柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配

1、第八章第八章 渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配渦輪增壓器：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)：往復(fù)式機(jī)械q 1.與內(nèi)燃機(jī)匹配的渦輪增壓器要求：與內(nèi)燃機(jī)匹配的渦輪增壓器要求：（1）滿足內(nèi)燃機(jī)所需的增壓壓力和空氣流量；（2）穩(wěn)定工作，不發(fā)生喘振或堵塞（3）聯(lián)合運(yùn)行線穿過壓氣機(jī)高效區(qū)（平行）；（4）渦輪增壓器可靠工作，不超速，不超溫。q 2. 內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓的匹配內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓的匹配內(nèi)容 內(nèi)燃機(jī)與壓氣機(jī)； 內(nèi)燃機(jī)與渦輪； 壓氣機(jī)與渦輪 2.1 2.1 壓氣機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的匹配壓氣機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的匹配30103600eesN gLm000ccccpRTpRT321060hvscV nmi v 發(fā)動(dòng)機(jī)與壓

2、氣機(jī)良好匹配特征：發(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)良好匹配特征： 效率：效率：內(nèi)燃機(jī)特性線穿過壓氣機(jī)的高效區(qū)，且最好使內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行線與壓氣機(jī)等效線相平行， 喘振裕度：喘振裕度：應(yīng)防止內(nèi)燃機(jī)耗氣特性線處于壓氣機(jī)的低效區(qū)或過于接近喘振線，甚至穿過喘振線，一般要求內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的耗氣特性線離開喘振線的距離約為10%的喘振流量。良好匹配的良好匹配的MAP圖是什么樣子？圖是什么樣子？ 2.2 2.2 渦輪與內(nèi)燃機(jī)的匹配渦輪與內(nèi)燃機(jī)的匹配v 渦輪功率與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、壓力直接相關(guān)011(1)TpTadkkWC Tv 內(nèi)燃機(jī)與渦輪匹配是否良好主要看渦輪流通能內(nèi)燃機(jī)與渦輪匹配是否良好主要看渦輪流通能力的選擇是否合適：力的選擇是否

3、合適： 渦輪流通特性線上標(biāo)上內(nèi)燃機(jī)工作特性線，如果內(nèi)燃機(jī)工作線偏離該型號(hào)渦輪的流通特性線，則選擇較大型號(hào)或較小型號(hào)的渦輪；如果內(nèi)燃機(jī)和渦輪二者流通特性相差不大，則可變換渦輪噴嘴環(huán)面積來改變渦輪的流通能力， 2.3 2.3 壓氣機(jī)與渦輪的匹配壓氣機(jī)與渦輪的匹配流量守恒：轉(zhuǎn)速相等：功率平衡：cTnn01TceccmmmmmL11311(1)(1)ccTTkkcpccTpTcTmkkTm C Tm C Tq 3. 渦輪增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行點(diǎn)的確定渦輪增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行點(diǎn)的確定問題：?jiǎn)栴}：如何根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況以及渦輪增壓器幾何確如何根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況以及渦輪增壓器幾何確定兩者的配合運(yùn)行點(diǎn)？定兩者的配合

4、運(yùn)行點(diǎn)？ 011011111TTkkkTTkkkTmTTmTmkTTmpkkmRTmR Tkkp 1011TTTT mkTmkRkKkkRTT 功率平衡功率平衡: :式中，脈沖渦輪功率放大系數(shù) 通過渦輪的流量： 式中，T脈沖系統(tǒng)流量縮小系數(shù)；Tm渦輪前平均燃?xì)饷芏?；T通流函數(shù)。 0111011TTkkkkTkTmkkTmppmKpmp22TmTmTTTTmTTmTTTTTmpmFR TFRT 120021TTTkkkTTTTTTmTmppkkpp渦輪流量渦輪膨脹比壓氣機(jī)壓比q 4. 渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)配合特性分析渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)配合特性分析v 渦輪增壓器與柴油機(jī)的配合特性曲線指的是二者聯(lián)渦輪

