發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)資料.ppt

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本章要求：了解：發(fā)動(dòng)機(jī)增壓方式。理解：渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理。,第三章發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓,增壓：為提高平均有效壓力以增加氣缸內(nèi)封存氣體密度的方法。（廣義上，凡是能夠?qū)?nèi)燃機(jī)進(jìn)氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法，都稱為增壓。）目的：通過(guò)增加充氣量，以提高功率，改善經(jīng)濟(jì)性和排放性提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的途徑：,第一節(jié)概述,改變結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加i、Vh(D、S)，減少τ，但體積和重量增加提高轉(zhuǎn)速。但充量系數(shù)和機(jī)械效率減少，機(jī)件壽命減少，噪音大提高平均有效壓力Pme。提高平均有效壓力Pme方法：減少過(guò)量空氣系數(shù)、提高充量系數(shù)、增加充氣密度（增壓）,增壓度φk：發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓后增長(zhǎng)的功率與增壓前功率之比φk范圍為10%~60%。大部分為20%~30%。增壓比?k：進(jìn)入氣缸的氣體壓力Pk與大氣壓力P0之比增壓的范圍:低增壓：?k＝1.3~1.6（內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力pme＝0.7～10MPa）中增壓：?k＝1.6~2.5（pme＝1.0～1.5MPa）高增壓：?k＞2.5（pme＞1.5MPa）；超高增壓：?k＞4.5~5.5（pme>2.5~3.5MPa）。,增壓中冷技術(shù),增壓空氣溫度增加，在柴油機(jī)中引起增壓條件下進(jìn)氣密度減小，即在保持不變過(guò)量空氣系數(shù)下，意味著功率下降，不然需要進(jìn)一步提高增壓壓力，但柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷又要增加。雖然氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度提高有利于柴油機(jī)的燃燒，但卻使燃燒室內(nèi)受熱零件的熱負(fù)荷增加，排溫過(guò)高，NOx增加。汽油機(jī)中增壓溫度升高，除與柴油機(jī)一樣功率下降外，最主要的是爆震傾向增加。一般，當(dāng)增壓空氣的壓力超過(guò)1.5MPa時(shí)，就值得采用中冷。解決空氣溫度過(guò)高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的空氣。增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢氣溫度約可降低20K，燃油消耗率可減少3g/kW.h。,內(nèi)燃機(jī)增壓的優(yōu)缺點(diǎn),改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能：提高了內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率；提高了內(nèi)燃機(jī)的指示熱效率；改善了燃燒過(guò)程。增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率；擴(kuò)大了內(nèi)燃機(jī)高原適應(yīng)性：有利于降低有害氣體排放和噪聲。(HC降低，高負(fù)荷的NOx降低，空氣充足使碳煙有所降低；溫度高使著火延遲期縮短）,增加了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷；增加了柴油機(jī)的熱負(fù)荷；增加了汽油機(jī)的爆燃傾向。,優(yōu)點(diǎn)：,缺點(diǎn)：,１、機(jī)械增壓,由曲軸經(jīng)過(guò)齒輪增速箱驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。機(jī)械增壓增壓壓力高，壓氣機(jī)消耗的功率大。為使內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率不要過(guò)分下降，增壓壓力Pk不能過(guò)高。Pk<160~170kPa主要用途：提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)矩,,機(jī)械增壓器的種類,機(jī)械增壓所用的壓氣機(jī)除離心式壓氣機(jī)外，在車用內(nèi)燃機(jī)上常用容積式壓氣機(jī)：羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式。,２、廢氣渦輪增壓,廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機(jī)排氣中能量來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓，油耗率可低5%～10%。質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸氣內(nèi)燃機(jī)明顯改善，一般可提高功率20%-50%，易實(shí)現(xiàn)高增壓?？山档团艢庠肼暫蜔煻?。,,廢氣渦輪增壓的分類,廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)和廢氣渦輪組成。壓氣機(jī)主要是離心式的。廢氣渦輪分：軸流式；徑流式；斜流式（混流式）。,由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。