【正文】 ...................................................................................................... 22 致謝 ............................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 23 1 前 言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求也越來越高，因此就需要不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。 提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的最有效措施是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中的沖量密度，即采用增壓技術(shù)。增壓按其定義是在增壓器中壓縮進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管前的沖量，增加進(jìn)氣管中沖量的密度，使得進(jìn)入汽缸的實(shí)際進(jìn)氣量比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的近氣量多，來達(dá)到增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的。增壓器所需能量來源的不同，一般可分 為機(jī)械驅(qū)動(dòng)式增壓和廢氣渦輪增壓兩類。機(jī)械增壓將使內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率降低，廢氣渦輪增壓是最有效的增壓方式。 1905 年，蘇爾壽兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾佛雷德 ?J?波西博士在瑞士溫特圖爾首次提出了渦輪增壓的概念，并于當(dāng)年的 11月 16日，被德國專利局授予了第 204630號(hào)專利 “ 內(nèi)燃機(jī)輔助增壓器技術(shù) ” ，這標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)正式誕生。波西也被公認(rèn)為渦輪增壓技術(shù)的創(chuàng)始人。 1912 年，世界上第一臺(tái)廢氣驅(qū)動(dòng)的增壓器正式問世 ， 1961年，小轎車開始嘗試性地安裝增壓器，但因?yàn)樗查g產(chǎn)生的巨大壓力和熱量，使安裝后效果并不 理想。經(jīng)過百 年的不斷發(fā)展，渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)日趨成熟和完善。 隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入，有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)。 渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機(jī)內(nèi)不同的流通方向，可分為徑流式渦輪與軸流式渦輪兩大類。大中型柴油機(jī)多采用軸流式渦輪增壓器，而對(duì)于車用內(nèi)燃機(jī)則采用徑流式渦輪增壓器。徑流式渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)這兩個(gè)主要部分，以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)所組成。 車用汽油機(jī)的速度和功率范圍寬廣，工況變化頻繁，扭矩儲(chǔ)備要大，這些在采用廢氣渦輪增壓后，不采取特殊措施， 會(huì)限制它的推廣。汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)比較小，所以工作溫度比柴油機(jī)高，增壓后尤為突出。而且汽油機(jī)空燃比由于工作循環(huán)的性質(zhì)決定，仍需限制在較濃的狹窄范圍內(nèi)，又不能用較大的氣門重疊角使較多的掃氣空氣來降低燃燒室零件和排氣的溫度。對(duì)增壓汽油機(jī)來說，進(jìn)入汽缸的混合氣，因受壓氣機(jī)壓縮的影響，其溫度一般要比非增壓高。又由于增壓汽油機(jī)的熱負(fù)荷高，燃燒室和氣缸的壁面溫度較高，對(duì)新鮮充量的熱輻射和熱傳導(dǎo)都將增加，這也會(huì)導(dǎo)致焰前反應(yīng)的增加，促使正常燃燒速度增加，但對(duì)未燃混合氣的壓爆作用也增強(qiáng)。 隨著新材料、新技術(shù)、新理念的出現(xiàn)， 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)正朝著高效率，精減系統(tǒng)的零部件，簡化在機(jī)器上的安裝，延長大修間隔期，減少維修工作量及維修工時(shí)，保證在整個(gè)壽命周期更低的運(yùn)行成本的趨勢(shì)不斷發(fā)展。 本課題針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)，闡述其工作原理，介紹了廢氣渦輪增壓的增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配過程，探討了渦輪增壓技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)，分析了增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 2 1 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓概論 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的作用和目的 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)各種動(dòng)力裝置的動(dòng)力性能要求越來越高。對(duì)汽車的動(dòng)力要求更加迫切，因此就需要不斷提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度。評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng) 化程度的主要?jiǎng)恿χ笜?biāo)是升功率，升功率可用下式表示 : lN = eP n /? （ 11） 式中 : eP 平均有效壓力 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù) n 發(fā)動(dòng) 機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速， r/min. 在一定的沖程系數(shù) ? 