第一章增壓技術

1、葉輪機械與增壓技術,許俊峰,1,2,2,2,教材與參考書,朱大鑫 編著, 《渦輪增壓與渦輪增壓器》, 機械工業(yè)出版社, 1992陸家祥 主編, 《柴油機渦輪增壓技術 》, 機械工業(yè)出版社，1999.9,教材：《車輛發(fā)動機廢氣渦輪增壓》,霍尼韋爾(Honeywell)增壓器http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/博格華納（BorgWarner）增壓器http://www.turbo

2、driven.com/,參考書：,3,課程主要內容提綱：一、緒論（國內外內燃機增壓技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢）二、離心式壓氣機原理及設計三、徑流式渦輪原理及設計,4,課程主要內容提綱：四、排氣能量的利用五、發(fā)動機與廢氣渦輪增壓器匹配六、渦輪增壓系統(tǒng),5,第一章 渦輪增壓技術概述,渦輪增壓技術,6,什么是發(fā)動機增壓,增壓 charge,boost,supercharge, turbocharge機械增壓

3、 supercharge渦輪增壓 turbocharge,7,Nl:kW/L; Hu:低熱值; α:過量空氣系數(shù); lo:1kg燃料完全燃燒所需理論空氣量kg/kg；τ:沖程; ηi :指示熱效率; ηv :容積效率; ηm:機械效率; ρs :進氣管中充量密度,,,提高進氣充量密度，可以通過提高進氣壓力和降低溫度實現(xiàn),把提高內燃機進氣密度（量）的辦法稱為增壓增壓的實質是增大充量密度,為什么增壓,常數(shù),<1.0,8,增壓術語,

4、壓氣機出口壓力稱為增壓壓力，一般用pb表示。它與壓氣機結構、尺寸、轉速及效率等因素有關。通常 pb ≤0.17 Mpa 低增壓0.17 Mpa＜pb ≤0.25 Mpa 中增壓0.25 Mpa＜pb ≤0.35 Mpa 高增壓pb ＞0.35 Mpa 超高增壓,1)增壓壓力2)壓比,壓氣機出口壓力pb與進口壓力pa之比，稱為增壓比，一般用πb表示。即：

5、 πb = pb/pa 用滯止壓力表示的壓比，稱為滯止壓比，用πb*表示，即： πb* = pb * /pa *,9,增壓的基本方式,按工作的原理分：容積式、離心式按驅動方式分：機械增壓和廢氣渦輪增壓,增壓,容積式,離心式,機械增壓,廢氣渦輪增壓,羅茨增壓,氣波增壓,復合增壓,單級增壓,,,,,,,,,,,多級增壓,,,,10,增壓的基本方式,羅茨容積

6、式,11,增壓的基本方式,羅茨容積式,特點：匹配簡單可靠。對往復活塞式內燃機，各工況增壓效果基本相同，與發(fā)動機工況無關沖擊和噪聲大，增壓壓力低密封困難；運動件多，可靠性差,12,增壓的基本方式,氣波增壓,,13,增壓的基本方式,離心式,特點：轉速高增壓壓力高體積小,14,增壓的基本方式,由發(fā)動機經傳動系驅動，稱為機械增壓,特點：經傳動系驅動，安裝受限降低機械效率ηm,15,增壓的基本方式,由廢氣經渦輪機驅動，稱為廢氣渦輪

7、增壓,16,增壓的基本方式,由廢氣經渦輪機驅動，稱為廢氣渦輪增壓,17,增壓的基本方式,兩級增壓系統(tǒng)組成,,18,機械復合增壓技術,低速時使用機械增壓高速時使用渦輪增壓完美結合了機械增壓和渦輪增壓的優(yōu)點，但是結構復雜,增壓的基本方式,,19,渦輪增壓的優(yōu)點（1）,6升V8發(fā)動機自然吸氣220馬力,2.5升L4發(fā)動機渦輪增壓220馬力,295公斤 114公斤,20,渦輪增壓器的自我補償能力，渦輪增壓發(fā)

8、動機的高原性能要遠遠優(yōu)于自然吸氣發(fā)動機。功率下降幅度小，油耗低,渦輪增壓的優(yōu)點（2）,21,采用渦輪增壓后由于機械效率的提高，發(fā)動機燃油經濟性大幅改善。在同等功率下，渦輪增壓發(fā)動機的噪聲小，這主要是因為發(fā)動機體積小，發(fā)射噪聲的表面積小，同時渦輪也有消聲的作用。,渦輪增壓的優(yōu)點（3）,22,渦輪增壓的優(yōu)點（4）,對于柴油機來說，采用渦輪增壓可使燃燒更為充分，CO、HC及PM的排放降低，采用增壓中冷可降低NOX排放。采用渦輪增壓可通

