第一章增壓技術(shù)

1、葉輪機(jī)械與增壓技術(shù),許俊峰,1,2,2,2,教材與參考書(shū),朱大鑫 編著, 《渦輪增壓與渦輪增壓器》, 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992陸家祥 主編, 《柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù) 》, 機(jī)械工業(yè)出版社，1999.9,教材：《車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(shū)：,3,課程主要內(nèi)容提綱：一、緒論（國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)）二、離心式壓氣機(jī)原理及設(shè)計(jì)三、徑流式渦輪原理及設(shè)計(jì),4,課程主要內(nèi)容提綱：四、排氣能量的利用五、發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)概述,渦輪增壓技術(shù),6,什么是發(fā)動(dòng)機(jī)增壓,增壓 charge,boost,supercharge, turbocharge機(jī)械增壓

3、 supercharge渦輪增壓 turbocharge,7,Nl:kW/L; Hu:低熱值; α:過(guò)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(jī)械效率; ρs :進(jìn)氣管中充量密度,,,提高進(jìn)氣充量密度，可以通過(guò)提高進(jìn)氣壓力和降低溫度實(shí)現(xiàn),把提高內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣密度（量）的辦法稱為增壓增壓的實(shí)質(zhì)是增大充量密度,為什么增壓,常數(shù),<1.0,8,增壓術(shù)語(yǔ),

4、壓氣機(jī)出口壓力稱為增壓壓力，一般用pb表示。它與壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及效率等因素有關(guān)。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(jī)出口壓力pb與進(jìn)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(qū)動(dòng)方式分：機(jī)械增壓和廢氣渦輪增壓,增壓,容積式,離心式,機(jī)械增壓,廢氣渦輪增壓,羅茨增壓,氣波增壓,復(fù)合增壓,單級(jí)增壓,,,,,,,,,,,多級(jí)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(diǎn)：匹配簡(jiǎn)單可靠。對(duì)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，各工況增壓效果基本相同，與發(fā)動(dòng)機(jī)工況無(wú)關(guān)沖擊和噪聲大，增壓壓力低密封困難；運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：轉(zhuǎn)速高增壓壓力高體積小,14,增壓的基本方式,由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)，稱為機(jī)械增壓,特點(diǎn)：經(jīng)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)，安裝受限降低機(jī)械效率ηm,15,增壓的基本方式,由廢氣經(jīng)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，稱為廢氣渦輪

7、增壓,16,增壓的基本方式,由廢氣經(jīng)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，稱為廢氣渦輪增壓,17,增壓的基本方式,兩級(jí)增壓系統(tǒng)組成,,18,機(jī)械復(fù)合增壓技術(shù),低速時(shí)使用機(jī)械增壓高速時(shí)使用渦輪增壓完美結(jié)合了機(jī)械增壓和渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增壓的基本方式,,19,渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)（1）,6升V8發(fā)動(dòng)機(jī)自然吸氣220馬力,2.5升L4發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓220馬力,295公斤 114公斤,20,渦輪增壓器的自我補(bǔ)償能力，渦輪增壓發(fā)

8、動(dòng)機(jī)的高原性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。功率下降幅度小，油耗低,渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)（2）,21,采用渦輪增壓后由于機(jī)械效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性大幅改善。在同等功率下，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲小，這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)體積小，發(fā)射噪聲的表面積小，同時(shí)渦輪也有消聲的作用。,渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)（3）,22,渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)（4）,對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，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(guò)采用不同的增壓度及增壓中冷等措施使同一發(fā)動(dòng)機(jī)形成不同的功率系列，這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)公司更容易滿足不同客戶的要求。,23,渦輪增壓的應(yīng)用（1）,國(guó)際上幾乎所有柴油機(jī)都使用渦輪增壓技術(shù)，一方面追求高的升功率，另一方面追求良好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)也使渦輪增壓技術(shù)成為必需。中國(guó)目前幾乎所有重型柴油機(jī)都使用渦輪增技術(shù)，小型農(nóng)用柴油機(jī)從成本的角度考慮一般不使用。,24,渦輪增壓的應(yīng)用（2）,重型車幾乎都采用渦輪增壓柴油機(jī)。,25,渦

10、輪增壓的應(yīng)用（3）,全球最省油的車，大眾3L Lupo TDI。繞地球一圈實(shí)測(cè)油耗百公里2.7升。發(fā)動(dòng)機(jī)為1.2升3缸柴油機(jī)，功率為45KW。采用技術(shù)：渦輪增壓直接噴射,26,渦輪增壓的應(yīng)用（4）,汽油機(jī)上渦輪增壓不如柴油機(jī)那么普遍，主要是受汽油機(jī)熱負(fù)荷的限制，但是近年來(lái)隨著汽油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展也有很多應(yīng)用，如國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的大眾1.4T，PASSAT 1.8T， Audi A6 2.0T。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用增壓技術(shù)，可使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)功

