柴油機增壓及中冷技術

關于柴油機增壓及中冷技術第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1內燃機增壓的基本知識廣義上，凡是能夠將內燃機進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大小）低增壓：pc<0.18MPa（內燃機平均有效壓力pe＝0.8～1.0MPa）；中增壓：pc＝0.18～0.25MPa（內燃機平均有效壓力pe＝0.9～1.5MPa）；高增壓：pc＝0.25～0.35MPa（內燃機平均有效壓力pe＝1.4～2.2MPa）；超高增壓：pc>0.35MPa（內燃機平均有效壓力pe>2.0MPa）。增壓的方式：恒壓、變壓（脈沖）

第2頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月恒壓渦輪增壓內燃機熱力循環(huán)等壓渦輪增壓內燃機熱力循環(huán)由123’341和燃氣輪機循環(huán)71567組成。渦輪增壓內燃機熱力循環(huán)熱效率：第3頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月變壓（脈沖）渦輪增壓內燃機熱力循環(huán)與等壓渦輪增壓熱力循環(huán)不同，變壓渦輪增壓內燃機氣體從狀態(tài)4進入變壓渦輪中排氣能量不會由于排氣管突然變粗而膨脹損失，進入變壓渦輪前氣體壓力在p4與p4’之間變化。如不計氣體流動摩擦損失，氣體在渦輪中的膨脹從開始排氣時的p4→p5到最后p1’→p5。內燃機的等容放熱過程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的等熵膨脹4→5。5→6為等壓放熱。6→1為其他在壓氣機中的等熵壓縮。第4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月內燃機增壓的優(yōu)缺點改善了發(fā)動機性能：提高了內燃機機械效率；提高了內燃機的指示熱效率；改善了燃燒過程。增加了發(fā)動機的比功率；擴大了內燃機高原適應性：有利于降低有害氣體的排放。增加了柴油機的機械負荷；增加了柴油機的熱負荷。增加了發(fā)動機的體積優(yōu)點：缺點：第5頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月內燃機增壓的類型按照實現增壓所提供的能量可分：機械增壓；廢氣渦輪增壓；氣波增壓。第6頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月康明斯增壓發(fā)動機局部解剖圖第7頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月機械增壓機械增壓增壓壓力高，壓氣機消耗的功率大。為使內燃機機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)動機低速扭矩第8頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月機械增壓的種類機械增壓所用的壓氣機除離心式壓氣機外，在車用內燃機上常用容積式壓氣機：羅茨式；螺桿式；轉子活塞式。第9頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月氣波增壓氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣體質點和壓力波的反射特性，使排氣和進氣之間進行直接的能量交換，以增大進氣密度。氣波增壓對內燃機工況反映迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速時空氣的壓縮程度高，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。第10頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓利用內燃機排氣中能量來實現增壓，比機械增壓經濟性好，比非增壓自然吸氣式內燃機燃油好率可低5%～10%。質量功率和體積功率比非自然吸氣內燃機明顯改善，因而在內燃機上得到廣泛應用。第11頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月廢氣渦輪增壓的分類廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣渦輪組成。壓氣機主要是離心式的。廢氣渦輪分：軸流式；徑流式；斜流式（混流式）。由于內燃機排氣能量利用的不同，有兩種經典的、基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月雙增壓器順序增壓多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。在低速時，使用一臺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，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2柴油機增壓、中冷新技術雙增壓器順序增壓；可變進氣道增壓器；可變噴嘴環(huán)增壓器；可變渦輪喉口截面增壓器；可變葉片增壓器；廢氣放氣增壓器；進氣回流增壓器；射流渦輪增壓器；斜流渦輪增壓器；增壓中冷技術。第14頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月雙增壓器順序增壓布置第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月雙增壓器順序增壓氣體流動與增壓效果第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變進氣道增壓器低速時使用一個進氣通道；高速時，進氣量大，使用兩個通道，可以改善增壓發(fā)動機的過渡性能。第17頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變進氣道增壓器性能第18頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變噴嘴環(huán)增壓器通過調整渦殼5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來調整渦輪流通截面。各噴嘴環(huán)1通過軸銷2固定在渦殼5上，再經傳動桿3與噴嘴控制盤4相連。轉動噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。低速時，噴嘴角度小，流通截面??；高速時噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達到壓氣機的需求。第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月變截面渦輪增壓器工作原理通過一個活閥改變噴嘴的面積，進而改變不同轉速的增壓壓力匹配。僅用一個活閥就可改變渦輪進氣截面，非常緊湊，效率偏低。日產公司射流渦輪增壓器第20頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變噴嘴環(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。隨著內燃機轉速下降，壓氣機的增壓壓力不但沒有下降，反而提升到高轉速水平，從而保證增壓內燃機的低速性能?？烧{噴嘴環(huán)用于增壓器與內燃機的高速匹配。通過可調噴嘴環(huán)改善低速性能。第21頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月變截面渦輪增壓器VGT或VNT第22頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變渦輪喉口截面增壓器1.壓氣機；2.可變喉口截面調整板；3.調整板及調整機構；4.操縱機構；5.操縱機構控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面低速高速第23頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月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入渦輪的狀態(tài)參數，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時渦輪效率將有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內燃機在低速小負荷時的需要。內燃機在高速大負荷時，可以保證渦輪在高速范圍運行，這時喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大。可變喉口截面控制板可以由電磁閥進行無級調整。第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月可變葉片增壓器可變噴嘴環(huán)技術類似，通過壓氣機結構（葉片角度）的變化，來調整增壓壓力與發(fā)動機轉速負荷的匹配關系。多個可變葉片，效率高，但結構復雜，成本高、體積大。三菱多閥VG增壓器本田可變葉片增壓器第25頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月廢氣放氣增壓器車用增壓內燃機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燃機低速、小流量設計。轎車用增壓器設計轉速為內燃機標定轉速的40%左右。公共汽車、重型車用的增壓器設計轉速為內燃機標定轉速的60%左右。高速時，將會使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機爆發(fā)壓力過大，汽油機容易引起爆震。為此，設計增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。第26頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月廢氣放氣增壓器工作原理廢氣門3與增壓器2的渦輪并聯地連接在內燃機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，下部與壓氣機出口的增壓空氣相通。平時，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內燃機排氣管來的廢氣不能經閥門旁通到渦輪出口的排氣管內。一旦增壓壓力對膜片的作用超過彈簧的預緊力，廢氣門打開，一部分廢氣不經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，以實現空氣增壓壓力的自動調節(jié)。第27頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月進氣回流增壓器為避免由于負荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機出現喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機進口裝上整體式的回流閥。當進氣管壓力低于某一值時，作用在回流閥上的進氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開，壓氣機出口的空氣通過回流閥和回流通道進入壓氣機進口，以增加通過壓氣機的空氣量。第28頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月斜流渦輪增壓器第29頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月增壓中冷技術增壓空氣溫度增加，在柴油機中引起增壓條件下進氣密度減小，即在保持不變過量空氣系數下，意味著功率下降，不然需要進一步提高增壓壓力，但柴油機機械負荷又要增加。雖然氣缸內工質溫度提高有利于柴油機的燃燒，但卻使燃燒室內受熱零件的熱負荷增加，排溫過高，NOx增加。