時(shí)，升功率可有兩種方式提高：提高平均有效壓力或提高標(biāo)定轉(zhuǎn)速 n 。提高轉(zhuǎn)速 n 時(shí)升功率提高的幅度不大，因?yàn)槠涫艿饺紵龕夯⑷莘e和機(jī)械效率的急劇降低、使用可靠性下降、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲加大以及工作壽命縮短等原因的限制。 [1] 一般中型高速柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過 3000r/min， 相應(yīng)的活塞平均速度為1213m/s。汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般也不超過 6000r/min。提高升功率的第二個(gè)途徑是提高平均有效壓力 eP ，提高 eP 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷不成比例增加，因此允許 eP 作大幅度提高，甚至可成倍增長。 eP = u i m v soHL ?? ? ?? （ 12） 式中 uH 燃料低熱值 ?過量空氣系數(shù) oL 燃燒 lkg 燃料所需理論空氣量 i? 發(fā)動(dòng)機(jī)指示效率 m? 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率 v? 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率 s? 氣缸中的充氣密度 式中， uH 及 oL 是常數(shù)，而對(duì)于非增壓四沖程柴油機(jī)。三個(gè)效率的提高是有限的，于是非增壓柴油機(jī)的強(qiáng)化主要是靠減小 ? 來實(shí)現(xiàn)的，但是過分減小 ? 會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱應(yīng)力提高，燃燒過程惡化，冷卻系帶走的熱量增加，還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的指示效率下降。 所謂增壓，就是借助于裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的專用增壓裝置，預(yù)先壓縮進(jìn)入氣缸的空氣，以提高進(jìn)入氣缸中的充氣密度。 [1] 增壓的作用是在氣缸容積一定的情況下，充氣密度越大，新鮮空氣的絕對(duì)量越大，就可以噴入較多的燃料進(jìn)行燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)就能發(fā)出更 3 大的功率。增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增長程度常以增壓度表示， e e seo eo oNP ?? ?? ? ? （ 13） 式中 s? 增壓后的充氣密度 o? 增壓前的充氣密度 由公式可以看出，增壓度的大小取決于充氣密度的提高程度，而 ss sPRT? ?，故充氣密度的提高，除了提高進(jìn)氣壓力以外，還可以降低進(jìn)氣溫度。于是為了增強(qiáng)增壓效果，特別是在高增壓情況下需要采用進(jìn)氣冷卻措施，中冷除了可以提高充氣密度以外還可以相應(yīng)降低排氣溫度，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷也是有利的。關(guān)于增壓程度的劃分目前尚無統(tǒng)一的規(guī)定 ，但通常以增壓壓力劃分。一般劃分的范圍為 : 低增壓 sP 0. 18MPa ( eP =0. ) 中增壓 sP =0. 180. 25MPa ( eP =0. 91. 5MPa) 高增壓 sP =0. 250. 35MPa ( eP =1. 42. 2MPa) 超高增壓 sP 0. 35MPa ( eP ) 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓方式 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓按其增壓方式可分為四類 : （ 1） 用專門增壓裝置的增壓，包括慣性增壓、動(dòng)力增壓、諧波增壓等 。 （ 2） 機(jī)械增壓 :通過發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，以提高進(jìn)氣壓力的增壓方式。 （ 3） 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量驅(qū)動(dòng)增壓器，分廢氣渦輪增壓和氣波增壓兩種 。 （ 4） 復(fù)合增壓，同時(shí) 采用機(jī)械式和廢氣渦輪式兩種形式的增壓。 機(jī)械增壓 機(jī)械增壓器由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸經(jīng)齒輪增速器驅(qū)動(dòng)或經(jīng)同步齒形帶及電磁離合器驅(qū)動(dòng)。早期較多采用離心式壓氣機(jī)，近年來發(fā)展了各種轉(zhuǎn)子式、葉片式增壓器。 sP 一般不超過 0. 17MPa，否則壓氣機(jī)功率消耗過大，使整機(jī)的機(jī)械效率下降，導(dǎo)致燃油消耗率 eg增加。采用機(jī)械增壓時(shí)，渦輪增壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于排氣背壓，所以機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性優(yōu)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失小。在增 壓器發(fā)展歷程中，早期多采用機(jī)械增壓，后來被渦輪增壓取代。近來由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍越來越寬，渦輪增壓器與其匹配存在一定的困難，再加上小轎車對(duì)加速性的要求也越來越高。渦輪增壓器己經(jīng)難以勝任，于是又重新啟用機(jī)械增壓。而且目前小功率汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)40006000r/min，新發(fā)展的機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)速也只有 10000r/min 左右，只需傳動(dòng)比為 2 4 左右的皮帶傳動(dòng)即可。同時(shí)小功率發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓度不高， sP ? ，這 正是機(jī)械增壓器的適用范圍。機(jī)械增壓的特點(diǎn)是能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，與渦輪增壓相比，其低速增壓效果更好。