發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配

1、1,第六章發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配,渦輪增壓技術(shù),2,發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配, 引言 柴油機與渦輪增壓器的流量特性 發(fā)動機與渦輪增壓器匹配的基本算法 發(fā)動機與渦輪增壓器匹配的試驗法 增壓中冷 增壓器的調(diào)節(jié),3,引言,由于往復(fù)式機械的空氣質(zhì)量流量的范圍很寬，故非增壓柴油發(fā)動機有效速度范圍也是很寬的。 而渦輪機械的只有在設(shè)計流量時，氣流角度才能與渦輪機械各部分葉片結(jié)構(gòu)角度相適應(yīng)。如果流量偏離設(shè)計點，就會出現(xiàn)由于氣流的分離所造成的傾角損失。這些損失將隨著傾角偏差的增大而增長，因此，渦輪機械不可能充分適應(yīng)柴油機寬流量范圍運行的要求。但是另一方面，渦輪機械的設(shè)計參考點效率較高，小的結(jié)構(gòu)尺寸下卻可通過較

2、高質(zhì)量比流量的流體，所以把它們用作增壓器。,-柴油機與增壓器的流動特點,4,引言,特性曲線形狀完全不同的渦輪機械和往復(fù)式機械聯(lián)合起來運行，必須要進(jìn)行非常周密細(xì)致的工作。 對于幾何參數(shù)不可變的增壓器來說，渦輪增壓器僅和發(fā)動機在運行范圍內(nèi)的某個特定參考點有最優(yōu)匹配。如果發(fā)動機要求在很寬的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)運行，在匹配渦輪增壓器時，就要選擇一種折衷的方案，該方案應(yīng)能使發(fā)動機在最重要的點達(dá)到最優(yōu)匹配，在其它點達(dá)到比較合適的匹配。,-柴油機與增壓器的匹配特點(1),5,引言,為了改善匹配性能，除優(yōu)化增壓器的設(shè)計參數(shù)外，還要改變發(fā)動機的設(shè)計。這類改變包括燃油噴射系統(tǒng)的調(diào)整、氣門流通面積及配氣正時的改變等。

3、一般而言，轉(zhuǎn)速范圍窄且增壓程度低的柴油機與廢氣渦輪增壓器匹配良好相對容易些，但是對于高轉(zhuǎn)速發(fā)動機和增壓程度較高的發(fā)動機，匹配問題就比較復(fù)雜。有時為獲得良好的匹配，不得不采用較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如旁通放氣閥、可變噴嘴渦輪等。,-柴油機與增壓器的匹配特點(2),6,引言,渦輪增壓器基本尺寸的大小由發(fā)動機要求的進(jìn)氣量決定。進(jìn)氣量又是各種參數(shù)，如氣缸排量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣管中的空氣密度，容積效率以及掃氣流量等的函數(shù)。 在不考慮掃氣的情況下，四沖程發(fā)動機的進(jìn)氣流量的計算公式如下所示。 從上述公式可以清楚地看出，通過增壓或者增壓中冷，增加發(fā)動機的進(jìn)氣密度是增加發(fā)動機進(jìn)氣量的有效辦法。,-柴油機與增壓器的匹配特點(3)

4、,7,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,如果發(fā)動機在定轉(zhuǎn)速下運行并平穩(wěn)地增加負(fù)荷，那么，空氣質(zhì)量流量將近似地隨著充氣密度的增加而增加。進(jìn)入發(fā)動機的氣流特性曲線可以與渦輪增壓器的壓氣機特性曲線疊繪在一起，曲線的斜率取決于氣流密度。,-(1),8,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，空氣流速隨著增加，而渦輪增壓器的渦輪有效流通面積幾乎保持不變，所以渦輪的進(jìn)氣壓力將上升，渦輪功增加，增壓器轉(zhuǎn)速增加，壓氣機的出口壓力也隨著增加了。這樣一來，發(fā)動機的等負(fù)荷線將不處于壓氣機特性曲線圖中的水平位置，而是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而向上傾斜。 類似的道理等轉(zhuǎn)速線向右傾斜。,-(2),9,柴油機與渦輪增壓

5、器的流量特性,如果要了解發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)運行的情況，那么可將發(fā)動機運行范圍的等速和等負(fù)荷線繪制在壓氣機特性曲線中。發(fā)動機的整個特性曲線必須處在壓氣機的喘振邊界、低效率邊界和增壓器的超速邊界之間。,-(3),10,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,壓氣機的喘振邊界與發(fā)動機運行線最接近點間的間隔余量的確定必須充分考慮下面三個因素：1)雖然平均流量的位置并不接觸特定的喘振線，但由于進(jìn)氣系統(tǒng)中的脈動，很可能誘發(fā)喘振。2)如果空氣濾清器在使用中嚴(yán)重阻塞，流入發(fā)動機的空氣流量將減少，混合氣變濃，渦輪前溫度升高，所以增壓壓力不可能下降，因此，發(fā)動機運行線就會向喘振線方向少許移動。3)如果發(fā)動機在高原

