內(nèi)燃機增壓技術.ppt

Harbin Engineering University,哈爾濱工程大學本科生專業(yè)任意選修課程 內(nèi)燃機增壓技術 課程主講：馮永明副教授 辦公地點：動力與能源工程學院動力樓903辦公室 聯(lián)系方式：,Harbin Engineering University,課程主要內(nèi)容提綱： 一、緒論（國內(nèi)外內(nèi)燃機增壓技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢） 二、渦輪增壓器和中冷器 三、排氣能量的利用與基本增壓系統(tǒng) 四、增壓對發(fā)動機熱力性能參數(shù)的影響,課程主要內(nèi)容提綱： 五、發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配 六、增壓系統(tǒng) 七、車用發(fā)動機（汽油機與柴油機）增壓技術 八、船用柴油機渦輪增壓技術 九、排放法規(guī)對內(nèi)燃機增壓技術提出的挑戰(zhàn),增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系: 四沖程增壓柴油機排氣具有較高的溫度，一般在500-650c左右。渦輪從排氣中回收的能量用于驅(qū)動壓氣機向發(fā)動機提供一定壓力、溫度、流量的新鮮空氣。經(jīng)過壓縮的空氣密度增大，增加了發(fā)動機的充量。對于中增壓以上的增壓系統(tǒng)，中間冷卻是必不可少的。 由于發(fā)動機壓縮始點壓力升高，將會導致最高爆發(fā)壓力變大、機械負荷加重，進氣溫度升高，以及循環(huán)供油量增加，最高燃燒溫度提高，發(fā)動機熱負荷增大。發(fā)動機機械負荷和熱負荷的增加往往受到材料的許用應力等條件限制，這是限制增壓度進一步提高的重要因素。 增壓系統(tǒng)熱力參數(shù)之問存在著十分復雜的關系，它們之間相互影響，彼此牽制。不過它們之間嚴格遵守質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。其內(nèi)在聯(lián)系，目前已比較清楚。,增壓對柴油機工作過程主要參數(shù)的影響：,在進氣慣性作用下，壓縮始壓 甚至有可能大于 。對四沖程增壓柴油機，一般,對機械應力有關參致的影響:,由此可見增壓后，最高爆發(fā)壓力顯著升高，導致發(fā)動機的機械負荷增加很多。,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力：,缸內(nèi)壓縮終壓：,對熱應力有關參數(shù)的影響：,在無中冷器的情況，增壓后，發(fā)動機進氣溫度為壓氣機出口溫度 ，即,如果增壓系統(tǒng)中有中冷器，則發(fā)動機進氣溫度應為中冷器出口的氣體溫度。,缸內(nèi)壓縮始溫：,缸內(nèi)壓縮終溫：,增壓后熱負荷增大，對發(fā)動機工作可靠性帶來不利影響。,平均有效壓力Pme： 作用于活塞頂上的假想的大小不變的壓力。它使活 塞移動一個行程所作的功，等于每循環(huán)所作的有效功。 Ne=iVhPmen/(30)Kw 四沖程=4，二沖程=2 i=氣缸數(shù) Vh=氣缸工作容積(L) Pme=平均有效壓力(Mpa) N=發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min) =發(fā)動機沖程數(shù) Pme 代表了單位氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。,對動力性有關參數(shù)的影響：,Power is basically a function of three things: 1、Air density - boosting 2、Swept volume 3、Engine speed,對其他有關參數(shù)的影響：,掃氣系數(shù),充量系數(shù),殘余排氣系數(shù),過量空氣系數(shù),指示熱效率,機械效率,燃油消耗率,渦輪增壓器與柴油機配合運行的基本要求： 1）在標定工況需達到預期的增壓壓力，但不能太高以免最大爆發(fā)壓力超過允許值，機械負荷太大 ； 2）需達到預期的空氣流量，有足夠的燃燒過量空氣系數(shù)，使燃燒完善，燃油消耗率滿足要求 ； 3）渦輪前排氣溫度不超過預定值，以保證氣缸熱負荷不能過高；渦輪增壓器轉(zhuǎn)速必須低于允許值，以保證渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的強度負荷安全的要求；渦輪增壓器的總效率要高，掃氣系數(shù)也具有適當?shù)拇笮?