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第三章 发动机的换气过程与增压 教学重点: 1 掌握增压的概念、目的、主要类型 2 掌握涡轮增压器的结构和工作原理 3 掌握发动机换气过程的特点及充气效率的计算 4 掌握影响充气准备效率的因素及提高充气效率的措施 教学难点:换气过程 提高发动机功率的途径: 改变结构参数--增加i、Vs(D、S),减少τ,但体积和重量会增加; 提高转速—提高n,但充气效率和机械效率会减少,机件寿命缩短,噪音大; 提高平均有效压力Pe—可行。 方法: 提高充气效率 增加充气密度(增压) 增压器的发展 发动机增压技术来自于德国人的创意 1880年德国人开始研究增压技术,并在一战期间应用于飞机上---机械式增压器,使得航空发动机轻量化。 1909年瑞典人Buchi博士提出采用废气涡轮增压----不被多数人接受。1911年苏而寿(Sulzer)兄弟公司在瑞典成立,Buchi成为该公司的总工程师。 直至1917年,废气涡轮增压器开始获得实用。此后又逐渐出现了复合式增压器、气波式增压器、冲压式增压器。 1925年,废气涡轮增压器很快在欧洲、美国和日本获得了生产权。 二战期间美军也将废气涡轮增压器应用于作战飞机。 真正使得废气涡轮增压技术发展并逐渐成熟的是美国人。 20世纪40年代后期,航空燃气轮机的出现引起了材料技术与设计方面的重大革新,引发了径流涡轮机的研究,发明了滑动轴承使废气涡轮增压器转速达到15,0000-17,0000rpm。 1952年,使用康明斯废气涡轮增压发动机的赛车在赛道的比赛中夺得冠军。 1954年康明斯生产出了一系列型号的发动机,VT12、6缸NT,NRT‘s和JT‘s 。同年,沃尔沃生产了首台使用废气涡轮增压技术的柴油卡车TD96AS,额定功率为185马力,与自然吸气式D96AS相比提高了35 马力,同时还有着不错的燃油经济性。 一 增压的概念 增压:以某种方式提高进气充量的密度,提高进入汽缸的新鲜空气量。 二 增压的目的 通过增加充气量,提升发动机动力(功率,增大扭矩)和燃油经济性,同时减少发动机有害废气排放量。 一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。 常见的1.8T涡轮增压发动机,经过增压之后,动力可以达到2.4L发动机的水平,但是耗油量略高于1.8发动机。 增压是提高发动机强度的有效措施,也是发动机在高原地区恢复功率的主要手段。 boost-increase the value 优点: 利用了废气的能量。增压效率高于机械增压。 缺点: 1 涡轮迟滞是涡轮增压发动机面临的最大难题:启动时低速运转,废气排量小,增压不能同步起效; 2 在低转速时,涡轮增压器没有介入,同时废气仍然要驱动涡轮旋转,排气没有自然吸气发动机顺畅,此时的发动机扭力输出要比同等排量的自然吸气式发动机还要弱; 3 发动机的转速升高到3000 转以后,涡轮增压器突然介入,这个时候产生的动力将陡增。这种动力的突然增加影响了动力输出的平顺性,给驾驶舒适性带来一定影响。 3 复合增压 发动机在双增压器的作用下最大输出功率为125kW,最大扭矩为240Nm。从0 至100km/h 只需7.9 秒。1.4L动力达到2.5L发动机水平,但油耗却降低了20%,平均油耗只有7.2L/100km。在1750rpm 就发出了最大扭矩240 Nm,并一直到4500rpm。 优点是适合全部工况。 缺点是结构复杂,在高转速区域的动力表现并不突出。 按大众公司的解释,性能并非这台发动机的主要诉求,动力输出的顺畅度与经济性才是重点。 大功率柴油机上用的较多。 五 发动机增压的优缺点 改善了发动机性能: 提高了内燃机机械效率; 提高了内燃机的指示热效率; 改善了燃烧过程。 增加了发动机的比功率; 扩大了内燃机高原适应性; 有利于降低有害气体排放和噪声。 增加了柴油机的机械负荷; 增加了柴油机的热负荷。 增压空气温度增加,在柴油机中引起增压条件下进气密度减小,即在保持不变过量空气系数?下,意味着功率下降,不然需要进一步提高增压压力,但柴油机机械负荷又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于柴油机的燃烧,但却使燃烧室内受热零件的热负荷增加。 四 增压中冷 1 何谓增压中冷? 通过布置在压气机和气缸间的中间冷却器对增压后的空气进行冷却,降低其温度的措施。 2 为何设置增压中冷? 空气因压缩温度会增加;发动机废气有上千度,会对增压器吸入的空气加热。高温充量在柴油机中引起增压条件下进气密度减小,功率下降。汽油机中增压温度升高,除与柴油机一样功率下降外,最主要的是爆震倾向增加。所以需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。 3 使用中冷器的优缺点 中冷器可带走压气机的压缩热和废
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