另外，機(jī)械增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)容易匹配，結(jié)構(gòu)也比較緊湊。但是，由于驅(qū)動(dòng)增壓器需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。 渦輪增壓 廢氣渦輪增壓是將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的部分能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)將壓縮后的空氣充入氣缸實(shí)現(xiàn)增壓。 優(yōu)點(diǎn) : （ 1）發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積增加很少情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需作重大改變很容易提高功率20%50%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)增壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢(shì)越來越明顯。高增壓時(shí)功率提 高甚至可大于 100%。 （ 2）由于廢氣能量的收回發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯的提高，一般由于廢氣能量的回收能提高經(jīng)濟(jì)性 3%4%，再加上相對(duì)地減少了機(jī)械損失及散熱損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后油耗率降低 5%10%。 （ 3）渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度的變化有較高的適應(yīng)力，在高原地區(qū)工作時(shí)比非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降要少的多，故渦輪增壓除了用來提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，外還可用作高原發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)功率。 （ 4）渦輪增壓后排氣噪聲相對(duì)減少，排氣煙度及排氣中有害成分也減少，故對(duì)減少污染是有利的。 缺點(diǎn) : （ 1）至今為止渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性以接近非增壓或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍有差異。 （ 2）與機(jī)械增壓相比，渦輪增壓時(shí)熱負(fù)荷問題較嚴(yán)重。 （ 3）對(duì)大氣溫度及排氣背壓比較敏感，故經(jīng)常在高背壓下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)不宜采用渦輪增壓。 5 2 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn) 增壓技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 目前普遍使用的增壓器轉(zhuǎn)速范圍為 60000120200r/min，最高的轉(zhuǎn)速如三菱重工生產(chǎn)的 TD02 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以達(dá) 260000r/min，最高壓比可達(dá) ，個(gè)別的如法國小型渦輪公 司生產(chǎn)的 TCS14 型增壓器增壓比接近 5，它用于低壓縮比的超高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在成批量生產(chǎn)的渦輪增壓器中，已公開發(fā)表的最小葉輪直徑為 34mm最小的質(zhì)量僅為 2kg，它可用于排量為 150mL 的 7. 4Kw 小型發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓，葉輪 140mm 以下的增壓器，壓氣機(jī)最高效率可達(dá) c? = , 增壓器總效率可達(dá) c? = 。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高速四沖程柴油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)平均有效壓力最高可達(dá) eP = ，最低油耗率在絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上可達(dá) 163g/(kW? h)，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)際達(dá)到的較好水平 是eP =， eg =197210g /(kW? h) [1] 。 渦輪增壓研究現(xiàn)狀 經(jīng)過 80 多年的不 斷發(fā)展，特別是 20 世紀(jì) 90 年代以來，由于 CAD/CAM，電控、材料和制造技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的成果被大景用于增壓技術(shù)領(lǐng)域，從而出現(xiàn)多種增壓方式。針對(duì)不同的車用發(fā)動(dòng)機(jī)，使用不同的增壓方式才能達(dá)到最佳的匹配。由于廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡單，而目前對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能效果很好，當(dāng) 1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比，可增加大約 40%甚至更多 ?；蛘哒f 1 臺(tái)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)增壓后，可以產(chǎn)生較排量發(fā)動(dòng)機(jī)相同的功率 。試驗(yàn)證明由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒比較完全，排煙濃度降低，廢氣中 CO 和HC 含量明顯減少， NOx 含量也大為改觀，對(duì)減少汽車排氣污染有利。此外，由于燃燒壓力升高率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作柔和，噪聲比較小 。而且在高原地區(qū)也可以恢復(fù)功率減少油耗。