发动机增压技术应用研究毕业论文

发动机增压技术应用研究毕业论文内容摘要：

由于装在汽油机上爆震倾向大大增强，而且汽油机的转速和功率范围宽，系统比较复杂，所以目前应用较少，只有少数高级轿车安装，但是随着技术的不断提高，应用会越来越广。 装在柴油机上不存在什么大难题所以普及很广，在重型柴油机上已经达到了 100%，而且目前已向小型柴油机迅速发展。 涡轮增压是目前全世界汽车厂商运用 最为广泛的发动机增压技术。 国内非常常见的国产的奥迪、帕萨特、宝来的 发动机就是采用的这种技术。 这种技术的优势很明显，它可以利用发动机排出废气产生的能量，来大幅度提高发动机的动力输出。 最早的汽油涡轮增压发动机运用在量产车型是在 60 年代。 当时，这个车有一个让人很难容忍的缺点，那就是在低转速的时候动力非常差，甚至还比不上一台同等排量的自然吸气式发动机，这种强烈的涡轮迟滞使得这台发动机的动力输出很不流畅。 （ 1） 涡轮迟滞是涡轮增压发动机面临的最大难题。 尽管涡轮增压能给发动机带来 6 更强的动力输出，但是作为 一台民用汽车，流畅的动力输出也是非常重要的。 早期的涡轮增压器，其涡轮迟滞非常严重，发动机要保持在 3500 转以上才能获得充沛的动力，在低转速时发动机动力输出非常弱。 除此之外，涡轮增压发动机的压缩比还得降低到： 1 以下，来避免气缸过热。 即便采用了这些保护发动机的设计，当时的涡轮增压发动机仍然比自然吸气式发动机的可靠性差。 涡轮迟滞会给普通民用车的日常行驶带来很大麻烦：在低转速时，涡轮增压器没有介入，同时废气仍然要驱动涡轮旋转，排气没有自然吸气发动机顺畅，此时的发动机扭力输出比同等排量的自然吸气式发动 机还要弱。 随着发动机的转速升高，例如突破 3500 转以后，涡轮增压器突然介入，这个时候的产生的动力将陡增。 这种动力的突然 “陡增 ”不但损害了动力输出的平顺性，让开车和坐车的人感觉很不舒服，同时还会使车辆难以控制，因为这个时候产生的扭力的增加是非常大而且非常突然的，在路面湿滑的情况下甚至会出现车轮打滑，对于驾驶员的操作是很大的考验。 1978 年保时捷 911 的 升涡轮增压发动机问世，它取代了 升的涡轮增压发动机。 这款 升的发动机在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器，它能减小发动机 5060 度的进气温 度。 由于冷空气的密度大，所以在相同条件下，这种设计可以提高发动机的进气密度，因此发动机工作效率更高。 于此同时，由于进气温度的降低，缓解了气缸过热的问题，因此可以适当的提高发动机压缩比，改善低转速时的动力输出。 到了 80 年代，涡轮增压的公路性能进一步被改进。 随着 材料 和工艺的进步，涡轮的重量被设计的越来越轻，运动惯性惯性也就越来越小。 这些改进显著提高了涡轮增压器的响应性，改善了涡轮迟滞。 制造涡轮的材料主要分为不锈钢和陶瓷两种（其中陶瓷的性能更高）。 （ 2） 早期的涡轮增压发动机是纯 机械 的将空气压缩和送入燃烧室。 其增 压值随着发动机的转速改变而成比例改变（因为涡轮的转速取决于排气的流速，因此与发动机的转速相关）。 这样在高转速的时候，发动机的进气压力非常高，如果进气压力过高，发动机就很容易产生暴燃，这种暴燃是对发动机有损害的。 要解决这个办法，就需要在进气压力过大的时候，有一个卸压的装置，这种这装置被称作 Waste gate。 Waste gate是一个安装在进气管上的阀门，一旦压力超过临界值，此阀门打开，可以释放出多余的高压气体，确保发动机不受损害。 （ 3） 在进气管上安装卸压阀门，是 80 年的增压控制获得的一个伟大进步，它大大 提高了涡轮增压发动机的可靠性。 早期的卸压阀是纯机械的，控制不是很精确。 之后出现了电子控制的卸压系统，通过它可以自动或手动调节涡轮增压器的工作压力。 例如：它能设置让发动机在 3000 转以下产生 的增压压力，在 30004500 转产生 的增压压力，在 4500rpm以上产生 的增压压力。 在这套系统的帮助下，发动机可以获得更加线性的动力输出。 这些电控卸压阀的开闭都是通过 ECU 来直接控制的。 （ 4） 双涡轮增压 7 对于 2500cc 以上的大排量发动机来说，通常会采用两个较小的涡轮增压器 取代一个较大的涡轮增压器。 小直径的涡轮增压器拥有更轻的重量和更小的惯性，因此能有效的减小涡轮迟滞。 V 型发动机和水平对置发动机更适合使用这种涡轮增压，每一个增压器可以通过一列气缸的排气驱动。 与单涡轮增压器相比，双涡轮增压有效减小了进气管的数量，减小了增压器的体积，更重要的是它减小了涡轮迟滞。 双涡轮增压器可以分为两种。 一种是并联式的双涡轮，它拥有两个小直径的涡轮增压器，涡轮高低转速，两个涡轮都是同时运转的。 这种涡轮增压器通过小而轻的涡轮，可以改善发动机的响应性。 另一种是串联式双涡轮增压，它由两个不同 尺寸的涡轮构成，低转速时只采用小尺寸的涡轮，高转速时才启动大尺寸的涡轮（此时是两个涡轮同时工作），这种设计的好处是让发动机的输出更线性。 （ 5） 低值增压器（ LPT） 低值增压是近些年来发展的一种新的发动机增压技术。 萨博是涡轮增压技术的先行者，它是第一个大规模生产采用涡轮增压发动机汽车的厂家。 1992 年，萨博推出了萨博 发动机，其发动机拥有 270 匹马力，它比同排量自然吸气发动机要增加 20 匹马力。 因为使用了低增压值的小型涡轮，这款 靠涡轮增压仅获得了不超过 30 匹的 额外功率输出。 这种设计减小了涡轮迟滞，提高了汽车的可操纵性，发动机响应更迅速，更直接。 事实证明，此款发动机拥有更好的扭力特性曲线，从而在实际应用当中，比相同功率的自然吸气发动机拥有更好的燃油经济性。 近 20 年，随着涡轮增压技术的普及、深入，有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。 可以说，正是由于各种排放、噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿，车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。 废气涡轮增压已经成为车用发动机广泛采用的主要增压方式。 涡轮增压技术特点 总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下 5 点特征： （ 1）小型化 在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大改变，即很容易提高功率 20%50%。 