,3、復(fù)合增壓,,4、氣波增壓,氣波增壓是通過(guò)氣波增壓器利用氣體質(zhì)點(diǎn)和壓力波的反射特性，使排氣和進(jìn)氣之間進(jìn)行直接的能量交換，以增大進(jìn)氣密度。氣波增壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況反應(yīng)迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速時(shí)空氣的壓縮程度高，低速轉(zhuǎn)矩好。工作溫度低，不需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。,５、諧波增壓—ACIS,雙增壓器順序增壓,多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上使用兩臺(tái)增壓器。在低速時(shí)，使用一臺(tái)增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反應(yīng)性能。在中高速時(shí)，使用兩臺(tái)增壓器以保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出。,第二節(jié)增壓器,,徑流式渦輪的工作原理,燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的流動(dòng)：廢氣在進(jìn)氣渦殼的引導(dǎo)下均勻地進(jìn)入渦輪，并推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)壓力能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，低壓廢氣從渦輪中心軸向流出。噴嘴葉片環(huán)上均勻安裝帶有一定傾角的葉片組成多個(gè)漸縮通道，使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，便于高速氣流均勻而有序地進(jìn)入渦輪葉輪。,離心式壓縮機(jī)工作原理,主要參數(shù)：壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速增壓比?k=pk/p0質(zhì)量流量mk或容積流量V0壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nk每分鐘可達(dá)幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的絕熱效率,壓氣機(jī)特性曲線,壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，各特性與空氣流量間的關(guān)系,,壓氣機(jī)的喘振與堵塞壓氣機(jī)流量很小時(shí)，氣流會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，引起工作輪葉片強(qiáng)烈振動(dòng)，并產(chǎn)生很大的噪聲，壓氣機(jī)的出口壓力顯著下降，并伴隨很大的壓力波動(dòng)，此現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的喘振。當(dāng)壓氣機(jī)工作在喘振線右側(cè)時(shí)，其工作是穩(wěn)定的；而當(dāng)處于喘振線左側(cè)時(shí)，壓氣機(jī)的工作就變得不穩(wěn)定甚至有危險(xiǎn)了。隨著流量和轉(zhuǎn)速的增加，喘振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增壓比是向增大方向移動(dòng)的,在壓氣機(jī)的某一轉(zhuǎn)速下，通過(guò)壓氣機(jī)的氣體流量隨增壓比的降低而增加。當(dāng)流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機(jī)通道中的某個(gè)截面達(dá)到臨界條件。當(dāng)增壓比繼續(xù)降低時(shí)，氣體流量卻不再增加，此時(shí)的氣體流量稱為堵塞流量，也是該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)所對(duì)應(yīng)的最大流量。,,可變進(jìn)氣道增壓器,低速時(shí)使用一個(gè)進(jìn)氣通道；高速時(shí)，進(jìn)氣量大，使用兩個(gè)通道，可以改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡性能。,可變進(jìn)氣道增壓器性能,可變噴嘴環(huán)增壓器,低速時(shí)，噴嘴角度小，流通截面??；高速時(shí)噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達(dá)到壓氣機(jī)的需求。,各噴嘴環(huán)1通過(guò)軸銷2固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動(dòng)桿3與噴嘴控制盤(pán)4相連。轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴控制盤(pán)即可改變噴嘴環(huán)的角度。,通過(guò)調(diào)整渦殼5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來(lái)調(diào)整渦輪流通截面。,可變噴嘴環(huán)增壓器特性,左圖中①～④是噴嘴環(huán)角度以此減小的情況。隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下降，壓氣機(jī)的增壓壓力不但沒(méi)有下降，反而提升到高轉(zhuǎn)速水平，從而保證增壓內(nèi)燃機(jī)的低速性能?？烧{(diào)噴嘴環(huán)用于增壓器與內(nèi)燃機(jī)的高速匹配。通過(guò)可調(diào)噴嘴環(huán)改善低速性能。,可變渦輪喉口截面增壓器,1.壓氣機(jī)；2.可變喉口截面調(diào)整板；3.調(diào)整板及調(diào)整機(jī)構(gòu)；4.