9、過采用不同的增壓度及增壓中冷等措施使同一發(fā)動機形成不同的功率系列，這樣使得發(fā)動機公司更容易滿足不同客戶的要求。,23,渦輪增壓的應用（1）,國際上幾乎所有柴油機都使用渦輪增壓技術，一方面追求高的升功率，另一方面追求良好的經濟性，同時越來越嚴格的排放法規(guī)也使渦輪增壓技術成為必需。中國目前幾乎所有重型柴油機都使用渦輪增技術，小型農用柴油機從成本的角度考慮一般不使用。,24,渦輪增壓的應用（2）,重型車幾乎都采用渦輪增壓柴油機。,25,渦

10、輪增壓的應用（3）,全球最省油的車，大眾3L Lupo TDI。繞地球一圈實測油耗百公里2.7升。發(fā)動機為1.2升3缸柴油機，功率為45KW。采用技術：渦輪增壓直接噴射,26,渦輪增壓的應用（4）,汽油機上渦輪增壓不如柴油機那么普遍，主要是受汽油機熱負荷的限制，但是近年來隨著汽油機電控技術的發(fā)展也有很多應用，如國內常見的大眾1.4T，PASSAT 1.8T， Audi A6 2.0T。在天然氣發(fā)動機上應用增壓技術，可使天然氣發(fā)動機功

11、率下降的問題得到解決。公交大巴采用的康明斯天然氣發(fā)動機就是增壓中冷,27,渦輪增壓的基本原理(1),渦輪增壓器由壓氣機、渦輪和中間體組成,—渦輪增壓器長什么樣(1),28,渦輪增壓的基本原理(1),有的增壓器還帶有放氣閥,—渦輪增壓器長什么樣(2),29,可變幾何渦輪增壓,渦輪增壓的基本原理(1),有的增壓器還帶有可變幾何噴嘴機構,—渦輪增壓器長什么樣c,30,渦輪增壓的基本原理(2),壓氣機進口接空濾，出口接進氣總管。渦輪串接在排氣

12、管上,—增壓器裝在哪a,31,渦輪增壓的基本原理(2),在一12缸柴油機計算模型中，增壓器所處的位置。,—增壓器裝在哪b,32,渦輪增壓的基本原理(3),氣體在發(fā)動機---增壓器系統(tǒng)中的流動過程。,—增壓器怎么工作a,33,渦輪增壓的基本原理(3),渦輪增壓器的內部流動過程。,—增壓器怎么工作b,34,認識渦輪增壓的基本結構(1),—組成要素,能量源,,增壓泵,,性能增強,,35,認識渦輪增壓的基本結構(2),壓氣機：壓縮空氣，提高密度

13、渦輪：提供壓氣機所需的能力中間體：支撐、潤滑、密封,,36,認識渦輪增壓的基本結構(3),,帶放氣閥的渦輪增壓器,37,認識渦輪增壓的基本結構(4),帶水冷套的渦輪增壓器，一般用于天然氣發(fā)動機或汽油機。,38,帶水冷的中間體，用于汽油機增壓,認識渦輪增壓的基本結構(5),39,認識渦輪增壓的基本結構(6),40,認識渦輪增壓的基本結構(7),采用浮動軸承是其結構上的重要特點之一浮動軸承的主要特點是：軸承內外都有一定的間隙，當軸旋轉

14、時，通過潤滑油的摩擦力作用帶動浮動軸承旋轉，其旋轉速度較軸要慢些。浮動軸承在兩層油膜中可自動定心，同時兩層油膜可以較好地吸收轉子部件的振動。有兩對液體摩擦副，軸和軸承的相對滑動速度較小，機械摩擦損失和發(fā)熱量大大減小。國外有廠商現(xiàn)在開始發(fā)展不轉的浮動軸承，滾動軸承以及空氣軸承等。,41,認識渦輪增壓的基本結構(8),采用密封環(huán)是其結構上的重要特點之一。其結構是將數(shù)個活塞環(huán)形的開口彈性環(huán)，分別安裝在渦輪端和壓氣機端的密封環(huán)支撐環(huán)槽內，

