1、第四章 内燃机的换气过程,内燃机的换气过程是内燃机排出本循环已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量的进排气过程，指的是从排气门或排气口开启(对二冲程内燃机而言)至进气门或排气口关闭的整个阶段，亦即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程。 在内燃机的换气过程中，有时为了控制内燃机NOx的排放，有时还需要进行内燃机的排气再循环（分内部EGR和外部EGR）。 内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放。 内燃机的性能很大程度上依赖于换气过程的完善程度，为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力、提高充量系数和各缸均匀性的措施及方法。,主要内容,第一节
2、 四冲程内燃机的换气过程 第二节 四冲程内燃机的换气损失 第三节 提高内燃机充充量系数的措施 第四节 内燃机的增压 第五节 二冲程内燃机的换气,第一节 四冲程内燃机的换气过程,四冲程内燃机的换气过程,排气提前开启的必要性分析 排气过程分类：按照燃气对活塞的作用分为自由排气和强制排气；按照其它流动的性质分为超临界排气和亚临界排气； 自由排气、强制排气过程分析：排气门打开到BDC，缸内压力高于排气管压力，缸内气体哟便对活塞做功，一遍可以自由的排除缸外，称为自由排气阶段；活塞有BDC向TDC运动，活塞推动缸内气体，强制排除缸外，称为强制排气阶段，该过程需要消耗发动机的有效功。 超临界、亚临界排气过程
3、分析 排气门迟后关闭分析,一、排气过程,由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时打开，气门开启的最初阶段，升程小，流通面积小，废气排出流量小。如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。所以，内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，这一角度称为排气提前角，一般范围：排气提前角为3080(CA)。与发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般汽油机的排气提前角小、柴油机大些、增压柴油机的更大一些。,排气提前开启分析,在自由排气阶段的初期，由于排气门
4、刚刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值 ，流动呈现超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。此时,排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。 随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气缸压力之比超过临界值之后，气体流动逐渐进入亚临界状态；直到某一时刻气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质量，不仅与排气门的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内的压力差有关。 曲轴转角少数处于超临界，其余绝大多数曲轴转角处于亚临界。超临界排出气体量与转速无关，所以高转速时，超临界占曲轴转角增加，为
5、保证缸内压力及时下降，需要加大排气提前角。 超临界排气流速高，排出废气量可以达到60%以上，持续到BDC后10-30（CA） 。,超临界、亚临界排气过程分析,随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。因此，排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气，实现过后排气，但由于到达上止点后活塞已开始下行，气缸容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。
6、当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为1070(CA)，与发动机类型有关。,排气门迟后关闭分析,从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使得在进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜无量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为1040 (CA)。刚开始时，由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀，加上进气门开启还不充分，缸内的压力有一段短时间迅速降低，这为新鲜充量的顺利流人创造了条件。随着进气门流通截面积的加大，进入气缸的新鲜充量不断增加，加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气
7、所加热，气缸压力逐渐升高。到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能。,二 进气过程,另部分动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭。这样有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为2060(CA)。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。 尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影