6、運行，由于高原運行時，壓氣機壓比代償性上升，其運行線將向喘振線方向作較多的移動。,-(4),11,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,就一般情況而言，壓氣機喘振線與發(fā)動機運行線最近點的間隔余量最少應(yīng)為10%。對氣缸數(shù)較少的發(fā)動機，某些時刻要求此間隔余量為20%。,-(5),12,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,渦輪增壓器的渦輪能有效地在比壓氣機寬得多的質(zhì)量流量范圍下運行。所以一般不將發(fā)動機的耗氣特性繪在渦輪流量特性上。 還有另外一個問題就是，如果渦輪運行在氣流極不穩(wěn)定的脈沖系統(tǒng)中，那么把發(fā)動機氣流的“平均”流量繪制在渦輪特性曲線圖上將不能反映真實的情況，會使人產(chǎn)生很大的誤解。而要精確的測定發(fā)動機在渦輪

7、特性曲線圖上的運行區(qū)域，就要求在發(fā)動機運行條件下的整個范圍內(nèi)繪制廢氣流量和膨脹比的瞬時值曲線，而要想精確的測量這些瞬時數(shù)據(jù)是非常困難的。,-(6),13,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,渦輪的噴嘴環(huán)或渦殼控制著渦輪的有效流通面積。因此，渦輪的有效流通面積的改變是可以通過調(diào)整上述的元件來實現(xiàn)的。,-(7),14,柴油機與渦輪增壓器的流量特性,如果減小渦輪的流通面積，那么壓氣機的出口壓力和質(zhì)量比流量將增大，由于充氣溫度也跟著上升，所以增壓壓力上升的比例較空氣質(zhì)量比流量上升比例要大。 當(dāng)然，如果渦輪流通面積本來就比較小，那么繼續(xù)減小流通面積會造成堵塞，會使空氣流量反而下降。,-(8),15,柴油機與渦

8、輪增壓器匹配,步驟： 從考慮柴油機的燃燒和熱負(fù)荷出發(fā)，定下渦輪前的廢氣溫度tt，根據(jù)能量平衡式，即輸入的能量和輸出的能量相等，列出進(jìn)氣量和排氣溫度的關(guān)系。根據(jù)tt定出空氣流量gs。 在進(jìn)氣流量確定后，根據(jù)充氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及氣缸容積確定增壓壓力的大小ps。 進(jìn)氣流量和增壓壓力確定后，根據(jù)渦輪增壓器的功率平衡，可以確定渦輪前壓力pt。,-基本算法(1),目的：估計增壓器的空氣流量和增壓壓力等參數(shù)，初選渦輪增壓器，為試驗選型做好準(zhǔn)備。,16,柴油機與渦輪增壓器匹配,在廢氣流量、渦輪前廢氣壓力和渦輪前溫度都確定后，就可以估算出渦輪的通流面積。到此為止，也就完成了整個增壓器的估算過程。,-

9、基本算法(2),17,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,將發(fā)動機的耗氣特性與壓氣機特性重合起來，方可判斷壓氣機是否經(jīng)常在最高效率區(qū)內(nèi)運轉(zhuǎn)。 重型車用發(fā)動機與壓氣機匹配的要求是：1)發(fā)動機最大扭矩點處在壓氣機的最高效率區(qū)。2)發(fā)動機的外特性處在壓氣機效率較高的區(qū)域。3)在發(fā)動機部分負(fù)荷工作時，壓氣機的工作區(qū)域絕大部分其絕熱效率高于65%。,-試驗法(1),18,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,有時為達(dá)到特殊的目的，也會對上述原則進(jìn)行調(diào)整。 左圖所示為照顧低速性能的匹配方法。 需要確定,-試驗法(2),19,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,一般很少將發(fā)動機耗氣特性畫在渦輪特性上。 如果要疊畫在一起，判斷的準(zhǔn)則是：渦輪最高效

10、率區(qū)處于發(fā)動機的低速工作區(qū)；渦輪特性線在等膨脹比下比較平坦；自循環(huán)工作線貫穿渦輪的高效率區(qū)；發(fā)動機整個運轉(zhuǎn)區(qū)域，都在渦輪無因次轉(zhuǎn)速1.0以下。,-試驗法(3),20,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,匹配實例 發(fā)動機與壓氣機匹配不合適。,-試驗法(4),21,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,如左所示的2、3兩種葉輪都是在葉輪1的基礎(chǔ)上修改得到的，匹配的是同一種無葉擴(kuò)壓器和集氣器。 1 2 3葉輪進(jìn)口直徑 43 39 35葉輪出口寬度 4.3 3.6 3.0單位：mm,-試驗法(5),22,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,如果發(fā)動機的外特性線處于壓氣機特性線圖中偏低的位置，則可用改變渦輪噴嘴環(huán)的最小截面積的方法來改善兩者

