当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第四章：换气过程与进气充量 > 4.10 四冲程发动机增压系统及性能 > Video
同学们好
这节课我们学习
四冲程发动机增压系统
及其性能特点
增压发动机
与自然吸气发动机相比
主要是在换气方面有较大不同
由此引起两者在结构工作过程
和性能方面存在差异
本节我们重点介绍
涡轮增压的基本形式
方法和性能特点
同时也对其他
增压方式如机械增压
复合增压等做简要介绍
至于增压器的结构原理
增压器与发动机的匹配等问题
宜在专门的书籍
和课程中进行介绍
发动机的增压方式有多种
按压气机的工作方式可分为
容积式增压和离心式增压
按压气机的驱动方式
可分为机械增压、涡轮增压
气波增压和电机增压
无论是容积式还是离心式增压
都可以采用机械驱动
或涡轮驱动或电机驱动
但一般情况下
容积式增压与机械驱动结合
离心式增压与涡轮驱动
或电机驱动结合
车用发动机中
最常用的是涡轮增压系统
机械增压系统也有应用
涡轮增压系统
直接利用废气能量
不仅不消耗额外功率
多数工况还会
对活塞做泵气正功
增压后发动机的
外特性曲线形状有所变化
在保持发动机低工况性能
基本不降低的同时
中高工况的动力输出燃油经济性
和排放都可以得到大幅度改善
增压器与发动机是柔性联接
便于安装布置
再加上增压器的体积
重量和成本日趋降低
可靠性日趋增强
使得涡轮增压系统
在车用发动机上
得到越来越广泛的应用
根据发动机利用
废气能量方式的不同
涡轮增压系统可以分为
定压系统和脉冲系统
两种基本形式 如图所示
其他的涡轮增压系统
大多由这两种系统演变而来
定压涡轮增压系统
把所有气缸的排气歧管
都通向一个体积较大的排气总管
见图a所示
排气过程中各歧管的压力
有较大波动
各缸排气时间相互有差异
且部分重叠
但汇集到总管后
各缸排气相互混合减速和滞止
基本保持排气恒定压力
起到了稳压作用
脉冲涡轮增压系统原则上
是将各缸排气歧管中的脉冲气流
直接导入涡轮机中
以尽量减少定压系统
废气汇总到总管时
出现较大的不可逆膨胀能量损失
但是各缸排气歧管独自接入涡轮
结构复杂也难以布置
对于缸数是3的倍数的多缸机
如三缸、六缸、十二缸
可以将发火间隔
为240度曲轴转角的
三个气缸排气歧管连在一起
形成一个支管再接入涡轮
这样在一个工作循环里
一个排气支管中
可以形成三个
均匀连续的排气脉冲
成为三脉冲系统 图b所示
即为一个六缸机的三脉冲系统
这里我们对定压增压系统
和脉冲增压系统进行一个对比
如这个表所示
定压增压系统的优势是
排气总管内的
气体压力基本恒定
涡轮在稳定气流下工作
所以涡轮机的效率较高
但是它的不足是发动机的
加速性能和低负荷性能较差
所以定压增压系统只适用于
高增压工况变化少的场合
脉冲增压系统它的优点是
充分利用了排气能量
可以改善变工况的性能
但是它的不足是
在脉动气流状态下工作
涡轮机的效率比较低
所以脉冲增压系统适用于
中低增压工况变化多的场合
下面我们重点分析
涡轮增压柴油机的性能
在排量和发动机质量
基本不变的条件下
涡轮增压使有效输出功率
大幅度提高
比质量、升功率和有效平均压力
等指标显著改善
发动机的动力性能大大提高
如图所示
柴油机增压后
为降低热负荷和机械负荷
压缩比有所下降
但过量空气系数则有所增加
也就是混合气变稀
两者对发动机的
燃油经济性的影响可相互抵消
增压后要对喷油、进气、燃烧等系统
重新进行性能匹配
其结果使得燃烧效率
与自然吸气柴油机大致相当
但是涡轮增压柴油机