8、响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。因此，合理的进气定时是十分重要的。（参见下图）,二 进气过程,进气迟闭角对发动机充量系数和有效功率的影响,气门叠开将导致：如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。一方面，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却是显著的。,三、气门叠开和燃烧室扫气过程,在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，通常将这一现象称为气门叠开，相
9、应的角度是气门叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。,配 气 相 位 图,对于点燃式内燃机而言，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火同时，由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，因此，这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近大气压力，因此可以允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠开角在2050(C
10、A)范围内。,内燃机的型式不同， 气门叠开角的大小也有所差异,对于增压柴油机而言： 1、增压柴油机进气管内的压力在气门叠开朗内总是高于排气管内的压力，因此总有一定数量的新鲜无量在正向压力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达到扫除燃烧室内残余气体的目的。 2、增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气冷却既有助于降低受热零件（如排气门）表面的温度提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温度。,内燃机的型式不同 气门叠开角的大小也有所差异,正因为燃烧室扫气有如此有利的作用，增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门叠开角，一般为80140(CA)；,3、对于机械增压柴油机，由于进、排
11、气压差大，且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般取较小值； 4、对于涡轮增压柴油机，由于进、排气压差小，叠开角可取较大的值。但是，过大的叠开角可能会排气门与活塞发生相撞，活塞上的气旧让坑相应地要加深，从而直接影响燃烧空气体运动的合理组织以及压缩比的大小。而且，过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。,内燃机的型式不同 气门叠开角的大小也有所差异,内燃机的理论循环不考虑换气过程造成的循环有用功的损失，而实际发动机换气过程存在因为排气门早开造成的膨胀损失、流动阻力造成的活塞强制排气的推出损失和吸气过程的损失，与理论循环相比，实际循环在换气过程中所产生的有用功损失统称为换气损
12、失。,第二节 四冲程内燃机的换气损失,一、排气损失,W：膨胀损失 X+u：推出损失 W+X+u：排气损失,对于增压内燃机而言，理论的换气过程(图42c)是经过压缩的新鲜充量以增压压力pb等压地流人气缸，而排气则以pT等压地排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且pbpT。这样，换气过程所获得的功(其值为正)为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中(图42d)，换气过程所获得的功却是图中的封闭曲线面积，小于理论循环值，两者之差就是换气损失，其大小可由图42d中的阴影面积来表示。 由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，因而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。,一、排气损失,定义:从排
13、气门提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或接近进气管压力之前,在此阶段所损失的功称为排气损失。构成:它又可以分为两部分，即膨胀损失和推出损失，在图42b和图42d上分别以面积w和x来表示，前者是有效膨胀功的减少，后者是把排气推出所消耗的功。影响因素: (1) 随着排气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减小，这可以从图43所示的一台增压内燃机的示例中可以清楚地看出。因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损大之和为最小。,一排气损失,除了排气提前角以外，发动机的转速对排气损失影响也较大(图43b)。一般而言，转速增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于推出损失的增加幅度，而两者之和在总
14、体上呈现增加的趋势。降低排气损失的主要方法:合理确定排气提前角，以有效地减少排气过程中的损失。,一排气损失,一、排气损失,选择排气提前角的原则：W+X+u=min,与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在进气过程所消耗的功上，更重要的是体现在进气过程中所吸人新鲜充量的多少上，因为前者对于内燃机的热效率乃至功率影响不大，而后者对内燃机性能有显著的影响。 如图42b和图42d所示，由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线pT(非增压机)或增压压力线p b(增压机)之下，两者之差围成的阴影部分面积可分别用y表示。将它与排气过程中的损失相比，其值明显相对较小(图44)。 合理调整