； 4）在低工況時，也必須保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求 。 5）要求在整個運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振與阻塞 。,渦輪增壓器和柴油機的聯(lián)合運行線,發(fā)動機工況：有效功率Ne和轉(zhuǎn)速n 決定了發(fā)動機的工作運行情況。發(fā)動機的工況分為點工況、線工況和面工況。 發(fā)動機速度特性：發(fā)動機節(jié)氣門開度( 或油門開度 )不變，發(fā)動機性能指標隨轉(zhuǎn)速n變化的關系。 汽油機的速度特性: 汽油機節(jié)氣門開度固定不變，汽油機性能指標隨轉(zhuǎn)速n變化的關系。 外特性(全負荷的速度特性) 節(jié)氣門全開(100%) , 測得的速度特性。 部分速度特性 節(jié)氣門固定在部分開啟位置, 測得的速度特性。,柴油機的速度特性 油量調(diào)節(jié)機械 （ 油門拉桿或齒條 ） 位置固定不動, 柴油機性能指標隨轉(zhuǎn)速n變化的關系。 外特性 （ 全負荷的速度特性 ） 油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標定功率循環(huán)油量位置時, 測得的速度特性。 部分速度特性 油調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在小于標定功率循環(huán)供油位置時, 測得的速度特性。 國家規(guī)定： 車用柴油機, 除作外特性外, 還應作標定功率的90%, 75%, 50%, 25%的部分速度特性實驗。 如：汽車爬坡或阻力變化時, 節(jié)氣門( 或油門 )開度不變, n隨外界負荷的變化而變化。外界負荷大, n, 外界負荷小, n, 這時發(fā)動機沿速度特性工作。,柴油機外特性曲線,g n g （ 油泵速度特性 ）,外特性的意義,A、B發(fā)動機的最大扭矩相同，但 A 機對應的轉(zhuǎn)速比 B 機低當外界阻力矩為R1時，A、B兩機均在n1下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當外界阻力矩增大至R2時，B機發(fā)出最大扭矩在n2B下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，此時A機則在n2A下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當外界阻力矩再增大至R3時，A機發(fā)出最大扭矩在n3A下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，而B機無法克服外界阻力矩，只能熄火。,汽油機的負荷特性 轉(zhuǎn)速n不變，汽油機的經(jīng)濟性指標隨負荷 節(jié)氣門開度變化的關系。 如: 在不換檔情況下，汽車上坡時加大油門，下坡時關小油門，而維持發(fā)動機轉(zhuǎn)速n不變，這時發(fā)動機沿負荷特性工作。 柴油機的負荷特性 轉(zhuǎn)速n不變，柴油機的經(jīng)濟性指標隨負荷 油門開度變化的關系。,柴油機的負荷特性曲線,選擇氣道、燃燒室結(jié)構(gòu), 調(diào)整燃料供給系統(tǒng), 常以負荷特性作為標準。,一般按負荷特性或螺旋槳推進特性運行時標定工況的流量為相同壓比下喘振流量的 110%-115。若按外特性，如拖船、漁船、車用等，則要高些，可達120%。,增壓器與柴油機匹配運行時，進氣管氣體壓力會有波動即增壓器出口壓力波動；或在變負荷時柴油機轉(zhuǎn)速下降太快等，都會使增壓器發(fā)生喘振，所以配合點不能離喘振線太近但離喘振線太遠，則將在低效區(qū)域運轉(zhuǎn)，并接近阻塞區(qū)域。,在發(fā)動機設計時，聯(lián)合運行線通常離喘振邊界有一定的距離，即預留一定的喘振裕度。,1.壓比；2.流量；3.帶有內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置；4.不帶內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置；5.