操縱機(jī)構(gòu)；5.操縱機(jī)構(gòu)控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面,低速,高速,可變渦輪喉口截面增壓器工作原理,可變渦輪喉口截面增壓器是再?gòu)U氣量不變的情況下改變進(jìn)入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進(jìn)入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時(shí)渦輪效率將有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內(nèi)燃機(jī)在低速小負(fù)荷時(shí)的需要。內(nèi)燃機(jī)在高速大負(fù)荷時(shí)，可以保證渦輪在高速范圍運(yùn)行，這時(shí)喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大?？勺兒砜诮孛婵刂瓢蹇梢杂呻姶砰y進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)整。,可變?nèi)~片增壓器,可變噴嘴環(huán)技術(shù)類似，通過(guò)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)（葉片角度）的變化，來(lái)調(diào)整增壓壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷的匹配關(guān)系。多個(gè)可變?nèi)~片，效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高、體積大。,三菱多閥VG增壓器,本田可變?nèi)~片增壓器,廢氣放氣增壓器,車用增壓內(nèi)燃機(jī)為獲得低速大轉(zhuǎn)矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內(nèi)燃機(jī)低速、小流量設(shè)計(jì)。轎車用增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的40%左右。公共汽車、重型車用的增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的60%左右。,高速時(shí)，將會(huì)使增壓壓力過(guò)高，增壓器超速，柴油機(jī)爆發(fā)壓力過(guò)大，汽油機(jī)容易引起爆震。為此，設(shè)計(jì)增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時(shí)將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。,廢氣放氣增壓器工作原理,廢氣門3與增壓器2的渦輪并聯(lián)地連接在內(nèi)燃機(jī)1的排氣管上。廢氣門的閥門固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機(jī)出口的增壓空氣相通。平時(shí)，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內(nèi)燃機(jī)排氣管來(lái)的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內(nèi)。一旦增壓壓力對(duì)膜片的作用超過(guò)彈簧的預(yù)緊力，廢氣門打開(kāi)，一部分廢氣不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回落，以實(shí)現(xiàn)空氣增壓壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。,進(jìn)氣回流增壓器,為避免由于負(fù)荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口裝上整體式的回流閥。當(dāng)進(jìn)氣管壓力低于某一值時(shí)，作用在回流閥上的進(jìn)氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機(jī)出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開(kāi)，壓氣機(jī)出口的空氣通過(guò)回流閥和回流通道進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口，以增加通過(guò)壓氣機(jī)的空氣量。,第三節(jié)汽油機(jī)增壓技術(shù),一、汽油機(jī)增壓的特點(diǎn)1、爆燃混合氣壓縮后的壓力、溫度增高，將促使爆燃的發(fā)生。2、混合氣的調(diào)節(jié)傳統(tǒng)化油器使用增壓技術(shù)后難以精確控制混合氣的濃度。3、熱負(fù)荷汽油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高。增壓后，汽油機(jī)的整體溫度水平提高，熱負(fù)荷問(wèn)題加重。4、對(duì)增壓器的特殊要求汽油機(jī)增壓比低、流量范圍廣、熱負(fù)荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速變化范圍大。要求增壓器體積小、耐高溫、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、工作范圍大，等。,,二、汽油機(jī)增壓技術(shù)措施1、降低壓縮比防止爆燃現(xiàn)象發(fā)生2、增壓壓力控制系統(tǒng)控制增壓壓力過(guò)大3、減小增壓后的“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象4、燃料供給系統(tǒng)的調(diào)整汽油泵汽油泵供油壓力隨增壓壓力變化點(diǎn)火提前角調(diào)整可變點(diǎn)火正時(shí),不只是渦輪增壓按進(jìn)氣方式的不同，可以分為：機(jī)械增壓、渦輪增壓、復(fù)合增壓和氣波增壓。