5、增壓器與柴油機(jī)的配合特性曲線指的是二者聯(lián)合運(yùn)行的工作線。合運(yùn)行的工作線。v 分析匹配優(yōu)劣的主要方法：分析匹配優(yōu)劣的主要方法： 將內(nèi)燃機(jī)耗氣特性線疊合到離心式壓氣機(jī)特性線上去，根據(jù)兩組特性線的相對(duì)位置來進(jìn)行分析研究。 什么是內(nèi)燃機(jī)耗氣特性線？ 渦輪增壓器與柴油機(jī)的配合特性線渦輪增壓器與柴油機(jī)的配合特性線1柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的等轉(zhuǎn)速線；2柴油機(jī)最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行線；3柴油機(jī)外特性線；4柴油機(jī)按螺旋槳特性工作的運(yùn)行線 曲線1是柴油機(jī)以標(biāo)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的等轉(zhuǎn)速線。柴油機(jī)在這個(gè)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增大，廢氣能量增加nTkkpz；柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)的pemax受到nTkmax、pz和TTmax的限制。 曲線2是柴

6、油機(jī)最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行線。這時(shí)廢氣能量很小，所以k和mk都較小。Pe受到排氣冒煙極限的限制，而且pe運(yùn)行線愈接近喘振線，此時(shí)應(yīng)防止其穿過喘振線而落入不穩(wěn)定工作區(qū)。曲線3是柴油機(jī)外特性線。這時(shí)保持噴油量為最大值，隨著nmTk、pk，循環(huán)供油量仍保持最大值，故排溫TT較高，nTk和pk下降相對(duì)地較緩慢，故nmk。此時(shí)運(yùn)行線易穿過喘振線。 曲線4是按螺旋槳特性工作的運(yùn)行線。它處于外特性運(yùn)行線3和等轉(zhuǎn)速運(yùn)行線1之間。渦輪增壓柴油機(jī)的“傘形”運(yùn)行范圍 p一個(gè)好的匹配需要滿足以下要求n性能好的低速轉(zhuǎn)矩好的外特性油耗（BSFC）排煙小排放好加速性好n高海拔裕量增壓器不超速增壓器不過熱n滿足機(jī)械方面的要求滿足所有工

7、況下的轉(zhuǎn)速、葉輪效率和溫度限制滿足增壓度要求和整體密封性要求性能轉(zhuǎn)速v 匹配結(jié)果評(píng)價(jià)q 5. 渦輪增壓器與柴油機(jī)配合特性線的調(diào)整 (1) 壓氣機(jī)喘振的調(diào)整壓氣機(jī)喘振的調(diào)整 增壓器和柴油機(jī)的流量不匹配，增壓器的流量偏大：增壓器和柴油機(jī)的流量不匹配，增壓器的流量偏大：可選小一點(diǎn)型號(hào)的渦輪增壓器，使運(yùn)行線脫離喘振線； 壓氣機(jī)和渦輪不匹配，壓氣機(jī)通流能力過大或渦輪壓氣機(jī)和渦輪不匹配，壓氣機(jī)通流能力過大或渦輪通流能力過小，致使壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)：通流能力過小，致使壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)：a. 加大渦輪噴嘴環(huán)喉口面積或動(dòng)葉喉口面積 b. 減小壓氣機(jī)喘振流量渦輪噴嘴變化 柴油機(jī)方面的原因引起壓氣機(jī)喘

8、振。如掃氣箱容積過小，其中壓力波動(dòng)過大；壓氣機(jī)輸氣管、中冷器、柴油機(jī)通流部分或渦輪進(jìn)氣管的阻力過大等等，都可能引起運(yùn)行線穿越喘振線。用箭頭符號(hào)表示比正常值偏高()或偏低()。a. nTk、pk、pT、pT0、TT值均正常，如發(fā)生喘振，可能是壓氣機(jī)和渦輪匹配不當(dāng)，即壓氣機(jī)喘振流量太大或渦輪的通流能力太小。測(cè)取mk值，利用壓氣機(jī)特性線即可區(qū)分是壓氣機(jī)還是渦輪方面的原因造成喘振。b. pk, ps, pT, TT,喘振可能是壓氣機(jī)污染、結(jié)垢后，流動(dòng)阻力增加等引起的。c. (pspT), pT, TT,發(fā)生喘振的原因可能是柴油機(jī)通流部分阻力過大或有漏泄。d. (pkps), pT, TT，喘振可能是中