11、率下降的問(wèn)題得到解決。公交大巴采用的康明斯天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)、渦輪和中間體組成,—渦輪增壓器長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)構(gòu),—渦輪增壓器長(zhǎng)什么樣c,30,渦輪增壓的基本原理(2),壓氣機(jī)進(jìn)口接空濾，出口接進(jìn)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(jī)計(jì)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(dòng)機(jī)---增壓器系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)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(nèi)部流動(dòng)過(guò)程。,—增壓器怎么工作b,34,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(1),—組成要素,能量源,,增壓泵,,性能增強(qiáng),,35,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(2),壓氣機(jī)：壓縮空氣，提高密度

13、渦輪：提供壓氣機(jī)所需的能力中間體：支撐、潤(rùn)滑、密封,,36,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(3),,帶放氣閥的渦輪增壓器,37,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(4),帶水冷套的渦輪增壓器，一般用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)或汽油機(jī)。,38,帶水冷的中間體，用于汽油機(jī)增壓,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(5),39,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(6),40,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(7),采用浮動(dòng)軸承是其結(jié)構(gòu)上的重要特點(diǎn)之一浮動(dòng)軸承的主要特點(diǎn)是：軸承內(nèi)外都有一定的間隙，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)

14、時(shí)，通過(guò)潤(rùn)滑油的摩擦力作用帶動(dòng)浮動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度較軸要慢些。浮動(dòng)軸承在兩層油膜中可自動(dòng)定心，同時(shí)兩層油膜可以較好地吸收轉(zhuǎn)子部件的振動(dòng)。有兩對(duì)液體摩擦副，軸和軸承的相對(duì)滑動(dòng)速度較小，機(jī)械摩擦損失和發(fā)熱量大大減小。國(guó)外有廠商現(xiàn)在開(kāi)始發(fā)展不轉(zhuǎn)的浮動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承以及空氣軸承等。,41,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(8),采用密封環(huán)是其結(jié)構(gòu)上的重要特點(diǎn)之一。其結(jié)構(gòu)是將數(shù)個(gè)活塞環(huán)形的開(kāi)口彈性環(huán)，分別安裝在渦輪端和壓氣機(jī)端的密封環(huán)支撐環(huán)槽內(nèi)，

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(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封環(huán)并不轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪端和壓氣機(jī)端采用密封環(huán)的數(shù)目一般為一個(gè)或兩個(gè)。,42,認(rèn)識(shí)渦輪增壓的基本結(jié)構(gòu)(9),增壓器是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)速?gòu)膸兹f(wàn)轉(zhuǎn)到二十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)都有，所以對(duì)軸系的平衡要求非常高。良好的動(dòng)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?xì)廨啓C(jī)與內(nèi)燃機(jī)的聯(lián)合循環(huán)能量品質(zhì)：能量的梯級(jí)利用渦輪增壓技術(shù)是航空技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)……,渦輪增壓的作用,渦輪增壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能、減排的關(guān)鍵技術(shù),,,45,,,,渦輪增壓發(fā)展歷史,1905年第一臺(tái)渦輪增壓器,1925年用于大型船舶 飛機(jī),1930年用于機(jī)車,1954年用于乘用車1970年大規(guī)模應(yīng)用,柴油機(jī)絕大部分增壓；增壓汽油機(jī)越來(lái)越多渦輪增壓器全球產(chǎn)量超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)/年，渦輪時(shí)代到來(lái)了,46,2005年Ward全球十佳發(fā)動(dòng)機(jī)名單:奧迪

17、：3.2升FSI雙頂凸輪軸V6發(fā)動(dòng)機(jī)（奧迪A6）奧迪：4.2升雙頂凸輪軸V8發(fā)動(dòng)機(jī)（奧迪S4）戴克：5.7升Hemi Magnum側(cè)置凸輪軸V8發(fā)動(dòng)機(jī)（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(dòng)機(jī)（奔馳E-320 CDI）福特：4.6升單頂凸輪軸V8發(fā)動(dòng)機(jī)（福特Mustung GT）通用：4.2升雙頂凸輪軸Vortec I-6發(fā)動(dòng)機(jī)（雪佛萊開(kāi)拓者）本田：3升單頂凸輪軸V6發(fā)動(dòng)機(jī)（本田雅閣混動(dòng)力）本

18、田：3.5升單頂凸輪軸V6發(fā)動(dòng)機(jī)(阿庫(kù)拉RL)馬自達(dá)：1.3升Renesis旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)（馬自達(dá)RX-8）日產(chǎn)：3.5升雙頂凸輪軸V6發(fā)動(dòng)機(jī)（日產(chǎn)無(wú)限G35跑車）,47,2014年Ward全球十佳發(fā)動(dòng)機(jī)名單:奧迪：3.0升TFSI機(jī)械增壓V6汽油機(jī)(S5)寶馬：3.0升渦輪增壓直六柴油機(jī) (535d)道奇：3.0升渦輪增壓V6柴油機(jī) (RAM 1500 EcoDiesel)菲亞特：83千瓦電動(dòng)機(jī) (500e)福特：1.0升

