第四章柴油機(jī)增壓及中冷技術(shù)

4.2柴油機(jī)增壓、中冷4.2.1內(nèi)燃機(jī)增壓的基本知識(shí)4.2.2柴油機(jī)增壓、中冷4.2.1內(nèi)燃機(jī)增壓的基本知識(shí)廣義上，凡是能夠?qū)?nèi)燃機(jī)進(jìn)氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法，都稱為增壓。增壓的范圍（按增壓壓力pc大?。┑驮鰤海簆c<0.18MPa（內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力pe＝0.8～1.0MPa）；中增壓：pc＝0.18～0.25MPa（內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力pe＝0.9～1.5MPa）；高增壓：pc＝0.25～0.35MPa（內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力pe＝1.4～2.2MPa）；超高增壓：pc>0.35MPa（內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力pe>2.0MPa）。增壓的方式：恒壓、變壓（脈沖）

恒壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)等壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)由123’341和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)71567組成。渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)熱效率：變壓（脈沖）渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)與等壓渦輪增壓熱力循環(huán)不同，變壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)氣體從狀態(tài)4進(jìn)入變壓渦輪中排氣能量不會(huì)由于排氣管突然變粗而膨脹損失，進(jìn)入變壓渦輪前氣體壓力在p4與p4’之間變化。如不計(jì)氣體流動(dòng)摩擦損失，氣體在渦輪中的膨脹從開始排氣時(shí)的p4→p5到最后p1’→p5。內(nèi)燃機(jī)的等容放熱過程4→1可看成為渦輪的等容加熱過程1→4，然后為氣體在渦輪內(nèi)的等熵膨脹4→5。5→6為等壓放熱。6→1為其他在壓氣機(jī)中的等熵壓縮。內(nèi)燃機(jī)增壓的優(yōu)缺點(diǎn)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能：提高了內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率；提高了內(nèi)燃機(jī)的指示熱效率；改善了燃燒過程。增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率；擴(kuò)大了內(nèi)燃機(jī)高原適應(yīng)性：有利于降低有害氣體的排放。增加了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷；增加了柴油機(jī)的熱負(fù)荷。增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：內(nèi)燃機(jī)增壓的類型按照實(shí)現(xiàn)增壓所提供的能量可分：機(jī)械增壓；廢氣渦輪增壓；氣波增壓?？得魉乖鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)局部解剖圖機(jī)械增壓機(jī)械增壓增壓壓力高，壓氣機(jī)消耗的功率大。為使內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率不要過分下降，增壓壓力不能過高。主要用途：提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩機(jī)械增壓的種類機(jī)械增壓所用的壓氣機(jī)除離心式壓氣機(jī)外，在車用內(nèi)燃機(jī)上常用容積式壓氣機(jī)：羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式。氣波增壓氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣體質(zhì)點(diǎn)和壓力波的反射特性，使排氣和進(jìn)氣之間進(jìn)行直接的能量交換，以增大進(jìn)氣密度。氣波增壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況反映迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速時(shí)空氣的壓縮程度高，低速扭矩好。工作溫度低，不需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機(jī)排氣中能量來實(shí)現(xiàn)增壓，比機(jī)械增壓經(jīng)濟(jì)性好，比非增壓自然吸氣式內(nèi)燃機(jī)燃油好率可低5%～10%。質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸氣內(nèi)燃機(jī)明顯改善，因而在內(nèi)燃機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。廢氣渦輪增壓的分類廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)和廢氣渦輪組成。壓氣機(jī)主要是離心式的。廢氣渦輪分：軸流式；徑流式；斜流式（混流式）。由于內(nèi)燃機(jī)排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。雙增壓器順序增壓多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上使用兩臺(tái)增壓器。在低速時(shí)，使用一臺(tái)增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反映性能。在中高速時(shí)，使用兩臺(tái)增壓器以保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出。4.2.2柴油機(jī)增壓、中冷新技術(shù)雙增壓器順序增壓；可變進(jìn)氣道增壓器；可變噴嘴環(huán)增壓器；可變渦輪喉口截面增壓器；可變?nèi)~片增壓器；廢氣放氣增壓器；進(jìn)氣回流增壓器；射流渦輪增壓器；斜流渦輪增壓器；增壓中冷技術(shù)。雙增壓器順序增壓布置雙增壓器順序增壓氣體流動(dòng)與增壓效果可變進(jìn)氣道增壓器低速時(shí)使用一個(gè)進(jìn)氣通道；高速時(shí)，進(jìn)氣量大，使用兩個(gè)通道，可以改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的過渡性能?？勺冞M(jìn)氣道增壓器性能可變噴嘴環(huán)增壓器通過調(diào)整渦殼5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來調(diào)整渦輪流通截面。