11、的配合。當(dāng)截面積變小時，發(fā)動機的排氣壓力增高，可驅(qū)使渦輪更快帶動壓氣機運轉(zhuǎn)。這就使得壓氣機的壓比增加，從而增加了進(jìn)氣密度、流量。 還應(yīng)注意：若渦輪的最小截面積原來就較小，再進(jìn)一步減小其最小截面積，即使渦輪的效率基本不變，仍會由于發(fā)動機的排氣阻力有明顯的增加，使得壓氣機的匹配流量減少。,-試驗法(6),23,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,修改渦輪噴嘴環(huán)最小截面積后，渦輪特性線也會有相應(yīng)變化。圖中虛線表示減小無葉噴嘴的渦殼流通截面后，所得到的渦輪特性曲線。 在同樣膨脹比下，小截面的折合轉(zhuǎn)速要高很多，而折合流量要小很多。,-試驗法(7),24,發(fā)動機與渦輪增壓器匹配,任何廢氣渦輪增壓器，都可以在原設(shè)計型號

12、的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，發(fā)展成為具有不同適用范圍的變型。將不同變型的壓氣機與不同變型的渦輪組合起來，可成為在一種基型廢氣渦輪增壓器的基礎(chǔ)上得到的一系列變型。 應(yīng)該特別指出：無論修改壓氣機任何部位的尺寸，都只能改變壓氣機本身的特性曲線形狀，對渦輪的特性曲線毫無影響；反之亦然。壓氣機或者渦輪特性曲線形狀的改變，彼此都會影響它們與發(fā)動機共同工作時的匹配區(qū)域。,-試驗法(8),25,增壓中冷,采用中冷技術(shù)是進(jìn)一步提高增壓發(fā)動機功率，改善發(fā)動機性能的一種有效措施。當(dāng)發(fā)動機的增壓壓比較高時，壓氣機出口溫度增加，這一方面導(dǎo)致發(fā)動機進(jìn)氣密度下降，影響了發(fā)動機功率的進(jìn)一步提高，另一方面將導(dǎo)致排氣溫度升高，熱負(fù)荷增加，

13、同時會導(dǎo)致nox排放增加。 解決這一問題的最有效辦法是在壓氣機出口設(shè)置一個中冷器，將壓氣機出口的氣體冷卻，冷卻后的氣體再進(jìn)入發(fā)動機氣缸。,-(1),26,增壓中冷,增壓發(fā)動機采用中冷后，有如下優(yōu)點： 進(jìn)氣密度進(jìn)一步提高，可使發(fā)動機達(dá)到比較高的平均有效壓力。 可降低發(fā)動機的熱負(fù)荷。這是因為增壓空氣經(jīng)中冷溫度降低后，可使發(fā)動機的最高燃燒溫度和排氣溫度下降。試驗數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機的進(jìn)氣溫度每下降10，排氣溫度可下降20-30，從而改善了發(fā)動機受熱零件的工作條件。,-(2),27,增壓中冷,可降低發(fā)動機的燃油消耗率。增壓中冷后，一方面由于進(jìn)氣量充足，燃燒過程更為完善，另一方面由于中冷后發(fā)動機的平均循環(huán)溫

14、度有所下降，相對散熱損失減少，同時發(fā)動機的相對機械損失也會減少，因此發(fā)動機的燃油消耗率有所降低。 可降低發(fā)動機排氣中有害成分的排放量。由于中冷降低了最高燃燒溫度，所以可使nox排放顯著降低。對于達(dá)到歐洲二號排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機，一般都采用增壓中冷。,-(3),28,增壓中冷,對于車用發(fā)動機來說，一般采用空-空中冷器，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，冷卻介質(zhì)溫度較低，流量大，冷卻效果很好。左圖為空空中冷器的結(jié)構(gòu)。 在有些系統(tǒng)中不便于利用空-空中冷的，也有利用水作為冷卻介質(zhì)的。如船用發(fā)動機。,-(4),29,增壓中冷,中冷系統(tǒng)的性能主要取決于中冷器的效率和壓降。中冷器的效率是指增壓空氣通過中冷器后所降低的溫度與