15、配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。,二进气损失,二进气损失,换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图42中面积W、y与x之和。从实际循环示功图的分析中可以发现，面积以及掺杂在面积x和y中的一小部分u(图中以交叉线表示)所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进去，故将换气损失中剩余的由面积x+y-u所表示的功损失，定义为泵气损失。 在非增压内燃机中，泵气损失是由pV图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，如以WP表示泵气损失，则有：式中，L p为示功图的比例系数。,3泵气功与泵气损失,泵气损失就应当是由增压压
16、力和涡轮排气压力所围成的矩形面积与实际换气过程所围成的封闭曲线面积之差，共计算式如下一般用平均泵气压力pb来表示泵气损失的大小，,3泵气功与泵气损失,一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另外，由于二冲程内燃机没有单独的进、排气活塞行程，所以泵气功为零。,3泵气功与泵气损失,一、四冲程内燃机的充量系数,第三节 提高内燃机充量系数的措施,衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充量系数，其定义为：内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量msh之比。这里所指的进气管状态，是指进人气缸前气体的热力学状态，
17、如温度与压力等。由于充量系数对于评价进气系统如此重要首先应导出充量系数的理论分析式，以便用来分析提高充量系数的各种措施。,第三节 提高内燃机充量系数的措施,理论上每循环吸入空气量(s为进气管状态)：,第三节 提高内燃机充量系数的措施,进气门关闭时，缸内状态为a，缸内气体总质量为：,从分析式不难看出，在发动机的结构参数(如压缩比c)确定的前提下充量系数的措施可以归结为以下几点：1)降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力pa2)降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r3)减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta4）合理选择配气定时和气门升程规律
18、，在减小mr的同时，增加m1，减小r,二、提高充量系数的措施,措施,1、降低进气系统的流动阻力 2、采用可变配气系统技术 3、合理利用进气谐振 4、降低排气系统的阻力 5、减小对进气充量的加热,进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类： 一类是沿程阻力，实际上是管道牵擦阻力，与管长和管内流动面上的表面质量有关； 另一类是局部阻力，它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的。,1、降低进气系统的流动阻力,在内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比较光滑、其沿程阻力并不大； 局部阻力则是流道中的主要损失，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处
19、，流动损失更为明显，降低局部阻力损失,对降低进气系统的流动阻力,提高充量系数有显著的意义。,降低进气系统的流动阻力的措施,1降低进气门处的流动损失 2采用可变进气系统技术,进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大该阻力除了与阻力系数有关外，还与该处的流动速度vs的平方成正比。即这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决。,过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫数Ma，并结合流量方程，可得(45) 式中，vs为进气门座处气流的平均速度；cs为进气门流通截面
20、处的气体声速；s为进气门在开启期间的平均流量系数，其求法是：以气门盘面积为参考面积，通过稳流吸风试验测得在不同曲轴转角(即个同升程)下的流量系数，求出其平均值,即可见，进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小型四冲程发动机，当Ma超过0.5后，充量系数急剧下降(图45)。这一结论，对于设计和评价气门机构是很有用的。,减小进气门流通截面处流动损失的具体措施,(1)加大进气门直径 (2)增加进气门数目 (3)合理设计进气道及气门的结构,由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流
21、速，从而降低局部流动阻力。在现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸径D的比值可达45%50%。面积比为0.20.25，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。,(1)加大进气门直径,增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进（进气门)、两排(排气门)即4气门的可能性；现在对于D=8090mm的柴油机，也认为采用4气门利大于弊。除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中冒对混合气形改极为有利。4气门柴油机对具有进气中
