柴油机增压技术现状

2014—2015学年第二学期《汽车发动机原理》课程论文柴油机增压技术现状学生姓名:专业班级:学号:教师姓名:目录1.前言....................................................................................................................12.柴油机增压技术的发展简史............................................................................13.柴油机增压技术发展现状................................................................................23.1惯性增压.................................................................................................23.1.1可变进气系统研究......................................................................33.1.2共鸣进气系统的结构.................................................................73.2气波增压及现状.....................................................................................73.3机械增压.................................................................................................93.3.1基本式机械增压........................................................................103.3.2双螺旋式增压器........................................................................113.3.3离心力式机械增压器................................................................123.4涡轮增压...............................................................................................143.4.1车用涡轮增压技术现状及发展趋势.......................................143.4.2涡轮增压系统............................................................................183.4.3现代化设计方法和制造技术方面...........................................203.4.4新材料的应用方面...................................................................203.5复合增压...............................................................................................214.柴油机增压技术的发展前景与展望..............................................................214.1柴油机机械增压技术的发展前景.......................................................214.2柴油机涡轮增压技术的发展前景.......................................................224.2.1柴油机涡轮增压器的发展趋势...............................................224.2.2柴油机涡轮增压系统的发展趋势............................................234.3柴油机增压技术的展望......................................................................23参考文献..............................................................................................................2411.前言柴油机面世以来，人们向来非常关心其动力性、经济性能等的提高，而增压技术则是目前广泛被人们采用的技术。增压技术可使柴油机在结构改变不大的情况下，功率、经济性能等有较大的提高和改善。增压技术提高内燃机进气压力来增加内燃机功率的措施。提高进气压力（又称增压压力）可增大进入气缸的空气密度，使供入气缸内的空气量增加。这样就可以燃烧更多的燃料，从而大幅度地提高功率，而且还能改善内燃机的燃料经济性；若使增压空气受到冷却还能减少排气中的有害成分。内燃机在高海拔地区工作时，因大气压力低而充量不足，使功率下降。这时若用增压，可以提高进入气缸的空气压力，使内燃机功率得以增大。内燃机采用增压后,机械负荷和热负荷会增高,特别是在高增压时,过高的机械负荷和热负荷会使内燃机零件损坏,因此内燃机采用增压方法增加功率的程度就受到限制。