而且活塞平均速度超过一定值时，→充气效率↓机械损失↑和机械磨损↑；3)增加平均有效压力Pe根据平均有效压力公式P*****vsimPeHuLo*SPsRTsLoRTs可行方法：采用增压的方法提高进气压力Ps，采用中间冷却的方法降低Ts，都较容易实行可大幅提高平均有效压力Pe都较容易实行，可大幅提高平均有效压力Pe。综合可知：综合可知：通过提高进气压力来提高平均有效压力是提高功率输出最有效方法。增压基本概念：增压基本概念：（1）增压压力；（2）增压比；（）增压度标定功率升功率平均有效压力（3）增压度；标定功率，升功率，平均有效压力（4）增压中冷；中冷度，空空中冷，水空中冷增中冷中冷度中冷水中冷（5）低增压：增压比小于1.7中增压：增压比1.8~2.5高增压增压比2635高增压：增压比2.6~3.5超高增压：增压比大于3.5发动机进气类型发动机进气类型自然吸气机械增压自然吸气机械增压涡轮增压气波增压气波增压惯性增压谐波增压复合增压复合增压NNaturallyAspirateaturallyAspirateddEngineEngineNNaturallyAspirateaturallyAspirateddEngineEngine自然吸气发动机自然吸气发动机AirExhaust空气废气output100kW输出功率100kWSuperchargeSuperchargeddEngineEngine机械增压发动机机械增压发动机机械增压发动机机械增压发动机50kWRequirescrankshaftpowertoDrive50kWCompressor压气机compressor压气机通过曲轴来驱动AirExhaust提高比功动HigherDensityairallowsmorefueltobeburnt=morepower!有效效率？提高比功burntmorepower!空气密度高，更多的燃料燃烧=更高的功率！250kW–50kW循环热效率？=200kWoutput输出功率200k输出功率200kw机械增压形式机械增压形式1）齿轮增速器2）传动带及电磁1）齿轮增速器驱动2）传动带及电磁离合器驱动电增压器增压器电磁离增压器离合器器齿轮增速器空气增速器电磁离合器带动的一般为罗茨式压气机，相当于齿轮泵。机械增压器压气机的驱动力来自引擎曲轴，一般利用齿轮或皮带连接到曲轴皮带轮间接将曲轴运转的扭力带动增轮或皮带连接到曲轴皮带轮，间接将曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的；机械增压，在低转速便可获得增压；机械增压，压气机的压力输出与曲轴转速成一定的比例，使得机械增压引擎的油门反应随着转速的提高动力输出随使得机械增压引擎的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压引擎的操作感觉与自然吸气发动机极为相似，在整个转速范围内都能拥有较大的马力与扭力。TurbochargeTurbochargeddEngineEngine废气涡轮增压发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压发动机Turbine涡轮涡轮回收利用发动机高温废气的Compressor压气机Air废气发动机高温废气的能量，这部分能量如不被利用就白白的浪费掉了空气的浪费掉了。提高比功有效效率？循环热效率？output250kW输出功率250kw循环热效率？输出功率250kw涡轮增压涡轮增压器涡轮增压涡轮增压器压气机涡轮机压气机•缸内排气驱动涡内排气驱动涡轮；涡轮带动与其同•涡轮带动与其同轴的压气机；排气进气管•压气机叶轮工作，压缩新鲜空气进气管缩气入气缸，形成增压。发动机涡轮增压器进气管排气管气波增压气波增压器气波增压气波增压器进气管•曲轴通过传动带驱动气波增压带驱动气波增压器转子；排气管•在气波增压器转子中，利用排转子中，利用排气压力波使新鲜空气受到压缩，传动带气波增压器转子空气受到压缩，以提高进气压力。