内燃机增压技术.ppt

第4章 内燃机增压,第1节 内燃机增压的基础知识第2节 废气涡轮增压器第3节 排气能量的利用第4节 增压器与内燃机的匹配,第1节内燃机增压的基础知识,一、提高内燃机动力性能和经济性能的途径1、采用增压技术，增加进气密度（s）提高功率，改善经济性，降低比质量，降低排放等最有效措施,2、合理组织燃烧过程，提高it3、改善换气过程，提高充量系数c4、提高发动机转速n 5、提高内燃机机械效率m6、采用二冲程(=2),第1节内燃机增压的基础知识,二、增压术语增压压力压气机出口压力称为增压压力，用Pb表示。它与压气机结构、尺寸、转速及效率等因素有关。通常Pb 0.17MPa的增压称为低增压、0.17MPa Pb 0.25MP的增压称为中增压，0.25MPa Pb 0.35MPa的增压称为高增压，Pb 0.35MPa的增压称为超高增压。增压比出口压力与进口压力之比增压度,第1节内燃机增压的基础知识,三、增压方式机械增压所谓机械增压，是指压气机由内燃机曲轴通过传动装置直接驱动的增压方式。不增加发动机背压，但消耗其有效功率。增压压力不超过0.17MPa,第1节内燃机增压的基础知识,三、增压方式排气涡轮增压 所谓排气涡轮增压，是指利用排气能量使排气在涡轮中进一步膨胀作功，用于驱动压气机的增压方式。排气涡轮增压的特点：不消耗发动机有效功，增压器可以自由布置在所需的位置，涡轮有一定的消声作用，并进一步减少排气中的有害成分。,第2节 废气涡轮增压器,第2节 废气涡轮增压器,第2节 废气涡轮增压器,一、离心式压气机组成：进气道、叶轮、无叶扩压器、叶片扩压器、集气管（蜗壳）工作原理：,离心式压气机结构l-进气道 2-压气机叶轮 3-压气机蜗壳 4-扩压器,轴向进气道径向进气道,图12 压气机中径向进气道,、进气道,将外界空气导向压气机叶轮，保证工作轮进气均匀和轴对称。,根据叶轮轮盘的结构形式分：开式叶轮：没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低闭式叶轮：既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高；但结构复杂，制造困难，强度差。半开式叶轮：只有轮盘，没有轮盖。在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮：在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，多在小型涡轮增压器中应用。,、叶轮,图13 压气机叶轮的结构形式a）开式 b）半开式 c）闭式 d）星形,根据叶片沿径向的弯曲形式分：前弯叶片叶轮：叶片沿径向向旋转方向弯曲。对空气的做功能力最大。但主要增加了空气的动能，对压力能却提高较少，压气机效率低。径向叶片叶轮：叶片径向分布，不弯曲。后弯叶片叶轮：叶片逆旋转方向弯曲。做功能力小，空气压力的提高大部分是在叶轮中完成。压气机效率高，应用较广泛。前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮)：叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾。在车用柴油机涡轮增压器上得到应用。,图14 压气机叶轮叶片的形式a）前弯叶片叶轮 b）径向叶片叶轮c）后弯叶片叶轮 d）后掠式叶轮,将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。无叶扩压器叶片扩压器,图15 叶片扩压器形式a）平板形叶片 b）圆弧形叶片 c机翼形叶片,3、扩压器,变截面蜗壳等截面蜗壳,图16 离心式压气机蜗壳a）变截面蜗壳 b）等截面蜗壳,4、压气机蜗壳,收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管，具有一定的扩压作用。,5、压气机中空气状态的变化,进气道：空气从环境状态进入，由于进气道是渐缩形的通道，空气的压力略有降低，速度略有升高。叶轮：叶轮对空气作了功，使空气的压力、温度和速度都升高。扩压器：空气的速度降低，压力升高，温度亦随压力而升高。蜗壳：仍有部分动能转化为压力能，使空气的速度进一步降低，压力和温度升高,图17 压气机通道中气体状态的变化,6、压气机主要性能参数,增压比b：压气机出口与进口压力之比空气流量qmb（kg/s）折合流量qmbnp(非标准大气状态下的流量折合成标准大气状态下的流量)压气机转速nb（r/min）折合转速nbnp,压气机定熵效率adb：表明压气机设计与制造的完善程度，指将气体压缩到一定增压比时压气机的定熵耗功和实际耗功之比。