发动机增压技术应用研究.docx

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发动机增压技术应用研究

发动机增压技术应用研究

摘要

本文主要研究发动机增压技术的应用现状、工作原理、技术特点及发展前景。

阐述了发动机增压技术的作用和目的以及增压方式分类。

阐述了发动机的废气涡轮增压技术的研究意义及发展现状。

介绍了废气涡轮增压系统中各组成部件的作用及工作原理;介绍了增压器的结构和工作原理。

提出了目前汽油机增压的难点、可能遇到的问题和针对这些问题应采取的措施。

论述了发动机涡轮增压技术发展趋势及前景。

关键词：

发动机增压技术增压，发展现状，工作原理，汽油机，发展趋势

Abstract

Thispaperstudiestheapplicationstatusoftheengineturbochargertechnology,workingprinciples,technicalcharacteristicsanddevelopmentprospects.

Describestheroleoftechnologyandthesuperchargedengineandthesuperchargerwayclassificationpurposes.

Describestheengineexhaustturbochargertechnologyresearchanddevelopmentstatusofsignificance.

    Turbochargedsystemintroducedintheroleofthevariouscomponentpartsandprinciple;describesthestructureandturbochargerwork.

    Presenteddifficultiesinthecurrentgasolineengineturbocharger,thelikelyproblemsandtheseproblemsshouldbetaken.

Turbochargedenginearediscussedandfuturetechnologytrends.

Keywords:

Superchargedenginesuperchargertechnology,Developmentstatus,Workingprinciple,Gasoline,trends

前言

随着现代科学技术的高速发展，对于发动机的功率要求也越来越高，因此就需要不断提高发动机的动力性。

提高发动机升功率的最有效措施是提高发动机进气管中的冲量密度，即采用增压技术。

增压按其定义是在增压器中压缩进入发动机进气管前的冲量，增加进气管中冲量的密度，使得进入汽缸的实际进气量比自然吸气发动机的近气量多，来达到增加发动机功率的目的。

增压器所需能量来源的不同，一般可分为机械驱动式增压和废气涡轮增压两类。

机械增压将使内燃机的机械效率降低，废气涡轮增压是最有效的增压方式。

1905年，苏尔寿兄弟研发公司的总工程师阿尔佛雷德•J•波西博士在瑞士温特图尔首次提出了涡轮增压的概念，并于当年的11月16日，被德国专利局授予了第204630号专利“内燃机辅助增压器技术”，这标志着涡轮增压技术正式诞生。

波西也被公认为涡轮增压技术的创始人。

1912年，世界上第一台废气驱动的增压器正式问世，1961年，小轿车开始尝试性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。

经过百年的不断发展，涡轮增压技术已经日趋成熟和完善。

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。

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。

径流式涡轮增压器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。

车用汽油机的速度和功率范围宽广，工况变化频繁，扭矩储备要大，这些在采用废气涡轮增压后，不采取特殊措施，会限制它的推广。

汽油机的过量空气系数比较小，所以工作温度比柴油机高，增压后尤为突出。

而且汽油机空燃比由于工作循环的性质决定，仍需限制在较浓的狭窄范围内，又不能用较大的气门重叠角使较多的扫气空气来降低燃烧室零件和排气的温度。

对增压汽油机来说，进入汽缸的混合气，因受压气机压缩的影响，其温度一般要比非增压高。

又由于增压汽油机的热负荷高，燃烧室和气缸的壁面温度较高，对新鲜充量的热辐射和热传导都将增加，这也会导致焰前反应的增加，促使正常燃烧速度增加，但对未燃混合气的压爆作用也增强。

随着新材料、新技术、新理念的出现，发动机增压技术正朝着高效率，精减系统的零部件，简化在机器上的安装，延长大修间隔期，减少维修工作量及维修工时，保证在整个寿命周期更低的运行成本的趋势不断发展。

本课题针对发动机废气涡轮增压技术，阐述其工作原理，介绍了废气涡轮增压的增压器和发动机的匹配过程，探讨了涡轮增压技术特点、优势，分析了增压技术的发展趋势。

1发动机增压概论

1.1发动机增压的作用和目的

随着科学技术不断发展和进步，现代社会对各种动力装置的动力性能要求越来越高。

对汽车的动力要求更加迫切，因此就需要不断提高汽车发动机的强化程度。

评价发动机强化程度的主要动力指标是升功率，升功率可用下式表示:

=

/

（1-1）

式中:

-平均有效压力

-发动机冲程系数

-发动机标定转速，r/min.