各噴嘴環(huán)1通過軸銷2固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動(dòng)桿3與噴嘴控制盤4相連。轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。低速時(shí)，噴嘴角度小，流通截面??；高速時(shí)噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達(dá)到壓氣機(jī)的需求。變截面渦輪增壓器工作原理通過一個(gè)活閥改變噴嘴的面積，進(jìn)而改變不同轉(zhuǎn)速的增壓壓力匹配。僅用一個(gè)活閥就可改變渦輪進(jìn)氣截面，非常緊湊，效率偏低。日產(chǎn)公司射流渦輪增壓器可變噴嘴環(huán)增壓器特性左圖中①～④是噴嘴環(huán)角度以此減小的情況。隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下降，壓氣機(jī)的增壓壓力不但沒有下降，反而提升到高轉(zhuǎn)速水平，從而保證增壓內(nèi)燃機(jī)的低速性能?？烧{(diào)噴嘴環(huán)用于增壓器與內(nèi)燃機(jī)的高速匹配。通過可調(diào)噴嘴環(huán)改善低速性能。變截面渦輪增壓器VGT或VNT可變渦輪喉口截面增壓器1.壓氣機(jī)；2.可變喉口截面調(diào)整板；3.調(diào)整板及調(diào)整機(jī)構(gòu)；4.操縱機(jī)構(gòu)；5.操縱機(jī)構(gòu)控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面低速高速可變渦輪喉口截面增壓器工作原理可變渦輪喉口截面增壓器是再廢氣量不變的情況下改變進(jìn)入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進(jìn)入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時(shí)渦輪效率將有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內(nèi)燃機(jī)在低速小負(fù)荷時(shí)的需要。內(nèi)燃機(jī)在高速大負(fù)荷時(shí)，可以保證渦輪在高速范圍運(yùn)行，這時(shí)喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大?？勺兒砜诮孛婵刂瓢蹇梢杂呻姶砰y進(jìn)行無級(jí)調(diào)整?？勺?nèi)~片增壓器可變噴嘴環(huán)技術(shù)類似，通過壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)（葉片角度）的變化，來調(diào)整增壓壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷的匹配關(guān)系。多個(gè)可變?nèi)~片，效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高、體積大。三菱多閥VG增壓器本田可變?nèi)~片增壓器廢氣放氣增壓器車用增壓內(nèi)燃機(jī)為獲得低速大扭矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內(nèi)燃機(jī)低速、小流量設(shè)計(jì)。轎車用增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的40%左右。公共汽車、重型車用的增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的60%左右。高速時(shí)，將會(huì)使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機(jī)爆發(fā)壓力過大，汽油機(jī)容易引起爆震。為此，設(shè)計(jì)增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時(shí)將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。廢氣放氣增壓器工作原理廢氣門3與增壓器2的渦輪并聯(lián)地連接在內(nèi)燃機(jī)1的排氣管上。廢氣門的閥門固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機(jī)出口的增壓空氣相通。平時(shí)，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內(nèi)燃機(jī)排氣管來的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內(nèi)。一旦增壓壓力對(duì)膜片的作用超過彈簧的預(yù)緊力，廢氣門打開，一部分廢氣不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回落，以實(shí)現(xiàn)空氣增壓壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。進(jìn)氣回流增壓器為避免由于負(fù)荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口裝上整體式的回流閥。當(dāng)進(jìn)氣管壓力低于某一值時(shí)，作用在回流閥上的進(jìn)氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機(jī)出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開，壓氣機(jī)出口的空氣通過回流閥和回流通道進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口，以增加通過壓氣機(jī)的空氣量。斜流渦輪增壓器增壓中冷技術(shù)增壓空氣溫度增加，在柴油機(jī)中引起增壓條件下進(jìn)氣密度減小，即在保持不變過量空氣系數(shù)下，意味著功率下降，不然需要進(jìn)一步提高增壓壓力，但柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷又要增加。雖然氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度提高有利于柴油機(jī)的燃燒，但卻使燃燒室內(nèi)受熱零件的熱負(fù)荷增加，排溫過高，NOx增加。汽油機(jī)中增壓溫度升高，除與柴油機(jī)一樣功率下降外，最主要的是爆震傾向增加。一般，當(dāng)增壓空氣的壓力超過0.15MPa時(shí)，就值得采用中冷。解決空氣溫度過高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的空氣。增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢氣溫度約可降低20K，燃油消耗率可減少3g/kW.h。增壓中冷方案閉式空－水中冷：中冷器中冷卻介質(zhì)采用內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。該方案結(jié)構(gòu)與布置簡(jiǎn)單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。分開式空－水中冷：中冷器采用獨(dú)立