,工作原理廢氣順著渦輪殼①?zèng)_擊在渦輪②上，經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道后，速度迅速提高并將渦輪提高到約20萬(wàn)轉(zhuǎn)／分，之后排入大氣。在另一端壓氣機(jī)殼③內(nèi)是同樣高速運(yùn)轉(zhuǎn)著的壓氣機(jī)輪④，它的轉(zhuǎn)速跟渦輪一樣。其作用是將高壓新鮮空氣供給發(fā)動(dòng)機(jī)。,小提示在高速行車后，不要突然熄火，因?yàn)榇藭r(shí)渦輪的溫度非常高。最好再怠速運(yùn)轉(zhuǎn)一兩分鐘，使增壓裝置有一個(gè)冷卻的過(guò)程。,增壓器的作用增壓主要是為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩。采用增壓技術(shù)后發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高30％-100％的功率，同時(shí)還能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。不過(guò)也使引擎和增壓器的工作溫度快速增加。由于工作環(huán)境惡劣，每個(gè)渦輪增壓器的壽命平均只有“十萬(wàn)公里”左右。,渦輪增壓--讓“你”更強(qiáng)壯,,,,,,,第四章燃料與燃燒,第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料一、汽油1、蒸發(fā)性汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量的10%、50%、90%、100%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)評(píng)定。2、氧化安定性汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生長(zhǎng)久性變化的能力。3、清凈性汽油中不穩(wěn)定的化合物在進(jìn)氣系統(tǒng)的器件上產(chǎn)生沉淀?？稍谄椭屑尤肫颓鍍魟员３诌M(jìn)氣系統(tǒng)的清潔。,,4、抗爆性及汽油規(guī)格抗爆性是指汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)抵抗爆燃的能力，用辛烷值表示。在規(guī)定條件下的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)燃料進(jìn)行比較來(lái)測(cè)定，采用和被測(cè)定燃料具有相同的抗爆性的正庚烷中的異辛烷的體積百分比來(lái)表示。我國(guó)無(wú)鉛車用汽油標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4-1,,二、柴油1、自燃性柴油的自燃性用十六烷值來(lái)評(píng)定。規(guī)定正十六烷自燃性最好(100)，α-甲基萘自燃性最差(0)。一般柴油的十六烷值為40～652、霧化和蒸發(fā)性餾程、運(yùn)動(dòng)粘度、密度、閃點(diǎn)等閃點(diǎn)：燃油在規(guī)定結(jié)構(gòu)的容器中加熱揮發(fā)出可燃?xì)怏w與液面附近的空氣混合，達(dá)到一定濃度時(shí)可被火星點(diǎn)燃時(shí)的燃油溫度。燃點(diǎn)：燃料在規(guī)定條件下加熱到開(kāi)始著火的溫度。3、硫含量4、安定性,,5、低溫流動(dòng)性柴油失去流動(dòng)性而開(kāi)始凝固的溫度為凝點(diǎn)。當(dāng)柴油接近凝點(diǎn)時(shí)，流動(dòng)性已很差，不但噴霧惡化，而且供油也很困難，柴油機(jī)無(wú)法工作。我國(guó)用于汽車的輕質(zhì)柴油按凝點(diǎn)分為10號(hào)、2號(hào)、-10號(hào)、-20號(hào)、-35號(hào)和-50號(hào)，其凝點(diǎn)分別不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃,,第二節(jié)代用燃料一、天然氣CNC天然氣的主要成分是甲烷，約為83%～99%。天然氣汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)下降，一般為液體燃料的90%左右。改燒天然氣時(shí)，點(diǎn)火正時(shí)需調(diào)整二、液化石油氣(LPC)液化石油氣的主要成分是丙烷和丁烷。三、醇類(甲醇或乙醇)四、生物質(zhì)五、氫氣,,第三節(jié)燃燒基本知識(shí)一、燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程由著火和燃燒兩個(gè)階段組成。著火階段是燃料燃燒的準(zhǔn)備階段，是燃料經(jīng)過(guò)霧化、蒸發(fā)、與空氣混合形成可燃混合氣等項(xiàng)物理準(zhǔn)備；和可燃混合氣形成后，在自燃以前發(fā)生的焰前氧化過(guò)程的化學(xué)準(zhǔn)備。燃燒階段是在燃料著火后，火焰迅速向周圍擴(kuò)大傳播，可燃混合氣內(nèi)進(jìn)行著劇烈的氧化反應(yīng)，并放出大量的熱(化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能)?；鹧?zhèn)鞑ニ俣然鹧媲颁h面向周圍擴(kuò)散的速度,,二、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式1、同時(shí)爆炸燃燒均勻混合氣在燃燒室內(nèi)的燃燒前后一瞬間，燃燒室內(nèi)只有一個(gè)相。燃燒前是正在進(jìn)行的焰前反應(yīng)的或燃混合氣相，燃燒后是燃燒產(chǎn)物相。2、預(yù)混合燃燒均勻混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，由火焰前鋒的推移，使燃燒傳播到整個(gè)燃燒室。燃燒時(shí)存在未燃混合氣相和燃燒產(chǎn)物相兩個(gè)相。3、擴(kuò)散燃燒固體或液體的燃燒現(xiàn)象。燃燒時(shí)同時(shí)存在可燃?xì)怏w相、空氣相和燃燒產(chǎn)物相三相。,