22、冷的高增压系统也非常合适对于汽油机来说其效果也是相当好的(表41)。,(2)增加进气门数目,采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的30%，几乎比2气门提高30%50%。表4l列出了采用双顶置凸轮轴(DOHC，Double Overhead Camshaft)4气门发动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术，发动机转速可达6000rmin或更高，平均有效压力达1.0MPa以上。最小的4气门发动机，其缸径仅为80mm。,显然，采用顶置凸轮轴4气门技术,可以便发动机的功率提高约15%30%，转矩增大约5%10%。经济性能也得
23、到改善。,对于D80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。若采用三进二排的气门结构，既能充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。图47是采用5气门(三个进气门，两个排气门)的发动机与4气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。对于排量较小(1.5L以下)的4缸小型轿车用汽油机来说，也有采用进、二排的3气门结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。,改善进气门座、进气道以及气门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数。一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发
24、生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动，以利于燃烧的进行。但这势必影响气门的流量系数，增大流动损失，,(3)合理设计进气道及气门的结构,从获得最大充量系数的角度出发，比较理想的配气系统应当要满足以下要求：1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜无量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。3）配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应调整，以实现最佳正时，将泵气损失降到最低。,2、采用可变配气系统技术,总之，理想的气门定时
25、应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有 一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调控，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。,完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前还仅仅处于研究阶段如(GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford汽车公司的液压气门驱动机构。由于制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间。,1、可变凸轮机构 可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小，如图48a所示。图4
26、8b是采用可变凸轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善。,(2)可变气门定时 相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一些：对于DOHC系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。根据实现机构的不向，这种改变又可以分成分级可变与连续可变两类，调节范围最高可达60(CA)。由于技术上相对成熟，很多高性能的汽油发动机均采用了这一技术。从图49可以看出采用VVT技术可以使得发功机的低速转矩性能得到大幅度的改善。某3L排量的6缸车用发动机上运用这一技术，
27、油耗最大降低了4.5%，HC及NO2排放下降幅度分别达到10%和4%。,措施,1、降低进气系统的流动阻力 2、采用可变配气系统技术 3、合理利用进气谐振 4、降低排气系统的阻力 5、减小对进气充量的加热,3、合理利用进气谐振,在进气过程中，活塞的下行运动可导致进气管内产生膨胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，然后产生正向压力波向气缸传播：在合适的条件下(如转速、出气管长度等)，这个正向压力波可以使得进气过程结束时，进气门处的压力高于正常的进气压力这样发动机就可以多进气，从而使充量系数得到提高，即是图中充量系数峰值所在。,进气管长度和直径对充量系数的影响,进气管长度增加或管径减小，充量系数峰值
28、项低速方向移动； 反之，向高速方向移动,为了追求最佳的充量系数值，可以采用可变进气系统，以充分利用进气谐振的效果，达到高速与低速性能的最优化。比较常见的可变进气系统是通过改变进气管长度或流通截面的方式来实现，如图413所示。在低速时控制阀保持关闭状态，气体从主气道流入发动机中；而高速时控制阀打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流通截面减小，相应提高了低速充量系数(图413b)。,进气谐振的利用,图4-11,进气谐振的利用,措施,1、降低进气系统的流动阻力 2、采用可变配气系统技术 3、合理利用进气谐振 4、降低排气系统的阻力 5、减小对进气充量的加热,认识现代轿