19、Ecoboost渦輪增壓三缸汽油機(jī) (嘉年華)雪佛蘭：2.0升渦輪增壓直列四缸柴油機(jī) (科魯茲柴油版)雪佛蘭：6.2升底置凸輪軸V8汽油機(jī) (Corvette Stingray)本田：3.5升單頂置凸輪軸V6汽油機(jī) (Accord)保時(shí)捷：2.7升水平對(duì)置六缸汽油機(jī) (Cayman)大眾：1.8升渦輪增壓直列四缸汽油機(jī) (Jetta),48,渦輪增壓的應(yīng)用,超級(jí)節(jié)能車XL1采用一臺(tái)0.8L增壓柴油機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，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(diǎn)：1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)范圍大，適應(yīng)性好缺點(diǎn)：1 體積大，安裝位置受限2 排氣加熱進(jìn)氣，影響增壓效果，效率不高3 噪聲源,,51,52,,53,54,55,56,,,,浮動(dòng)軸承止推軸承潤(rùn)滑密封隔熱冷卻,57,,58,坦克的發(fā)展趨勢(shì)是高功率密度，即同樣大小

21、的發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)出更強(qiáng)勁的動(dòng)力高增壓技術(shù)提供更多的空氣進(jìn)行燃燒，從而提高功率,先進(jìn)坦克,,59,高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)隨著高度增加空氣密度越來(lái)越稀薄，導(dǎo)致功率下降，從而限制了無(wú)人機(jī)的飛行高度高增壓技術(shù)補(bǔ)償空氣密度的下降，恢復(fù)功率，提高升限高增壓技術(shù)是提高無(wú)人機(jī)飛行升限的最關(guān)鍵的核心技術(shù)之一,,60,2006年度國(guó)際最佳發(fā)動(dòng)機(jī)獎(jiǎng)的評(píng)選中，大眾汽車公司研發(fā)的利用機(jī)械增壓和渦輪增壓進(jìn)行雙重增壓的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成為最大亮點(diǎn)。各項(xiàng)評(píng)比中，125

22、千瓦(170馬力)新型1.4升TSI雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)得“1升-1.4升最佳發(fā)動(dòng)機(jī)”和“2006年度最佳新型發(fā)動(dòng)機(jī)”兩項(xiàng)大獎(jiǎng)。       1.4升TSI雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已配備于大眾汽車的運(yùn)動(dòng)型高爾夫GT和途安車型中，并分兩種性能等級(jí)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。運(yùn)動(dòng)型高爾夫GT配備的1.4升TSI發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械復(fù)合增壓分層直

23、接噴射式汽油機(jī),61,1.4升TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的性能相當(dāng)于普通的2.3升發(fā)動(dòng)機(jī),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(guó)兵器裝備集團(tuán)公司湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司 上?；衾栐鰤浩鞴荆绹?guó)獨(dú)資）遼寧東方增壓器（集團(tuán)）公司 無(wú)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(dá)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(yáng)市黎明增壓器制造有限公司 長(zhǎng)春富奧石川島增壓器有限公司浙江露笑集團(tuán)渦輪增壓器廠 濰坊信德瑪珂工貿(mào)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(guó)內(nèi)六大主流增壓器企業(yè)中，三家為本土企業(yè)、三家為跨國(guó)企業(yè)?！　√煅恪　『咸煅銠C(jī)械有限責(zé)任公司是中國(guó)南方工業(yè)汽車股份有限公司的國(guó)有控股子公司。具備年產(chǎn)30萬(wàn)臺(tái)渦輪增壓器和150萬(wàn)對(duì)氣門的生產(chǎn)能力，建有省級(jí)技術(shù)中心，下轄增壓器研究所、發(fā)動(dòng)機(jī)配件研究所。公司規(guī)模生產(chǎn)銷售渦輪增壓器、氣門、冷卻風(fēng)扇等汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。　　富源　　濰坊富源增壓器有限公司于1993年與新加坡國(guó)際投

27、資有限公司、香港威潤(rùn)企業(yè)有限合資，專業(yè)生產(chǎn)渦輪增壓器。增壓器年生產(chǎn)能力40萬(wàn)臺(tái)，是中國(guó)北方最大的增壓器科研生產(chǎn)基地。產(chǎn)品應(yīng)用于各種卡車，客車，船舶主、輔機(jī)，軍事裝備等最寬泛的領(lǐng)域?！　】弟S　　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(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)了先進(jìn)的制造、檢測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化裝配線。其渦輪增壓產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、

28、農(nóng)用機(jī)械、船舶動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。,68,霍尼韋爾　　霍尼韋爾總部位于美國(guó)新澤西州莫里斯鎮(zhèn)。作為霍尼韋爾在全球范圍內(nèi)建立的第十個(gè)渦輪增壓器及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)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(guān)產(chǎn)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(gè)國(guó)家和地區(qū)有生產(chǎn)廠或分支機(jī)構(gòu)，是美國(guó)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司的全資子公司。無(wú)錫霍爾塞特工程有限公司在我國(guó)中重噸位發(fā)