,7、压气机特性（流量特性）,压气机的特性曲线：主要性能参数在各种不同工况下的相互关系曲线流量特性：在不同转速下，增压比和定熵效率随流量的变化关系喘振（线）：当流量减小到某一数值时，压气机出现不稳定流动状态。压气机中气流发生强烈的低频脉动，引起叶片的振动，并产生很大的噪声。阻塞：当流量增大到某一数值时，增压比和效率均急速下降。即使以增压比和效率下降很多作为代价，流量也难以增加。这个现象称为压气机的阻塞。,第2节 废气涡轮增压器,二、涡轮组成：进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳按燃气在涡轮中流动方向分类：轴流式、径流式按燃气在涡轮中焓降分配分类：冲击式、反力式（气流速度低，流动损失小，涡轮效率较高）涡轮中的热功转换：,第2节 废气涡轮增压器,二、涡轮径流式向心涡轮结构,第2节 废气涡轮增压器,二、涡轮燃气最大可用能量：在定的膨胀比下，气体对涡轮作功的最大可用能量就是涡轮入口的滞止焓与定熵过程叶轮出口的静焓。实际涡轮作功：,第2节 废气涡轮增压器,涡轮主要性能参数定熵效率膨胀比：流量：无泄漏和放气时，通过涡轮的燃气流量等于压气机流量与发动机燃烧的燃料流量之和。涡轮转速,第2节 废气涡轮增压器,涡轮特性曲线流量特性曲线轴流式涡轮，当转速一定时，相似流量随膨胀比的增大而增加，直至达到流量最大值。若再继续增大膨胀比，涡轮流量也不会再增加这时的流量称阻塞流量。发生流量阻塞的原因是喷嘴环或涡轮叶轮中某处气流速度已达到了当地声速。涡轮实际上作时，由于喷嘴出口处流速最高。往往是该处先于叶轮发生流量阻塞。,第2节 废气涡轮增压器,第2节 废气涡轮增压器,涡轮特性曲线流量特性曲线径流式涡轮，由于离心力的作用，转速对膨胀比与流量的影响较轴流式大得多。,第3节 排气能量的利用,3.1排气可用能量及其利用方式排气的最大可用能,第3节 排气能量的利用,3.1排气可用能量及其利用方式排气的最大可用能压气机耗功：1-2-a-3-1，其中，留在缸内空气压缩耗功：8-2-a-6-8 扫气空气压缩耗功：1-8-6-3-1柴油机指示功：a-c-z-b-a，6-7-4-a-6排气门打开等熵膨胀至大气压力所能作功：Eb=E1+ET涡轮中排气总能量：E2=Es+Ec+ET+Eq排气的最大可用能：E=Eb+Ec+Es=E1+ET+Ec+Es,第3节 排气能量的利用,3.1排气可用能量及其利用方式能量传递中的损失E=排气的最大可用能-涡轮中排气总能量=E1Eq=EV+EC+ED+EM+EF+EhEV：能量传递中的主要损失，占总损失2/3。设计中，增大排气流通面积（4气门）开启速度快，使排气门后压力很快升高。排气管容积不应过大，排气管应细而短。在结构受限时，“细而长”比“短而粗”好。,第3节 排气能量的利用,3.1排气可用能量及其利用方式排气涡轮增压系统的基本形式脉冲增压系统：利用排气脉冲能（E1），排气管容积小，排气管中压力有波动。实际柴油机中，采用脉冲增压系统时，E1最多利用40%50%。在低增压时，对脉冲增压系统有利，高增压时得益不多。定压增压系统：不利用排气脉冲能（E1），排气管容积较大，脉冲能转变为热能，提高涡轮前排温，回收了Eq面积（E1），从损失的E1中回收了一部分。通常，定压系统用于高增压而大部分时间在高负荷运转的柴油机，如发电机组以及气缸数为7缸、14缸等柴油机上。脉冲系统用于车用、船用等变速、变负荷运行较多的场合。,第3节 排气能量的利用,3.2影响脉冲能量利用的因素为充分利用排气脉冲能量，要求：排气门打开后，排气歧管内的压力应尽快建立起来，以减少流动损失。排气自排气门逸出应迅速，阻力尽可能地小。柴油机扫气过程中，排气管中的压力要尽可能低，利于扫气进行。排气门开启定时开启较早，缸内压力高，排气管压力建立快，涡轮作功能力大。过早，燃气缸内膨胀作功减小。找出最佳开启定时。排气门流通面积流通面积增大，排空速率高，歧管中很快建立较高压力，利于脉冲能量利用。,第3节 排气能量的利用,3.2影响脉冲能量利用的因素排气门开启规律在气门机构允许的加速度范围内，开启速度越快越好。排气管流通面积fP长度一定，fP减小，容积小，排气管中压力建立快，脉冲能量利用好。但fP过小，流动速度过大，流动损失增加。