29、车排气消声系统基本结构,降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高指示效率。排气系统的设计目标是：降低排气背压，减小排气噪声。 与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其座面的良好结构。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀，从而降低气缸与排气管内的压力差，使得气缸内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵气损失的目的。,4、降低排气系统的流动阻力,与进气管一样，排气管也存在调谐现象，只不过所希望的调谐效果是使得排气门处压力降低，以利于排气。
30、为此，需要通过大量的理论计算以及试验，确定合理的排气管长度，对于高速二冲程内燃机，这一点尤其重要。 良好的歧管流型与结构也有助于降低整个流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以获得的低速转矩与充量系数值。 在排气管中往往还有消声器和排气后处理器（催化转化器），设计时应该保证足够的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力。,4、降低排气系统的流动阻力,措施,1、降低进气系统的流动阻力 2、采用可变配气系统技术 3、合理利用进气谐振 4、降低排气系统的阻力 5、减小对进气充量的加热,在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各
31、种高温表面所加热而温度升高。从而导致进气密度下降，充量系数减小，还可能促使发功机整体热负荷提高和不正常燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度。,5、减少对进气充量的加热,对于进气道喷射的汽油机以及柴油机，均采用进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。 对于高速内燃机，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。 增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一。,第四节 内燃机的增压,内燃机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧的燃料的限制，而燃料量又受到每个循环内气缸所能吸人空气量的限制。如果空气能在进入气缸前得到压
32、缩而使其密度增大、则同样的气缸工作容积可以容纳更多的新鲜充量，从而就可以多供给燃料，得到更大的输出功率。这就是增压的基本目的。 内燃机的增压问题，涉及到增压器本身、增压器与内燃机的匹配以及内燃机为适应增压需要而进行的必要调整等内容，,增压器的直观认识,增压器的直观认识,内容提要,一、内燃机增压技术概述 二、涡轮增压器的工作特性 三、排气涡轮增压系统简介 四、涡轮增压器与内燃机的匹配 五、汽油机的增压技术 六、机械增压,增压技术萌生于19世纪，在20世纪初期得到初步应用。随着材料科学及制造技术的进步，柴油机的涡轮增压技木在20世纪中叶开始走向大规模商业应用、并逐步推广到汽油机中。目前，大功率柴油
33、机的绝大部分、车用柴油机的半数以上以及相当比例的高性能汽油机，均采用了增压技术。 一般而言，增压后的功率可比原机提高40%60%甚至更多。发动机的平均有效压力可达到3MPa。事实上，增压已经成为发动机强化的一个十分重要而有效的技术手段。,一、内燃机增压技术概述,一、内燃机增压技术概述,增压器结构：传统的径流涡轮和轴流涡轮，为了改善涡轮效率和汽车加速性能，出现了轴向径向混流涡轮增压和可调喷嘴流通截面涡轮增压系统。 喷嘴叶片角度可变，调整喷嘴出口气体流速和方向，解决低速转矩小、加速相应差、部分负荷的经济性。,径流式,轴流式,可调喷嘴,一、内燃机增压技术概述,1、内燃机的增压方式 2、增压对内燃机动
34、力性和经济性的影响 3、发动机增压技术的优势和代价,1 、内燃机的增压方式,根据方式的不同，内燃机增压可以分成以下类型： (1)机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。 (2)排气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。 近年发展了电机驱动耦合涡轮增压：排气能量不足时，电机带动涡轮增压器工作；排气能量富裕时，涡轮带动发电机发电，避免增压器超速或增压压力过高,内燃机增压器的几种基本形式,机械增压,一级涡轮增压,二级涡轮增压,复合增压,一、内燃机增压技术概述,1、内燃机的增压方式 2、增压对内燃机动力性和经济性的
35、影响 3、发动机增压技术的优势和代价,内燃机的动力性指标(以有效功率Pe为代表)与经济性指标（以有效燃油消耗率be为代表）可以表示为,2、增压对经济性及动力性能的影响,4-10,4-11,假设增压后发动机转速n和过量空气系数a保持不变,增压后,换气过程形成正的泵气功， 指示热效率it增加,增压度增加， m增加,增压度增加， s增加,增压度增加， c增加,所以,一、内燃机增压技术概述,1、内燃机的增压方式 2、增压对内燃机动力性和经济性的影响 3、发动机增压技术的优势和代价,3、发动机增压技术的优势与代价,1) 输出功率可以以得到大幅度的提高，整机的比质量减小、升功率相应增大。降低内燃机单位功率