15、理論上最大可能降低的溫度之比。 tai，中冷器進(jìn)口空氣溫度 tao，中冷器出口空氣溫度 tci，冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度 一般中冷器的效率可達(dá)0.75-0.85。 中冷器的壓降表示增壓空氣通過中冷器后的壓力損失，空空中冷器的最大壓降在5kpa-8kpa之間，水空中冷器的壓降一般要求在5kpa以內(nèi)。,-(5),30,增壓器的調(diào)節(jié),采用渦輪增壓器調(diào)節(jié)的目的在于既保證發(fā)動機在低速時有較高的增壓壓力pc，從而有較高的扭矩，又能保證發(fā)動機在額定點附近pc不致過高，以避免發(fā)動機過高的機械負(fù)荷和渦輪增壓器的超速。通過渦輪增壓器的調(diào)節(jié)可改善增壓器與發(fā)動機的匹配，從而達(dá)到改善車用增壓發(fā)動機扭矩特性的目的?？烧{(diào)增壓器與電

16、子控制技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全工況范圍內(nèi)發(fā)動機與增壓器的最佳匹配，從而達(dá)到發(fā)動機性能的全面優(yōu)化。,-目的,31,增壓器的調(diào)節(jié),增壓器的調(diào)節(jié)對于車用柴油機來說非常必要。有些輕型車柴油機的轉(zhuǎn)速甚至達(dá)到4000rpm以上。由于轉(zhuǎn)速范圍寬，固定截面渦輪增壓器就難于實現(xiàn)與發(fā)動機的良好匹配。如果保證發(fā)動機在最大扭矩點時有足夠的增壓壓力，則在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速時就要出現(xiàn)過高的增壓壓力，這就帶來發(fā)動機過高的機械負(fù)荷和渦輪增壓器的嚴(yán)重超速，這是不允許的。若只考慮發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速時所需要的增壓壓力，則在發(fā)動機低速時增壓壓力值下降過多不能保證足夠的扭矩。所以在這種情況下只能求助于渦輪增壓器的調(diào)節(jié)。,-必要性,32,增壓器的調(diào)

17、節(jié),增壓器的調(diào)節(jié)中，最重要的是渦輪的調(diào)節(jié)，目前渦輪調(diào)節(jié)的主要方式包括：旁通放氣和變截面渦輪。左圖為帶旁通放氣的渦輪增壓器,-旁通放氣(1),33,增壓器的調(diào)節(jié),旁通放氣的原理是，放氣閥由一個膜片閥驅(qū)動，膜片閥的一端是壓氣機擴(kuò)壓器處或出口處的壓力，當(dāng)壓氣機出口壓力達(dá)到一定值時，膜片閥開始移動，放氣閥打開，這時一部分排氣不通過渦輪，直接排入排氣管。由于一部分排氣沒有經(jīng)過渦輪，所以使得渦輪功減少，這樣調(diào)節(jié)的結(jié)果就是使得增壓壓力在達(dá)到一定數(shù)值后不再升高。,-旁通放氣(2),34,增壓器的調(diào)節(jié),旁通放氣的增壓器結(jié)構(gòu)簡單，但排氣旁通必然損失一部分能量，致使發(fā)動機在額定點附近性能惡化。,-旁通放氣(3),3

18、5,增壓器的調(diào)節(jié),放氣閥的結(jié)構(gòu),-旁通放氣(4),36,增壓器的調(diào)節(jié),帶放氣閥的增壓器的增壓壓力?？筛鶕?jù)彈簧的預(yù)緊力設(shè)定增壓器的放氣點。,-旁通放氣(5),37,為了滿足將來越來越嚴(yán)格的排放規(guī)定，普通的放氣調(diào)節(jié)可能達(dá)不到要求，而且放氣調(diào)節(jié)會導(dǎo)致油耗比較高。 所以為了滿足排放法規(guī)要求，很多研究機構(gòu)推薦使用可變幾何渦輪增壓器，甚至面對未來，可變幾何渦輪增壓器成為一種必需。 所謂可變幾何渦輪增壓器是指渦輪流通面積可變，目前有兩種基本形式，一種轉(zhuǎn)葉可調(diào)，一種軸向移動。,增壓器的調(diào)節(jié),-可變幾何渦輪增壓器,38,增壓器的調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)葉式可變幾何渦輪采用了有葉噴嘴環(huán)，當(dāng)噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)動時，改變了噴嘴環(huán)氣流出口角，從而改變了噴嘴出口面積。當(dāng)發(fā)動機低速時，噴嘴出口面積減小，氣流流出速度相應(yīng)提高，增壓器轉(zhuǎn)速上升，壓氣機出口壓力增大，供氣量相對加大。當(dāng)發(fā)動機高速時，噴嘴出口面積增大，增壓器轉(zhuǎn)速相對減小，增壓壓力相對降低，增壓不過量。,-可調(diào)噴嘴渦輪增壓器(1),39,增壓器的調(diào)節(jié),由于可調(diào)渦輪增壓器可在渦輪增