传动带转子气波增压工作过程以某一个轴向气道进行说明：1轴向气道与高压燃气入口接通产生压缩1.轴向气道与高压燃气入口接通，产生压缩波。压缩波以声速沿气道传播,使进气压力和密度升高并向前流动。高高斜2.高压空气出口在高压燃气入口的斜对面,沿转动方向向前错开一角度。转子旋转，气道与高压空气出口接通，高压空气供入内燃机进气管。高压空气出接通，高压空气供入内燃机进气管3.随后，气道转过高压燃气入口，燃气停止流入气道。此时燃气恰好到达气道长度的2/3。4接着高压空气出口封闭转子旋转气4.接着，高压空气出口封闭，转子旋转，气道与低压燃气出口接通,燃气继续膨胀并排出,气道内的压力继续下降。由于惯性，排气后期气道内为负压内为负压。5.最后，气道与低压空气入口接通时，由于气道内处于负压，新鲜空气自大气被吸入气道。气内处于负压新鲜气自大气被吸气气波增压器提供的增压压力在整个内燃机转速范围内变化不大，气波增压器具有良好的速度和负荷响应特性比较适合于汽车发动机增压和负荷响应特性，比较适合于汽车发动机增压，压比可达2.5。但气波增压器噪声大,结构不如涡轮增压器紧凑，故应用较少。•惯性增压•惯性增压：VVTVVT•谐波增压：谐波增压：香蕉状进气管•在非压气机增压发动机中经常采用中经常采用。•设计准则：60*cA•设计准则：**nZLV复合增压机械增压与涡轮增压结合复合增压机械增压与涡轮增压结合涡轮增压与涡轮增压结合串联复合增压空气先涡轮增压，中冷器降温，再机械增压串联复合增压降温，再机械增压主要用于高增压发动机上由机械增压和涡轮增压同并联复合增压时供给增压空气低速主要靠机械增压而低速主要靠机械增压，而在高速主要靠涡轮增压动力轮轮机械传动动力涡轮—涡轮＋机械传动串联复合增压并联复合增压动力涡轮动力涡轮动力涡轮(机械传动式)曲轴与涡轮轴用齿轮联接()涡轮功小于压气功低速工况，加速工况涡轮功小于压气功曲轴给涡轮补充功率涡轮功等于压气功曲轴与涡轮脱离高速工况，大负荷工况涡轮功大于压气功高速况，大负荷况涡轮多余功率直接输出做涡轮多余功率直接输出做功动力涡轮VGT（变截面涡轮增压器）动力涡轮液力耦合器齿轮系VGT（变截面涡轮增压器）动力涡轮液力耦合器齿轮布局方案齿轮布局方案IIIIIIIV飞轮匣安装节上端面动力涡轮输出齿轮中心二级传动轴心飞轮匣安装节上端面V二级传动轴心可变中心位惰轮中心PTO用惰轮中心PTO用惰轮中心曲轴齿轮中心Z2Z1Z2Z3Z4Z5Z6IIIVIIIIIIVV无锡康明斯轴流式动力涡轮发动机增压类型-总结发动机增压类型总结机械增压与发动机容易匹配，结构紧机械增压与发动机容易匹配，结构紧凑，但燃油消耗高涡轮增压经济性好，排放少、但瞬态响应和低速加速性差应和低速加速性差气波增压低速转矩特性好，但体积大，噪声高复合增压可以兼顾高、低速转矩特性复合增压好，但体积大，结构复杂增的好处提高功率增压的好处-提高功率350增压发动机•向发动机供应更多200250300扭矩(n.m)增压发动机的空气，使其能燃烧更多的燃料。增压的好处100150200发动机的自然吸气发动机•燃烧的燃料越多，发动机才能产生越大0501001234567自然吸气发动机的动力。Ne=（n*Me）/95501234567发动机转速RPm（×1,000）Ne=（n*Me）/9550增压的好处尺寸和重量1L涡轮增压柴油机17L自然增压的好处--尺寸和重量1.7L自然吸气柴油机6升V8=自然吸气220HP(165kw)2.5升4缸增压220HP(165kw)1.65L增压2.82L自然吸气汽油机呢？650Lbs(295kg)汽油机呢？原因呢(295kg)Vs250Lbs(114kg)=原因呢？3.78L自然吸气1.65L增压中冷1L的增压中冷柴油机2.3L自然吸气柴油机是否中冷？？？坦克是“尺寸减少”的直接受益者坦克的发展趋势是高功率密度，即同样大小的发动机能发出更强劲的动力高增压技术提供更多的空气进行燃烧，从而提高功率增压的好处排放功率BS