由于不像机械增压时压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。 高增压时，功率提高甚至可大于 100%。 因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下，大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及车辆的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。 （ 2）节能 涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的 压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进 8 气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油率也可降低5%10%。 因此，可以用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能和节油的目的。 如一台 1. 65 L 排量的增压发动机的功率等于一台3. 78 L 排量的非增压发动机的功率 [6]。 （ 3）环保 涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机有害气体和 CO 的排放量。 但增压对汽油机和柴油机排 放的影响是有区别的。 对汽油机来说，由于过量空气系数接近于 1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。 而柴油机的过量空气系数本来就远远超过 1，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。 若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，碳烟和 CO 的排放会大幅度减少，加之燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈， HC 化合物的排放也会降低，但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度升高，会使平均有效的NO、排放量增加。 由于增压柴油机能提高燃油经济性，因此有时可放弃部分燃油经济性的好处来 换取全面降低排放，同时也提高了充量温度，缩短了滞燃期，降低了燃烧噪声。 这可使重型柴油机排放的 NO 降低 80%，微粒减少 90%，比油耗改善 16%。 （ 4）高原功率补偿 在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。 为了更好地组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。 （ 5）涡轮增压器与发动机多种匹配方式 为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求，人们研究出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。 有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换系统和带电机的涡轮增压器。 此外，还有超高增压系统扫气旁通系统及谐振复合增压系统等，这些在中、小功率车用柴油机上应用不多 [7]。 9 3 废气涡轮增压的原理 涡轮增压器根据废气在涡轮机内不同的流通方向，可分为径流式涡轮与轴流式涡轮两大类。 大中型柴油机多采用轴流式涡轮增压器，而对于车用内燃机则采用径流式涡轮增压器。 (图 31)为径流式涡轮增压器的结构图，它是由离心式 压气机和径流式涡轮机这两个主要部分，以及支承装置、密封装置、冷却系统、润滑系统所组成 [2]。 图 31 径流涡轮增压器结构图 diagram of radial flow turbocharger 离心 式压气机的工作原理 空气在压气机中的流动 离心式压气机主要由进气道 工作轮 扩压器 3 和出气涡轮壳 4 组成。 (如图32)空气沿收敛的轴向进气道流入时，气流略有加速 [8]。 图 32 离心式压气机简图 Simplified diagram of centrifugal pressor 10 图 33 空气在工作轮中流动的速度三角形 Velocity triangle of air in the running wheel 图 34 扩压器原理图 Schematic diagram of diffuser 在工作轮入口处，气流的绝对速度是 1c ，由于工作轮绕轴旋转，所以气流将沿相对速度 1 的方向流入工作轮叶片所形成的流道。 为了减少流动损失，需要将叶片前沿部分顺空 气流入的方向弯曲成某一角度，使与气流人口角 1 基本一致。 当空气进入工作轮上叶片组成的流道后，受离心力压缩被甩向工作轮外缘，空气从回转的工作轮上获得了能量，使压力、温度、特别是气流速度均有较大增长。 在工作轮出口处气流的方向由出口速度三角形决定 (如图 33),该方向也就是空气流入扩压器时的入口方向 2c。 扩压器为截面逐渐增大的流道，空气流经扩压器时，它所具有的动能，大部分在这里转变为压力能，气流的速度降低 ，而压力温度升高。 扩压器通常由无叶扩压器与叶片扩压器组成 (如图 34)。 无叶扩压器实际上是两侧壁形成的环形空间，高速气流在此环形空间中沿对数螺线运动，气流速度与圆周切线之间的夹角总是不变。 它的流动轨迹较长，扩压比较缓慢。 为此在无叶扩压器外侧设置叶片扩压器，这时空气的流动轨迹是由叶片所限制的。 叶片的存在迫使空气不能沿对数螺线自然运动，而使其沿着此角向增大的方向偏移，因而在相同的直径下，可以 11 获得较大的扩压比，减少了气流运动的轨迹长度和摩擦损失，提高了扩压器效率。 蜗壳的作用为收集从扩压器流出的 空气，并继续进行空气动能向压力能转变的过程，并将这部分空气输向柴油机进气管。 总之，空气流经压气机的这些流道时，完成一系列功能转换，二将涡轮机传给压气机工作轮的大部分机械功能转变为空气的压力能 [2]。 压气机的绝热效率 压气机的绝热效率是衡量压气机性能的基本指标。 实际压气机工作过程完善的程度，经常是以它与理想压气机相比较来平定。 即压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压缩功与在实际。