在一定的冲程系数

时，升功率可有两种方式提高：

提高平均有效压力或提高标定转速

。

提高转速

时升功率提高的幅度不大，因为其受到燃烧恶化、容积和机械效率的急剧降低、使用可靠性下降、发动机振动和噪声加大以及工作寿命缩短等原因的限制。

一般中型高速柴油机的转速不超过3000r/min，相应的活塞平均速度为12-13m/s。

汽油机的转速一般也不超过6000r/min。

提高升功率的第二个途径是提高平均有效压力

，提高

时发动机机械负荷及热负荷不成比例增加，因此允许

作大幅度提高，甚至可成倍增长。

=

（1-2）

式中

-燃料低热值

-过量空气系数

-燃烧lkg燃料所需理论空气量

-发动机指示效率

-发动机机械效率

-发动机的充气效率

-气缸中的充气密度

式中，

及

是常数，而对于非增压四冲程柴油机。

三个效率的提高是有限的，于是非增压柴油机的强化主要是靠减小

来实现的，但是过分减小

会导致发动机热应力提高，燃烧过程恶化，冷却系带走的热量增加，还会使发动机的指示效率下降。

所谓增压，就是借助于装在发动机上的专用增压装置，预先压缩进入气缸的空气，以提高进入气缸中的充气密度。

增压的作用是在气缸容积一定的情况下，充气密度越大，新鲜空气的绝对量越大，就可以喷入较多的燃料进行燃烧，发动机就能发出更大的功率。

增压后发动机功率的增长程度常以增压度表示，

（1-3）

式中

-增压后的充气密度

-增压前的充气密度

由公式可以看出，增压度的大小取决于充气密度的提高程度，而

，故充气密度的提高，除了提高进气压力以外，还可以降低进气温度。

于是为了增强增压效果，特别是在高增压情况下需要采用进气冷却措施，中冷除了可以提高充气密度以外还可以相应降低排气温度，对降低发动机热负荷也是有利的。

关于增压程度的划分目前尚无统一的规定，但通常以增压压力划分。

一般划分的范围为:

低增压

<0.18MPa（

=0.8-1.OMPa）

中增压

=0.18-0.25MPa（

=0.9-1.5MPa）

高增压

=0.25-0.35MPa（

=1.4-2.2MPa）

超高增压

>0.35MPa（

>2.OMPa）

1.2发动机增压方式

发动机增压按其增压方式可分为四类:

（1）用专门增压装置的增压，包括惯性增压、动力增压、谐波增压等;

（2）机械增压:

通过发动机直接驱动压气机，以提高进气压力的增压方式。

（3）发动机废气能量驱动增压器，分废气涡轮增压和气波增压两种;

（4）复合增压，同时采用机械式和废气涡轮式两种形式的增压。

1.2.1机械增压

机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动或经同步齿形带及电磁离合器驱动。

早期较多采用离心式压气机，近年来发展了各种转子式、叶片式增压器。

一般不超过0.17MPa，否则压气机功率消耗过大，使整机的机械效率下降，导致燃油消耗率

增加。

采用机械增压时，涡轮增压远远高于排气背压，所以机械增压发动机的加速性优于涡轮增压发动机，而且发动机的泵气损失小。

在增压器发展历程中，早期多采用机械增压，后来被涡轮增压取代。

近来由于汽油机的转速范围越来越宽，涡轮增压器与其匹配存在一定的困难，再加上小轿车对加速性的要求也越来越高。

涡轮增压器己经难以胜任，于是又重新启用机械增压。

而且目前小功率汽油机转速高达4000-6000r/min，新发展的机械增压器转速也只有10000r/min左右，只需传动比为2左右的皮带传动即可。

同时小功率发动机的增压度不高，

0.17MPa，这正是机械增压器的适用范围。

机械增压的特点是能有效地提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增压效果更好。

另外，机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。

但是，由于驱动增压器需要消耗发动机的功率。

1.2.2涡轮增压

废气涡轮增压是将发动机排出的部分能量转化为机械能，从而带动同轴的压气机叶轮旋转，压气机将压缩后的空气充入气缸实现增压。

优点:

（1）发动机重量和体积增加很少情况下，发动机不需作重大改变很容易提高功率20%-50%。

由于不像机械增压时增压比受到限制，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%。

（2）由于废气能量的收回发动机经济性会明显的提高，一般由于废气能量的回收能提高经济性3%-4%，再加上相对地减少了机械损失及散热损失，提高了发动机机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后油耗率降低5%-10%。

（3）涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较高的适应力，在高原地区工作时比非增压发动机功率下降要少的多，故涡轮增压除了用来提高发动机功率，外还可用作高原发动机恢复功率。

（4）涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少，故对减少污染是有利的。

缺点:

（1）至今为止涡轮增压发动机的加速性以接近非增压或机械增压发动机，但仍有差异。

（2）与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。

（3）对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发动机不宜采用涡轮增压。

2发动机增压技术应用现状及特点

2.1增压技术的发展状况

目前普遍使用的增压器转速范围为60000--120000r/min，最高的转速如三菱重工生产的TD-02涡轮增压器转速以达260000r/min，最高压比可达3-3.5，个别的如法国小型涡轮公司生产的TCS14型增压器增压比接近5，它用于低压缩比的超高增压发动机。

在成批量生产的涡轮增压器中，已公开发表的最小叶轮直径为34mm最小的质量仅为2kg，它可用于排量为150mL的7.4Kw小型发动机的增压，叶轮140mm以下的增压器，压气机最高效率可达

=0.78-0.80,增压器总效率可达

=0.55-0.60。

增压发动机在高速四冲程柴油机领域内平均有效压力最高可达

=3.14MPa，最低油耗率在绝热发动机上可达163g/（kW

h），在车用发动机上实际达到的较好水平是

=1.37-1.76MPa，

=197-210g/（kW

h）

。

2.2涡轮增压研究现状

经过80多年的不断发展，特别是20世纪90年代以来，由于CAD/CAM，电控、材料和制造技术等科学技术的迅速发展，许多相关学科领域的成果被大景用于增压技术领域，从而出现多种增压方式。

针对不同的车用发动机，使用不同的增压方式才能达到最佳的匹配。

由于废气涡轮增压器结构简单，而目前对提升发动机性能效果很好，当1台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多;或者说1台小排量的发动机经增压后，可以产生较排量发动机相同的功率;试验证明由于涡轮增压发动机的燃烧比较完全，排烟浓度降低，废气中CO和HC含量明显减少，NO

含量也大为改观，对减少汽车排气污染有利。

此外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声比较小;而且在高原地区也可以恢复功率减少油耗。

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1.8T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6.5：

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3.3升涡轮增压发动机问世，它取代了3.0升的涡轮增压发动机。

这款3.3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50-60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Wastegate。

Wastegate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1.4ba的增压压力，在3000-4500转产生1.6bar的增压压力，在4500rpm以上产生1.8bar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

   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90002.3turob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2.3turbo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。

2.3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1.65L排量的增压发动机的功率等于一台3.78L排量的非增压发动机的功率

。

（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

。

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3-1）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

。

图3-1径流涡轮增压器结构图

Fig.3-1Structuraldiagramofradialflowturbocharger

3.1离心式压气机的工作原理

3.1.1空气在压气机中的流动

离心式压气机主要由进气道1、工作轮2、扩压器3和出气涡轮壳4组成。

（如图3-2）空气沿收敛的轴向进气道流入时，气流略有加速

。

图3-2离心式压气机简图

Fig.3-2Simplifieddiagramofcentrifugalcompressor

图3-3空气在工作轮中流动的速度三角形

Fig.3-3Velocitytriangleofairintherunningwheel

图3-4扩压器原理图

Fig.3-4Schematicdiagramofdiffuser

在工作轮入口处，气流的绝对速度是

，由于工作轮绕轴旋转，所以气流将沿相对速度

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

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3-3）,该方向也就是空气流入扩压器时的入口方向

。

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3-4）。

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，可以获得较大的扩压比，减少了气