15、密封環(huán)依靠彈力漲緊在密封支撐的外體上。密封環(huán)支撐隨轉子軸旋轉時，密封環(huán)并不轉動。渦輪端和壓氣機端采用密封環(huán)的數(shù)目一般為一個或兩個。,42,認識渦輪增壓的基本結構(9),增壓器是高速旋轉機械，轉速從幾萬轉到二十幾萬轉都有，所以對軸系的平衡要求非常高。良好的動平衡是保證增壓器可靠工作及耐久性的先決條件。,43,,,,熱力循環(huán)：燃氣輪機與內燃機的聯(lián)合循環(huán)能量品質：能量的梯級利用渦輪增壓技術是航空技術在汽車領域的應用,,渦輪增壓基本原理,

16、44,,,,提高功率縮小排量節(jié)能滿足排放高原（高空）功率恢復……,渦輪增壓的作用,渦輪增壓技術是實現(xiàn)內燃機節(jié)能、減排的關鍵技術,,,45,,,,渦輪增壓發(fā)展歷史,1905年第一臺渦輪增壓器,1925年用于大型船舶 飛機,1930年用于機車,1954年用于乘用車1970年大規(guī)模應用,柴油機絕大部分增壓；增壓汽油機越來越多渦輪增壓器全球產量超過3000萬臺/年，渦輪時代到來了,46,2005年Ward全球十佳發(fā)動機名單:奧迪

17、：3.2升FSI雙頂凸輪軸V6發(fā)動機（奧迪A6）奧迪：4.2升雙頂凸輪軸V8發(fā)動機（奧迪S4）戴克：5.7升Hemi Magnum側置凸輪軸V8發(fā)動機（克萊斯勒300C）戴克：3.2升雙頂凸輪軸I-6 CDI渦輪柴油發(fā)動機（奔馳E-320 CDI）福特：4.6升單頂凸輪軸V8發(fā)動機（福特Mustung GT）通用：4.2升雙頂凸輪軸Vortec I-6發(fā)動機（雪佛萊開拓者）本田：3升單頂凸輪軸V6發(fā)動機（本田雅閣混動力）本

18、田：3.5升單頂凸輪軸V6發(fā)動機(阿庫拉RL)馬自達：1.3升Renesis旋轉發(fā)動機（馬自達RX-8）日產：3.5升雙頂凸輪軸V6發(fā)動機（日產無限G35跑車）,47,2014年Ward全球十佳發(fā)動機名單:奧迪：3.0升TFSI機械增壓V6汽油機(S5)寶馬：3.0升渦輪增壓直六柴油機 (535d)道奇：3.0升渦輪增壓V6柴油機 (RAM 1500 EcoDiesel)菲亞特：83千瓦電動機 (500e)福特：1.0升

19、Ecoboost渦輪增壓三缸汽油機 (嘉年華)雪佛蘭：2.0升渦輪增壓直列四缸柴油機 (科魯茲柴油版)雪佛蘭：6.2升底置凸輪軸V8汽油機 (Corvette Stingray)本田：3.5升單頂置凸輪軸V6汽油機 (Accord)保時捷：2.7升水平對置六缸汽油機 (Cayman)大眾：1.8升渦輪增壓直列四缸汽油機 (Jetta),48,渦輪增壓的應用,超級節(jié)能車XL1采用一臺0.8L增壓柴油機和一臺電動機，最大功率分別為

20、48馬力和27馬力。該車百公里綜合油耗僅為0.9L。,49,謝謝,50,優(yōu)點：1 結構簡單2 低工況性能好3 氣體直接接觸，加速性好4 部分廢氣重回氣缸，改善NOX排放5 工況變動范圍大，適應性好缺點：1 體積大，安裝位置受限2 排氣加熱進氣，影響增壓效果，效率不高3 噪聲源,,51,52,,53,54,55,56,,,,浮動軸承止推軸承潤滑密封隔熱冷卻,57,,58,坦克的發(fā)展趨勢是高功率密度，即同樣大小

21、的發(fā)動機能發(fā)出更強勁的動力高增壓技術提供更多的空氣進行燃燒，從而提高功率,先進坦克,,59,高空長航時無人機隨著高度增加空氣密度越來越稀薄，導致功率下降，從而限制了無人機的飛行高度高增壓技術補償空氣密度的下降，恢復功率，提高升限高增壓技術是提高無人機飛行升限的最關鍵的核心技術之一,,60,2006年度國際最佳發(fā)動機獎的評選中，大眾汽車公司研發(fā)的利用機械增壓和渦輪增壓進行雙重增壓的TSI發(fā)動機發(fā)動機成為最大亮點。各項評比中，125