排气管长度长度主要影响压力波的反射时间、反射波和下一个波的互相干扰程度，影响脉冲能量利用。涡轮流通面积涡轮流通面积减小，排气管压力升高，排气能量增加，但活塞排空耗功增加。,第3节 排气能量的利用,3.3脉冲增压排气管方案设计排气管分歧四冲程柴油机排气管最多联接三个气缸。（一般增压柴油机排气门开启持续角为240320CA）排气管设计定压系统：排气管容积为2倍排量。排气流速不超过50m/s。脉冲系统：每排气歧管容积为VP=(1.3-1.5)VS,第3节 排气能量的利用,3.4脉冲转换器和MSEM系统三脉冲增压系统，在较高增压时，仍为有利。（三缸共用一排气管）双脉冲增压系统，排气管数多，结构复杂。脉冲间隔角360度，中间出现一段曲轴转角涡轮入口压力较低，使涡轮效率下降。脉冲转换器（喷管与混合管）保证良好扫气充分利用脉冲能量涡轮前排气压力接近恒定，涡轮效率提高。,第3节 排气能量的利用,3.4脉冲转换器和MSEM系统脉冲转换系统优点：兼顾脉冲增压与定压增压系统的优点对于能量传递效率来说，接近脉冲系统对涡轮效率来说，接近定压系统燃烧室扫气量大，低工况性能改善涡轮流通面积小，涡轮有可能全进气，定熵效率提高。4，8，16缸，脉冲转换系统比脉冲增压系统好。,第3节 排气能量的利用,3.4脉冲转换器和MSEM系统多脉冲转换系统5、7、14缸中，出现一缸或二缸一管，排气能量传递较低各岐管接入一个较大的带有缩口的混合管中。,第3节 排气能量的利用,3.4脉冲转换器和MSEM系统MSEM系统（Modular Single Exhaust Manifold）模件式单排气总管增压系统一根排气总管，管径较定压系统小，管系尺寸小，质量轻，适用于各缸数柴油机。涡轮前压力波动小，近于定压系统，涡轮效率高排气总管直径较定压系统小，部分脉冲能量以速度形式进入总管和涡轮，能量传递效率高。60%负荷以下低工况性能接近脉冲增压系统，优于定压系统高工况性能优于脉冲而近于定压系统。,MPC：Modular Pulse Converter,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.1增压特性匹配及联合运行线的调节联合运行线,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.1增压特性匹配及联合运行线的调节涡轮增压器与柴油机配合运行的基本要求标定工况下，须达到预期增压压力和空气流量，有足够的过量空气系数，使燃烧完善；涡轮前排温、增压压力不过高；增压器转速不过高；增压器总效率要高等。低工况时，保证有一定空气量，以满足燃烧及降低热负荷要求。在整个运转范围内，不发生增压器的喘振与阻塞。,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.1增压特性匹配及联合运行线的调节联合运行线的调节涡轮喷嘴环出口面积fc的调整当涡轮喷嘴环出口通流面积减小，整个柴油机的排气阻力增加，发动机的耗气特性向小流量率方向移动。应用减小喷嘴环通流面积的办法，可使发动机运行线移向喘振线，也就是把运行线从压气机的低效率区移向高效率区的有效办法。,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.1增压特性匹配及联合运行线的调节联合运行线的调节改变压气机扩压器的进口角当扩压器的进口角减小时，发生在扩压器叶片凹部的气流脱离现象可消除，相当于喘振线移向小流量。逆时针旋转。此法在高增压比处运行线穿出喘振线时，高速有效。,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.2增压柴油机的热负荷及解决途径增压柴油机的热负荷问题压缩始温增加，造成柴油机工作循环各特征点温度提高。循环供油量增加，发热量增加损失热量增加，机油温度、水温、排温显著提高热负荷的表现形式：用排气温度表示。影响热负荷大小的主要因素扫气系数压气机出口温度工作过程合理组织,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.2增压柴油机的热负荷及解决途径降低热负荷的主要措施适当增加进、排气门叠开角每增加10CA，排温降5 高速机在50-110CA注意活塞与气门相碰,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.2增压柴油机的热负荷及解决途径降低热负荷的主要措施增大叠开期内进、排气管压力差合理设计进、排气歧管,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.2增压柴油机的热负荷及解决途径降低热负荷的主要措施增大进、排气门的时面值合理设计配气凸轮，气门快启快闭尽量扩大气门面积增加摇臂比（增加气门升程）增压中冷提高进气密度，提高功率输出改善排放NOx。