36、的造价，提高材料的利用率。,2) 排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀，排气噪声有所降低。,3) 有利于内燃机在高原稀薄空气条件下恢复功率，以达到或接近平原性能。,4) 压力升高比有所降低。燃烧柔和，燃烧噪声有所降低。,5)过量空气系数较大，HC、CO和烟度排放降低,6 )技术适用性广，从低速到高速、二冲程到四冲程、大缸径到小缸径,优势,代价,1)增压后缸内工作压力以及温度提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性受到严峻的考验。 2)低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到影响,对车用发动机十分不利。 3)由于在涡轮增压器中，从排气能量的传递到进气压力的建立需要实践，内燃机的加速响应
37、性能较非增压机型差。 4)增压发动机性能的进一步优化受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料、耐热性能、润滑、效率等方面，而中冷器则要求体积小、效率高、质量轻。,内容提要,一、内燃机增压技术概述 二、涡轮增压器的工作特性（简介） 三、排气涡轮增压系统简介 四、涡轮增压器与内燃机的匹配 五、汽油机的增压技术 六、机械增压,涡轮增压器由压气机和涡轮两大部分组成。根据排气在涡轮中流动方向的不同，排气涡轮增压器可以分为两大类，即径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。一般大型柴油机多采用轴流式，以满足大流量、高效率的要求；而车用发动机多采用径流式，以适应高转速及较高响应性能的要求。增压器的压气
38、机部分，一般都采用单级离心式结构。图415是一个径流式祸轮增压器的示意图。,二、涡轮增压器的工作特性,离心式压气机的功用是提高气体的压力，它主要由进气道、工作轮、扩压器和出气蜗壳等部件组成(图416)。首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作轮气流略有加速(图416b中的位置1)。然后，气流进人工作轮上叶片组成的气流通道。由于工作轮的转速很高(一般为每分钟几万转有时高达每分钟几十万转)，离心力的作用使得新鲜充量得到了很大的压缩，其压力、温度以及气流速度均有较大程度的增加(图中位置2)，这部分能量是由驱动工作轮的机械功转化而来，而机械功又是来源于与之间轴铀相连的涡轮。,然后，压力提高了的气体
39、沿y作轮径向流出，进人扩压器和出气蜗壳。由于两者均是截面逐渐增大的通道，气体所拥有动能的大部分会在其中转变为压力能、这样，压力得以进一步升高而气流速度则相应下降(图中位置3、4)：同时，出气蜗壳还兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的目的。 由此可见，新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能转换，并将涡轮机传给压气工作轮的机械能，尽可能多地转变为充量的压力能。,后续内容不介绍，自学或选修课程介绍,内容提要,一、内燃机增压技术概述 二、涡轮增压器的工作特性（简介） 三、排气涡轮增压系统简介 四、涡轮增压器与内燃机的匹配 五、汽油机的增压技术 六、机械增压,三、排气涡轮增压系统简介,燃料燃烧25%
40、的能量被排气带走，而其中可用能量约占排气总能量的60%。 排气涡轮增压器就是利用这部分能量实现对进气的加压，增加进气密度，提高内燃机的各项性能指标。 按照排气能量在涡轮中的利用方式，可分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压。,涡轮增压的两种基本形式,a)定压系统 b)脉冲系统,三、排气涡轮增压系统简介,（一）定压涡轮增压系统 （二）脉冲涡轮增压系统 （三）定压系统和脉冲系统的比较 （四）可变增压系统,（一）定压涡轮增压系统,定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内，然后再引入涡轮。尽管各缸是交替排气的，但由于排气管的稳压作用，涡轮人口处的压力基本不变，故称为定压增压系统。
41、 下面根据增压柴油机的理论示功图，来说明定压增压对内燃机排气能量的利用情况。,定压增压对内燃机排气能量的利用情况,3a为吸气行程，吸入空气压力为pb；aczzb为燃烧、膨胀和做功，b5为排气过程； 由于排气涡轮的存在排气背压即增压器前压力为pT。该压力对于定压增压系统而言是恒定的，显然 。 面积2-3-a-0系压缩进入内燃机气缸内的空气所需的能量，面积i-g-3-2则为压缩扫气空气所需的能量，故压气机消耗的总能量为上述两部分之和，由面积i-g-a-0表示。,定压增压对内燃机排气能量的利用情况,排气中涡轮的可用能量应为涡轮前压力线与大气压力线所围成的面积i-g-e-f，它由三部分组成：(1)面积
42、i-g-4-2是扫气空气提供的能量；(2)面积2-4-5-1为活塞强制推出排气所做的推出功，系发动机给予；(3)面积1-5-e-f是真正取自燃气的能量。,定压增压对内燃机排气能量的利用情况,燃气所具有的可用能为1-b-f，它是排气由排气门开启始点状态b等熵膨胀到大气压力f所能做的最大功。定压系统仅能从损失的能量5-b-e-5中回收一小部分热能，加热排气，从而使定压系统中排气的温度从e点提高至e点，因此排气在涡轮中将沿着e-f线膨胀，涡轮可用能量的面积将增加一项e-e-f-f，因此5-b-e-5中大部分能量不可避免地损失了。若采用高增压，使增压压力和涡轮前的压力提高，即提高排气总管内的压力，上述
43、损失将会降低，能量的利用率就会有所提高,定压增压对内燃机排气能量的利用情况,涡轮前排气的可用能量面积i-g-e-f与涡轮机效率的乘积才是涡轮机对压气机所给出的功，压气机所消耗的功是面积i-g-a-0除以压气机效率和整个增压器的机械效率。要在增压压力较低、而增压器的综合效率又不高时，实现涡轮与压气机之间的功率平衡就变得相当困难，其原因就在于面积5-b-e那块能量未能很好地利用。,定压涡轮增压的主要优缺点,主要优点是：涡轮在定压下全周进气，效率较高；气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气系统简单，成本较低，易于布置和维护。 主要缺点是：脉冲能量的利用率较低，试验表明，当增压压力较小时，定压增压