22、千瓦(170馬力)新型1.4升TSI雙增壓發(fā)動機獨得“1升-1.4升最佳發(fā)動機”和“2006年度最佳新型發(fā)動機”兩項大獎。       1.4升TSI雙增壓發(fā)動機發(fā)動機已配備于大眾汽車的運動型高爾夫GT和途安車型中，并分兩種性能等級實現(xiàn)量產。運動型高爾夫GT配備的1.4升TSI發(fā)動機功率為125千瓦(170馬力)，百公里油耗僅為7.2升。,最新型的廢氣渦輪+機械復合增壓分層直

23、接噴射式汽油機,61,1.4升TSI發(fā)動機的性能相當于普通的2.3升發(fā)動機,62,,63,,,64,,P = baromT = 21°C,,,,Air Filter,,P = -50mbarT = 25°C,,Comp,,,T = 180°C,After cooler中冷器,,,P = 2.1barT = 40°C,,,Turb,,Exhaust Manifold,Inlet Manif

24、old,P = 2bar T= 690°C,P=,,,,P = 50mbar T = 550°C,Silencer消音器,P = baromT = 400°C,MAN D08366.9litre 206kW18 ton truck,,ρ = 1.1kg/m³,ρ = 2.5kg/m³,ρ = 3.5kg/m³,2.2,bar,,,65,66,Turbocharger

25、Manufacturers,中國兵器裝備集團公司湖南天雁機械有限責任公司 上?；衾栐鰤浩鞴荆绹氋Y）遼寧東方增壓器（集團）公司 無錫holst工程有限公司重慶ABB江津渦輪增壓系統(tǒng)有限公司濰坊富士達增壓系統(tǒng)有限公司 重慶徑流增壓器廠鳳城市渦輪增壓器制造有限公司上海伊銘增壓器制造有限公司沈陽市黎明增壓器制造有限公司 長春富奧石川島增壓器有限公司浙江露笑集團渦輪增壓器廠 濰坊信德瑪珂工貿有限公司 常州中瑞汽

26、車配件有限公司北京蓋瑞特科技發(fā)展有限公司增壓器廠,67,在國內六大主流增壓器企業(yè)中，三家為本土企業(yè)、三家為跨國企業(yè)?！　√煅恪　『咸煅銠C械有限責任公司是中國南方工業(yè)汽車股份有限公司的國有控股子公司。具備年產30萬臺渦輪增壓器和150萬對氣門的生產能力，建有省級技術中心，下轄增壓器研究所、發(fā)動機配件研究所。公司規(guī)模生產銷售渦輪增壓器、氣門、冷卻風扇等汽車發(fā)動機零部件?！　「辉础　H坊富源增壓器有限公司于1993年與新加坡國際投

27、資有限公司、香港威潤企業(yè)有限合資，專業(yè)生產渦輪增壓器。增壓器年生產能力40萬臺，是中國北方最大的增壓器科研生產基地。產品應用于各種卡車，客車，船舶主、輔機，軍事裝備等最寬泛的領域。　　康躍　　壽光市康躍增壓器有限公司始建于1963年，2001年改制為壽光市康躍增壓器有限公司，2008年建成增壓器行業(yè)首家博士后科研工作站。公司先后從美國、英國、德國等國家引進了先進的制造、檢測設備和自動化裝配線。其渦輪增壓產品廣泛應用于汽車、工程機械、

28、農用機械、船舶動力、發(fā)電機組等領域。,68,霍尼韋爾　　霍尼韋爾總部位于美國新澤西州莫里斯鎮(zhèn)。作為霍尼韋爾在全球范圍內建立的第十個渦輪增壓器及相關產業(yè)的生產廠，霍尼韋爾渦輪增壓系統(tǒng)(上海)有限公司專業(yè)制造和銷售世界知名的蓋瑞特牌渦輪增壓器及相關產品?！　』魻柸亍　』魻柸厥鞘澜缟献畲蟮闹行秃椭匦蜏u輪增壓器制造商，在全球十多個國家和地區(qū)有生產廠或分支機構，是美國康明斯發(fā)動機公司的全資子公司。無錫霍爾塞特工程有限公司在我國中重噸位發(fā)