9、冷器阻力過大引起的 （2）渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力的調(diào)整）渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力的調(diào)整pknTk，因此，nk和pk的調(diào)整方法一致：a. 減小渦輪噴嘴環(huán)面積，使渦輪前燃?xì)饽芰吭跍u輪中的焓減小渦輪噴嘴環(huán)面積，使渦輪前燃?xì)饽芰吭跍u輪中的焓降增加；降增加；b. 廢氣旁通閥；廢氣旁通閥；c.c. 在壓氣機(jī)出口旁通高壓氣體。在壓氣機(jī)出口旁通高壓氣體。廢氣旁通閥結(jié)構(gòu)廢氣旁通閥結(jié)構(gòu) spring force彈力調(diào)節(jié)器空氣壓力調(diào)節(jié)器空氣壓力廢氣壓力廢氣壓力排氣歧管或渦殼進(jìn)氣通道可變幾何噴結(jié)構(gòu)可變幾何噴結(jié)構(gòu)有葉噴嘴變截面渦輪示意圖有葉噴嘴變截面渦輪示意圖 (3) 渦輪前燃?xì)鉁囟鹊恼{(diào)整渦輪前燃?xì)鉁囟鹊恼{(diào)整TT 渦

10、輪前的燃?xì)鉁囟萒T是廢氣能量大小的重要標(biāo)志，若TT過低，則能量不足；若TT過高，會(huì)燒壞渦輪葉片。 減小渦輪噴嘴環(huán)截面積； 減少掃氣重疊角，降低掃氣效果； 增加循環(huán)供油量，延長(zhǎng)供油持續(xù)時(shí)間，減小供油提前角增加后燃持續(xù)期；q 6. 增壓柴油機(jī)的熱負(fù)荷及解決途徑（1）增壓柴油機(jī)的熱負(fù)荷問題 增壓后，壓氣機(jī)出口溫度升高： 增壓比為1.61.7時(shí)，約為100 增壓比為2.5時(shí)，約為140160 壓縮始溫的增加，造成柴油機(jī)工作循環(huán)各特征點(diǎn)溫度提高，排溫升高，缸蓋“鼻梁”區(qū)開裂，活塞環(huán)燒結(jié)，卡死、活塞熱裂、渦輪轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷過大損壞等 試估算壓縮溫度：壓比為2.5，效率為0.8，環(huán)境溫度為約27度（2 2）降低

11、熱負(fù)荷的主要措施）降低熱負(fù)荷的主要措施 a. 適當(dāng)增大進(jìn)、排氣門重疊角 b. 增大疊開期內(nèi)的進(jìn)、排氣壓差： c. 合理設(shè)計(jì)配氣凸輪；擴(kuò)大進(jìn)排氣門面積； d. 增壓中冷； e. 強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)： 改善冷卻系統(tǒng)工作條件：水泵流量、轉(zhuǎn)速；散熱器散熱面積；風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速；風(fēng)扇葉片角等；f. 改善供油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)，保證燃燒在上止點(diǎn)附近完成，使燃燒效率較高，后燃較少，排氣溫度低 q 7. 增壓柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷及解決途徑（1 1） 增壓柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷問題增壓柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷問題 柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷是由最高燃燒壓力pemax和最大壓力升高比來反映 最高燃燒壓力pemax和壓氣機(jī)出口壓力關(guān)系式： pemax=n

12、 pb 為壓力升高比，一般1.32.2，如果取=2，16，n1.36，則pmax86.8 pb增壓后最高燃燒壓力將顯著增大增壓后最高燃燒壓力將顯著增大!（2 2） 降低機(jī)械負(fù)荷的途徑：降低機(jī)械負(fù)荷的途徑： a. 適當(dāng)降低壓縮比； b. 調(diào)整渦輪增壓器： c. 適當(dāng)減小供油提前角： d. 優(yōu)化供油系統(tǒng)： pemax=n pbq 8. 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性(1)扭矩系數(shù)Jm是發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩Me,max和額定扭矩Me的比值，即：Jm=Me,max/ Me 目前增壓機(jī)Jm=1.151.30左右，和非增壓機(jī)大致相當(dāng)。 (2) 轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)Jn：發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne和最大扭矩轉(zhuǎn)速nme,max的比值，即

13、Jn = ne / nme,max。 (3) 扭矩適應(yīng)性系數(shù)J是扭矩系數(shù)Jm與轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)Jn的乘積，即：J = Jm * Jn， 扭矩適應(yīng)系數(shù)值愈高，則發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性愈好，表示發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的扭矩特性，提高了車輛的機(jī)動(dòng)性能； 目前，一般車用柴油機(jī)渦輪增壓后，其最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速要比非增壓時(shí)有所增加，也即轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)降低 ( (2) ) 影響扭矩特性的主要因素影響扭矩特性的主要因素a.a.平均有效壓力平均有效壓力p pe e 在同一臺(tái)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上，pe值低，即強(qiáng)化水平低，則值高時(shí)，Jm值增加；反之，pe增加，下降，Jm值減小。 b. b.增壓壓力增壓壓力pkpk 在pe相同的情況