,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.2增压柴油机的热负荷及解决途径降低热负荷的主要措施强化冷却系统改善机油冷却条件改善冷却系统工作条件改善供油系统和燃烧系统调整供油规律加大柱塞直径，增加孔数及孔径，适当调整凸轮型线。滞燃期内油量适中，剩余油量在速燃期内尽可能全部喷入，使燃烧上止点附近完成，后燃少。使排温降低。促进油气混合加强进气涡流，提高喷油压力等合理调整供油提前角减小提前角，对降爆压有利，但后燃加剧，排温升高。增加过量空气系数（又能改善排放）,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.3增压柴油机的机械负荷及解决途径增压柴油机的机械负荷问题用最高燃烧压力pmax和最大压力升高比表示进气压力每增加0.1MPa，pmax会增加8.68MPa（2,12,1.36）降低机械负荷的途径适当降低柴油机的压缩比压缩比每增加1，pmax增加1.2MPa,第4节 柴油机与增压器的匹配,4.3增压柴油机的机械负荷及解决途径降低机械负荷的途径适当减小供油提前角每减小1度，pmax 减小0.3MPa调整涡轮增压器适当增大喷嘴环出口面积，使出口压力降低，但影响动力性与经济性。适当增大压气机及涡轮的蜗壳，改变增压比、流量及效率圈范围。优化供油系统柱塞直径、喷孔直径与喷孔数,第4节 柴油机与增压器的匹配,低工况性能分析对于船用、特别是车用柴油机满足高速增压适量要求，低速时供气不足满足低速供气量，高速时可能增压过量,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,第4节 柴油机与增压器的匹配,改善低工况性能措施采用脉冲增压系统或MPC系统采用高工况放气增压器与柴油机按最大扭矩转速匹配。放部分排气，车用发动机中普遍采用放部分增压空气，高增压中速柴油机采用较多,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,放气阀的开启由增压压力自动控制,第4节 柴油机与增压器的匹配,改善低工况性能措施变截面涡轮增压器低速时，让喷嘴环出口面积自动减小，使流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大。高速时，让喷嘴环出口面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。车用柴油机大多采用径流涡轮增压器。为采用可变截面涡轮增压器带来方便。,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,第4节 柴油机与增压器的匹配,改善低工况性能措施采用复合谐振增压系统在50%60%标定转速时，进气系统在进气过程产生谐振，提高充量系数。转速接近标定转速时，谐振系统失效，柴油机充量系数降低，虽然增压压力较大，但充气量不会过多，限制了最大爆发压力。,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,第4节 柴油机与增压器的匹配,增压柴油机瞬态特性分析瞬态特性及要求供气量比供油量的时间滞后冒烟限制器在增压压力较低时，限制过量的柴油喷入气缸，有效限制排烟的产生。解决在变工况及低工况运行时，排烟严重问题。缺点：限制响应速度（只在一定增压压力下，供油量才增大）,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,第4节 柴油机与增压器的匹配,改善柴油机瞬态特性措施根本措施：使增压压力更快,充入气缸空气量更快增加尽量减小进气管和排气管的容积变压系统比定压系统响应速度快在低工况时，减小涡轮流通面积匹配点在低工况，使用小的涡轮增压器，高转速时，泄放涡轮前排气，（带放气阀增压器）VNT减小涡轮增压器转子的转动惯量选用内支承式涡轮增压器陶瓷涡轮转子,4.4改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,