44、系统仅仅利用了排气能量的1215，高增压时可达30以上。此外，定压增压的内燃机的低速转矩特性和加速性能较差。,三、排气涡轮增压系统简介,（一）定压涡轮增压系统 （二）脉冲涡轮增压系统 （三）定压系统和脉冲系统的比较 （四）可变增压系统,(二)脉冲涡轮增压系统,脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损失能量(面积5-b-e)的利用率。这种方案的特点是排气管做得短而细，排气系统容积要尽可能小，使排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功，减少节流损失。此外，为减少各缸排气压力波的相互干扰，往往采用两根或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互隔开,(二)脉冲涡轮增压系统,发火顺序为1-5-3-6-2-4，1、
45、2、3缸共用一根排气管，4、5、6缸共用另一根排气管，例如当缸1开始排气后，排气管内的压力pT，能够迅速升高到接近缸内气体压力p1，因而减少了排气的节流损失，而在缸1排气过程中，同一排气管内其他气缸尚无排气门打开，与另一排气管中缸5排气也不产生排气压力波的相互干扰。随着排气流入涡轮，缸内和排气管内压力pT迅速下降，待到同一排气管内相邻发火间隔的气缸3开始排气时，缸1排气门已经关闭，缸3的排气压力波不会影响缸1的排气过程。随着缸3排气的进行，管内的压力PT，又迅速升高，而后又降低，于是形成了排气管内的压力周期性脉动。由于排气管内的压力周期性脉动，造成涡轮进口压力的周期性脉动，涡轮是在进口压力有较
46、大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压系统。,脉冲涡轮增压系统的优势,脉冲系统比定压系统能更好地利用内燃机的排气能量，且排气管容积越小越好，以至于近年来出现了一种将增压器与排气管作成一体的紧凑结构。 一般而言，当排气系统设计较好时，在定压系统所损失的可用能量5-b-e中，大约有4050可以在脉冲系统中得到利用，因此涡轮的可用能量大，可以建立的增压压力pb就高。 如果要求同样的增压压力pb，那么在脉冲系统中就可以放大涡轮喷嘴环的截面积，使排气管的排空更快，从而减小排气背压，改善内燃机的扫气性能。,三、排气涡轮增压系统简介,（一）定压涡轮增压系统 （二）脉冲涡轮增压系统 （三）定压系统和脉冲系
47、统的比较 （四）可变增压系统,（三）定压系统和脉冲系统的比较,排气能量利用 扫气作用 内燃机的加速性能 增压器的效率 增压系统的结构,1、排气能量利用,脉冲涡轮增压系统中，由于排气节流所造成的排气能量的损失比定压增压系统的小，同时还考虑了对排气脉冲能量的利用，而在定压涡轮增压系统中，脉冲能量由于排气管容积大而几乎损失殆尽，所以脉冲增压对排气能量的利用比定压增压要好。 但当增压比提高时，定压系统排气管内的压力也相应提高，排气能量的损失有所下降，且脉冲能量在排气能量中所占的比重也随增压比的增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近。 一般而言，当增压比小于2.5时，采用
48、脉冲增压系统对排气能量的利用比较好。,2扫气作用,在内燃机气门叠开扫气期间(图4-25a)，脉冲系统的排气管压力pT正处于波谷，因此即使在部分负荷工况下，仍能保持足够的扫气压力差pb-pT，以保证气缸有良好的扫气，达到提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。而在定压系统中由于排气管压力pT，波动小(图4-25b)，扫气压力差小(比较图4-25a、b的阴影部分面积)，不容易保证气缸内的扫气质量。,3内燃机的加速性能,在脉冲增压系统中，由于排气管容积较小，当内燃机负荷改变时，排气温度和压力的变化很快传递到涡轮机，并由涡轮直接反映到压气机，从而使增压器能较快响应发动机负荷的变化，所以采用脉冲
49、增压系统的内燃机加速性能好。 在内燃机转速降低时，脉冲增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。在排气管容积较大的定压系统中，涡轮机前的压力变化比较缓慢，特别是在低增压时，排气能量的利用率低，加速性能差。 定压系统的转矩特性也不如脉冲系统。,4增压器的效率,从排气涡轮的效率来看，脉冲系统的平均等熵效率比定压系统略低。 脉冲系统在内燃机开始排气时，排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加； 涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的，进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期性地改变，这使得气流的撞击损失增加； 脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，因此脉冲系统的热效率较低。 定压增压系统的涡轮前压力恒定，且涡轮喷嘴环全周进气，涡轮的效率较高。,5增压系统的结构,与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管的结构也比较复杂。 综上所述，内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统，高增压时两种系统均可采用。车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故较多采用脉冲增压系统。对于船用、发电等场合，由于变工况要求并不突出，对增压系统的空间安装位置也无严格限制，且增压度一般较高，故多采用定压增压系统。,