14、下，選擇的pk值愈高，增加，則Jm的值也愈大。 c.c.渦輪增壓器效率渦輪增壓器效率Tk Tk 渦輪增壓效率Tk愈高，則Jm的值也愈高。因?yàn)門k高時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)可得到較高的pk值和較大的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣壓差，從而可保證較高的扭矩。d.d.設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇 渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配時(shí)，如選擇高速配合，即選擇發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，則在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩處的pk值會(huì)下降過多，扭矩特性顯著變壞； 如選擇低速配合，即選擇發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)點(diǎn)，則可保證低速時(shí)具有較高pk值，但發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)pk過高，增壓器將出現(xiàn)超速。 實(shí)際選擇的設(shè)計(jì)點(diǎn)往往是在上述二者之間，一般推薦的設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速為nD=(0

15、.60.8)ne(額定轉(zhuǎn)速)。 e. e. 氣缸數(shù)的影響氣缸數(shù)的影響 同一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)，12缸機(jī)比8缸機(jī)的扭矩特性好，6缸機(jī)的比4缸機(jī)的Jm要高些，這是3缸連接一根排氣管時(shí)，脈沖能量利用較好的緣故。f. f. 增壓方式增壓方式 一般來說，脈沖增壓比定壓增壓的扭矩特性要好些，這是因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，脈沖能量的利用程度提高。g. g. 燃燒室型式燃燒室型式 渦輪增壓柴油機(jī)采用直噴式燃燒室的扭矩特性較好，半開式燃燒室次之，而球形燃燒室的較差。 (4) (4) 提高渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的途徑提高渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的途徑 采用脈沖增壓系統(tǒng)或MPC系統(tǒng)； 采用小型高效率的徑流渦輪增壓器，以最大扭矩點(diǎn)作為增壓器

16、的設(shè)計(jì)點(diǎn)，使最大扭矩點(diǎn)落在壓氣機(jī)高效區(qū)內(nèi)； 采用渦輪增壓器的調(diào)節(jié)方法，可有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩性能。一般在柴油機(jī)上采用可變截面噴嘴環(huán)的渦輪，而在汽油機(jī)上普遍采用排氣旁通放氣方法，高工況放氣。 改進(jìn)供油特性：使柴油機(jī)從額定點(diǎn)到最大扭矩點(diǎn)之間，隨轉(zhuǎn)速的降低而加大每循環(huán)的供油量；q 9. 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性(1) (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速性較差的原因： 渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間僅存在氣路聯(lián)系而無機(jī)械聯(lián)接，使發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過程中渦輪增壓器的響應(yīng)不可避免地存在一定的滯后 (2) (2) 改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能的途徑改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能的途徑 改善加速性能除了上述4點(diǎn)外，

17、還有： 1 1） 采用可調(diào)渦輪增壓器采用可調(diào)渦輪增壓器 可變截面渦輪(包括可調(diào)噴嘴環(huán))，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)加速性和經(jīng)濟(jì)性； 2 2） 向壓氣機(jī)葉輪噴射壓縮空氣向壓氣機(jī)葉輪噴射壓縮空氣 利用車上的高壓氣源，在加速時(shí)通過壓氣機(jī)蝸殼上均勻分布的噴嘴向壓氣機(jī)葉輪噴射壓縮空氣； 3 3） 減小渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量q 10. 車用汽油機(jī)渦輪增壓(一一) 汽油機(jī)渦輪增壓的主要技術(shù)障礙汽油機(jī)渦輪增壓的主要技術(shù)障礙1）汽油機(jī)增壓后爆燃傾向增加）汽油機(jī)增壓后爆燃傾向增加2）增壓后汽油機(jī)和渦輪增壓器熱負(fù)荷大）增壓后汽油機(jī)和渦輪增壓器熱負(fù)荷大3）汽油機(jī)，轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，致使）汽油機(jī)，轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機(jī)的匹配相當(dāng)困難渦輪增壓器與汽油機(jī)的匹配相當(dāng)困難4）渦輪增壓汽油機(jī)的加速性較差）渦輪增壓汽油機(jī)的加速性較差pk轉(zhuǎn)速極限Gk喘振線載重車用柴油機(jī)載重車用柴油機(jī)轎車用柴油機(jī)轎車用柴油機(jī)轎車用汽油機(jī)轎車用汽油機(jī)2500rpm1000rpm1000rpm4200rpm10006500rpm雖壓比要求降低，但穩(wěn)定運(yùn)行范圍