至20世纪80年代初，高增压柴油机的功率比非增压柴油机功率高200％以上。2.柴油机增压技术的发展简史自上个世纪20年代就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于当时的技术水平和工艺、材料的限制，还难于制出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的影响，增压技术未能迅速普及。直到大战结束后，增压技术的研究和应用才受到重视。上世纪50年代，柴油机的增压度约为50%，四冲程机的平均有效压力约在20.7—0.8MPa之间，无中冷，处于一个技术水平较低的发展阶段。其后20多年间，增压技术得到了迅速的发展和广泛的采用。现在，国外车用柴油机60%以上为增压机型，车用汽油机采用涡轮增压或机械增压的机型也逐年增多。增压技术对内燃机性能的提高起了划时代的作用。3.柴油机增压技术发展现状按所用增压器的不同可分为惯性增压、气波增压、机械增压、废气涡轮增压、和复合增压。[1]3.1惯性增压所谓惯性增压，就是利用进气管道内气流的惯性效应来提高柴油机的充气效率以达到增压的一种装置。也就是《汽车发动机原理》一书中介绍的谐振进气与可变进气。很久以前,人们就意识到进气系统的结构参数对往复式发动机的性能有很大影响。因此通过合理设计进气系统,充分利用进气系统中的不稳定波动,即利用进气管中的动力效应提高充量是一种简单而有效的方法。[2]谐振进气系统由进气过程互不重叠的三个气，缸和谐振管、谐振室以及分支管组成,当活塞位移产生的周期性吸气频率与谐振系统的固有频率一致时,进气流动发生共振。如果在进气后期,刚好有一正压力波进人气缸,从而使新鲜充量增加,则充气效率得到提高。[3].利用谐振进气改善发动机的性能由于各缸在进气过程中均会产生气流波动,因此发动机进气系统中的气体波动是极其复杂的。在进气过程中,由于活塞的吸入作用,在进气门入口处所形成的负压波,经支管到达支管开口处时,遇到开口边界条件,反射回一波形相反的正压波,在该缸进气冲程后期增加进气。与此同时,支管开口反射回一压力波,谐振管中的气体也会受到负压波的扰动,负压波经谐振箱、总管传至上游开口端,再反射回来。支管入口处压力波形态取决于总管、外接管及上游耦合部件中复杂的气流波动,3故它不是自身负压波的简单反射,而是由自身负压波、上游各部件中气体反射波以及来自各缸的负压波在此处叠加而成。当该缸下次进气产生的波与进气系统内残余的波动相位吻合,各波合成效果为正压波时,则有利于后续进气,使充量系数增加;若相位不吻合甚至相反,则不利于进气,充量系数降低[4].国内外开发出了多种可变谐振进气系统,利用由谐振箱容积、谐振管的长度与直径以及共振箱容积调节进气系统固有频率,使发动机在宽广的运行范围内有两个或多个谐振转速,提高发动机充量系数,提高发动机动力性能和经济性能。研究发现，随着发动机使用工况的变化,进气系统应作相应的变动。研究发现，随着发动机使用工况的变化,进气系统应作相应的变动。国内外对采用可变进气系统,提高发动机动力性、经济性做了大量的研究工作，已经成功应用到高级轿车上。资料显示可提高充量系数10%左右,降低油耗3～5g/kW·h。[5]3.1.1可变进气系统研究现在的可变谐振进气系统大部分是通过机械式调整进气管长度的可变进气管长度谐振系统,也有少部分其他形式的可变进气系统。它们都是通过电控系统使其在相应转速下迅速改变进气系统参数,在不同转速下产生谐振,提高发动机充量系数。分类：常用的可变进气歧管技术可分为可变长度进气歧管、可变截面进气歧管及共鸣进气三种技术，这三项技术都是利用进气歧管的几何设计来实现相同的目的。3.1.1.1可变长度进气歧管技术（1）无级可变系统进气管长度无级可变系统可以在内燃机的整个转速范围内提高充气效率,但是存在着控制系统复杂、密封性差的问题。无级可变进气系统又可分为旋转式和伸缩式两种。旋转式无级可变进气系统由可旋转的内腔件和固定的外腔件组成,通过旋转内腔件可以调整进气管长度。如图1所示。4图1伸缩式无级可变进气系统,通过齿轮驱动齿条,带动进气管伸缩,以达到无级改变进气系统的目的。如图2所示。图2（2）有级式可变进气：进气管长度分级可变系统如下图所示,一般只在两个管长之间切换,结构简单,控制系统容易实现。但切换时发动机转矩容易下降。分级可变结构主要是通过阀门的开启和关闭,从而使进气通过不同长度的通道,通常在发动机高转速时使用长管,在低转速时切换为短管。5如右图所示,德国生产的OpelAstra轿车用新型1.8L汽油机采用可变进气管,其进气管有两个进气口,分别使进气走过长短不同的通道,应用真空开关式节流阀控制管道长短的切换[20]。以保证在整个转速范围内形成一个丰满的扭矩曲线。在高负荷低转(2400r/min和3900r/min)时,关闭真空开关式节流阀,即“功率工况”进气口被关闭,空气通过“扭矩工况”进气口进入发动机,将288mm的短进气歧管转换成长度为621mm的长进气歧管,在低转速下有较好谐振效果。发动机的扭矩曲线变化很大程度上受到进气歧管设计参数和凸轮轴配气定时的支配。如图3所示,由于对进气歧管进行了优化设计,在3400r/min时就达到了170N·m的发动机最大扭矩值,较前者要好。从图中可见,在5400r/min时就能达到与前者一样的85kW功率,最佳燃油耗值为242g/(kW·h。[6]6图4三菱公司开发的6A12发动机,奔驰车的V6、V8发动机的进气道也由长、短两个进气道组成,高速和低速时,分别使用短的和长的进气道。奥迪公司、本田公司等的轿车发动机也采用了类似的可变进气装置。如图5所示,该套可变进气系统的谐振腔中装有一电磁阀,通过电控系统根据发动机的运行状态对其进行控制,通过电磁阀的开闭,改变进气系统固有频率,使其在宽广的转速范围内有良好的充气效果。图53.1.1.2可变截面进气系统的结构目前，实现进气歧管的截面积可变也是通过机械调整方法实现，一般是控制阀门的开启和关闭，使进气经由不