由于利用废气能量做功
增加了一块泵气正功
使得整机指示效率
高于自然吸气柴油机
此外尽管涡轮增压的
总机械损失功率略有增加
但是它的指示功率却大幅度上升
使得机械效率有所提高
这两方面的影响会使
涡轮增压发动机的有效效率
有较大幅度提高
从而使其经济效能
相对于原有自然吸气发动机
有相当的改善，如图所示
增压后由于进气量加大
混合气变稀
也就是过量空气系数上升
使得有害排放物如碳氢、一氧化碳
和烟度都有所下降
但是增压后由于进气温度上升
氮氧化物有害物排放有所增加
此时若采用增压中冷技术
即采取措施使增压后的
热空气经冷却降温后再进入气缸
则氮氧化物反而
会低于自然吸气发动机
从总体上看增压有利于降低排放
如图所示
机械增压系统机构
及工作原理如图所示
压气机1直接由发动机曲轴
通过传统系统2驱动
通常用于增压比小于1.6的场合
当压气机为容积式 如罗茨泵时
增压效果受到发动机
转速的影响较小
可以在发动机各转速工况下
获得相近的增压效果
与涡轮增压相比
机械增压特别适合于
改善发动机低速工况的动力输出
因而在赛车发动机
及追求低速加速能力的
高档乘用车发动机
和坦克等军用装备发动机上
有广泛应用
机械增压系统的动态性能
比涡轮增压系统好
因为机械传动的动态响应
要比废气快
对排气系统也没有干扰
这是它固有的优点
此外小排量发动机
也适合用机械增压
因为涡轮增压装置
比较复杂成本也高
几种增压方式组合使用
便形成所谓的复合增压系统
最典型的复合增压系统
就是图所示的机械增压
与涡轮增压相结合的
复合增压系统
该系统先由机械增压压气机C1
将初级增压后的空气
输入涡轮增压压气机C2中
经二次增压后再进入发动机
这样的组合既保证了
获得启动瞬态加速以及低速
低负荷工况所需的转矩特性
又可以获得良好的
燃油经济性和高功率密度
比如大众公司
新近开发的TSI汽油机
就是采用类似的
机械和涡轮复合增压系统
使得其升功率
接近于100千瓦每升
下边我们探讨汽油涡轮
增压技术的难点及解决措施
从原理上说汽油涡轮增压
与柴油机涡轮增压
没有本质的区别
但由于下述原因
汽油机涡轮增压的
普及程度还不如柴油机
一是爆燃倾向增大
汽油机增压后压缩终了的
压力和温度都升高
所以爆燃倾向增大
为此必须采取降低压缩比
推迟点火等相应措施
其结果导致热效率下降
所以增压汽油机的
增压比一般小于2
功率最高增幅不超过40%-50%
一般汽油机仅增压
改善燃油经济性是有限的
但是采用增压小排量
就是我们讲的Downsizing技术后
可以较大幅度改善燃油经济性
如表所示
通用雪佛莱克鲁兹汽油机
采用增压小排量技术后
发动机的扭矩提高了48%
油耗降低了14%
二、热负荷加重
汽油机增压后升功率增大
燃烧温度增加
使其排温要高出柴油机
大约200-300摄氏度
同时为避免新鲜充量的损失
扫气期缩短
这使得其热负荷问题
比增压柴油机更严重
三、动态响应延迟加大
增压汽油机在节气门
开度突然改变时
增压器的反应将严重滞后
导致加速性能变差
四、汽油机的空气流量变化范围大
汽油机的转速范围较柴油机更宽
进气流量变化的范围更大
因而覆盖的压气机工况范围更大
这为制造同时具有宽流量范围
和宽高效率区的
压气机带来了挑战
但是近年来随着
汽油机电控技术的发展
包括缸内直喷汽油机技术的进步
汽油机增压得到
越来越广泛的应用
关于四冲程发动机增压系统
及其性能分析就介绍到这里
同学们，再见
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