帶有內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置的柴油機的運行特性曲線；6.不帶內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置的柴油機的運行特性曲線。,ABB TPS-F33 Turbochargers Compressor Wheel with the Recirculation Device,Compressor map with and without internal re-circulation (IRC),MAN TCR & TCA turbochargers with the IRC system (internal re-circulation),聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié):調(diào)節(jié)渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積,聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié): 改變壓氣機擴壓器的進口角,改變壓氣機特性線的辦法很多，如改變擴壓器進口角、改變?nèi)~輪出口及擴壓器進口寬度或改變導風輪進口外徑等。,調(diào)整柴油機與增壓器聯(lián)合運行線的方法有： 1）調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積：減小噴嘴環(huán)通流面積，可使發(fā)動機的運行線向喘振線移動，也就是把運行線從壓氣機的低效率區(qū)移向高效率區(qū)。 2）移動喘振線的位置，包括：a）改變擴壓器葉片進口構(gòu)造角：增加構(gòu)造角，會使喘振線向增大流量的方向移動；反之亦然。b）改變擴壓器葉片寬度等于改變擴壓器進口喉部面積：增加擴壓器喉部面積，喘振線向右移動；反之亦然。 調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積的辦法，是通過改變運行線來適應壓氣機特性，而調(diào)整擴壓器進口角的方法則是通過改變壓氣機特性線來適應運行線。,大氣環(huán)境變化對柴油機與增壓器聯(lián)合運行線的影響：,大氣環(huán)境變化對柴油機與增壓器聯(lián)合運行線的影響：,大氣環(huán)境變化對柴油機與增壓器聯(lián)合運行線的影響：,增壓柴油機的熱負荷及解決途徑：,增壓柴油機的熱負荷表現(xiàn)形式很多，但比較集中地反映在排氣溫度上，一般以排氣溫度來表征增壓柴油機的熱負荷。,降低柴油機熱負荷應當增加掃氣系數(shù)、降低壓氣機出口溫度、合理組織工作過程，具體措施有： 1）適當增大進、排氣門疊開角； 2）增大疊開期內(nèi)的進、排氣管壓力差，包括合理設計進氣管，合理設計排氣管； 3）增大進、排氣門的時間截面，包括合理設計配氣凸輪，盡量擴大近排氣門的面積，增加搖臂比； 4）增壓中冷； 5）強化冷卻系統(tǒng)，包括改善機油冷卻條件，改善冷卻系統(tǒng)工作條件，中速機鉆孔冷卻缸套上部及缸蓋； 6）改善供油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)，包括調(diào)整供油規(guī)律，促進燃燒室中的油氣混合，合理調(diào)整供油提前角，增加過量空氣系數(shù)。,增壓柴油機的機械負荷及解決途徑,降低機械負荷的主要措施：1）適當降低柴油機的壓縮比；2）適當減小供油提前角；3）調(diào)整渦輪增壓器；4）優(yōu)化供油系統(tǒng)。,柴油機的機械負荷是由最高燃燒壓力 和最大壓力升高比 來反映的。由于壓力升高比不便測量，故通常以最高燃燒壓力力表征。,改善增壓柴油機低工況及瞬態(tài)特性的途徑,增壓柴油機低工況性能分析,根據(jù)柴油機的工作性能指標可得到如下關系：,改善增壓柴油機低工況性能的措施： 隨著增壓柴油機強化程度的不斷提高，增壓柴油機低工況燃燒過量空氣不足的問題愈加突出。由于低工況時排氣能量不足，渦輪增壓器工作效率較低，使得整機效率不高，進氣量不足，燃燒不充分，從而使得高增壓柴油機的低工況性能不好，使發(fā)動機低速時的輸出轉(zhuǎn)矩受到影響。 1）采用脈沖增壓系統(tǒng)或MPC系統(tǒng)； 2）采用高工況放氣； 3）采用低工況進、排氣旁通； 4）采用變截面渦輪