柴油機與渦輪增壓器的匹配

1、第八章第八章 渦輪增壓器與內燃機的匹配渦輪增壓器與內燃機的匹配渦輪增壓器：旋轉式機械發(fā)動機：往復式機械q 1.與內燃機匹配的渦輪增壓器要求：與內燃機匹配的渦輪增壓器要求：（1）滿足內燃機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)合運行線穿過壓氣機高效區(qū)（平行）；（4）渦輪增壓器可靠工作，不超速，不超溫。q 2. 內燃機與渦輪增壓的匹配內容內燃機與渦輪增壓的匹配內容 內燃機與壓氣機； 內燃機與渦輪； 壓氣機與渦輪 2.1 2.1 壓氣機與內燃機的匹配壓氣機與內燃機的匹配30103600eesN gLm000ccccpRTpRT321060hvscV nmi v 發(fā)動機與壓

2、氣機良好匹配特征：發(fā)動機與壓氣機良好匹配特征： 效率：效率：內燃機特性線穿過壓氣機的高效區(qū)，且最好使內燃機運行線與壓氣機等效線相平行， 喘振裕度：喘振裕度：應防止內燃機耗氣特性線處于壓氣機的低效區(qū)或過于接近喘振線，甚至穿過喘振線，一般要求內燃機低轉速時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 渦輪與內燃機的匹配渦輪與內燃機的匹配v 渦輪功率與發(fā)動機排氣溫度、壓力直接相關011(1)TpTadkkWC Tv 內燃機與渦輪匹配是否良好主要看渦輪流通能內燃機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上內燃機工作特性線，如果內燃機工作線偏離該型號渦輪的流通特性線，則選擇較大型號或較小型號的渦輪；如果內燃機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 壓氣機與渦輪的匹配壓氣機與渦輪的匹配流量守恒：轉速相等：功率平衡：cTnn01TceccmmmmmL11311(1)(1)ccTTkkcpccTpTcTmkkTm C Tm C Tq 3. 渦輪增壓器與柴油機配合運行點的確定渦輪增壓器與柴油機配合運行點的確定問題：問題：如何根據(jù)發(fā)動機工況以及渦輪增壓器幾何確如何根據(jù)發(fā)動機工況以及渦輪增壓器幾何確定兩者的配合運行點？定兩者的配合

4、運行點？ 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渦輪前平均燃氣密度；T通流函數(shù)。 0111011TTkkkkTkTmkkTmppmKpmp22TmTmTTTTmTTmTTTTTmpmFR TFRT 120021TTTkkkTTTTTTmTmppkkpp渦輪流量渦輪膨脹比壓氣機壓比q 4. 渦輪增壓器與內燃機配合特性分析渦輪增壓器與內燃機配合特性分析v 渦輪增壓器與柴油機的配合特性曲線指的是二者聯(lián)渦輪

5、增壓器與柴油機的配合特性曲線指的是二者聯(lián)合運行的工作線。合運行的工作線。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： 將內燃機耗氣特性線疊合到離心式壓氣機特性線上去，根據(jù)兩組特性線的相對位置來進行分析研究。 什么是內燃機耗氣特性線？ 渦輪增壓器與柴油機的配合特性線渦輪增壓器與柴油機的配合特性線1柴油機標定轉速運轉的等轉速線；2柴油機最低轉速運行線；3柴油機外特性線；4柴油機按螺旋槳特性工作的運行線 曲線1是柴油機以標定轉速運轉的等轉速線。柴油機在這個標定轉速下，隨著負荷的增大，廢氣能量增加nTkkpz；柴油機在標定轉速時的pemax受到nTkmax、pz和TTmax的限制。 曲線2是柴

6、油機最低轉速運行線。這時廢氣能量很小，所以k和mk都較小。Pe受到排氣冒煙極限的限制，而且pe運行線愈接近喘振線，此時應防止其穿過喘振線而落入不穩(wěn)定工作區(qū)。曲線3是柴油機外特性線。這時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下降相對地較緩慢，故nmk。此時運行線易穿過喘振線。 曲線4是按螺旋槳特性工作的運行線。它處于外特性運行線3和等轉速運行線1之間。渦輪增壓柴油機的“傘形”運行范圍 p一個好的匹配需要滿足以下要求n性能好的低速轉矩好的外特性油耗（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滿足機械方面的要求滿足所有工

7、況下的轉速、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速v 匹配結果評價q 5. 渦輪增壓器與柴油機配合特性線的調整 (1) 壓氣機喘振的調整壓氣機喘振的調整 增壓器和柴油機的流量不匹配，增壓器的流量偏大：增壓器和柴油機的流量不匹配，增壓器的流量偏大：可選小一點型號的渦輪增壓器，使運行線脫離喘振線； 壓氣機和渦輪不匹配，壓氣機通流能力過大或渦輪壓氣機和渦輪不匹配，壓氣機通流能力過大或渦輪通流能力過小，致使壓氣機的運行點進入喘振區(qū)：通流能力過小，致使壓氣機的運行點進入喘振區(qū)：a. 加大渦輪噴嘴環(huán)喉口面積或動葉喉口面積 b. 減小壓氣機喘振流量渦輪噴嘴變化 柴油機方面的原因引起壓氣機喘

8、振。如掃氣箱容積過小，其中壓力波動過大；壓氣機輸氣管、中冷器、柴油機通流部分或渦輪進氣管的阻力過大等等，都可能引起運行線穿越喘振線。用箭頭符號表示比正常值偏高()或偏低()。a. nTk、pk、pT、pT0、TT值均正常，如發(fā)生喘振，可能是壓氣機和渦輪匹配不當，即壓氣機喘振流量太大或渦輪的通流能力太小。測取mk值，利用壓氣機特性線即可區(qū)分是壓氣機還是渦輪方面的原因造成喘振。b. pk, ps, pT, TT,喘振可能是壓氣機污染、結垢后，流動阻力增加等引起的。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）渦輪增壓器轉速和增壓壓力的調整）渦輪增壓器轉速和增壓壓力的調整pknTk，因此，nk和pk的調整方法一致：a. 減小渦輪噴嘴環(huán)面積，使渦輪前燃氣能量在渦輪中的焓減小渦輪噴嘴環(huán)面積，使渦輪前燃氣能量在渦輪中的焓降增加；降增加；b. 廢氣旁通閥；廢氣旁通閥；c.c. 在壓氣機出口旁通高壓氣體。在壓氣機出口旁通高壓氣體。廢氣旁通閥結構廢氣旁通閥結構 spring force彈力調節(jié)器空氣壓力調節(jié)器空氣壓力廢氣壓力廢氣壓力排氣歧管或渦殼進氣通道可變幾何噴結構可變幾何噴結構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) 渦輪前燃氣溫度的調整渦輪前燃氣溫度的調整TT 渦

10、輪前的燃氣溫度TT是廢氣能量大小的重要標志，若TT過低，則能量不足；若TT過高，會燒壞渦輪葉片。 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，延長供油持續(xù)時間，減小供油提前角增加后燃持續(xù)期；q 6. 增壓柴油機的熱負荷及解決途徑（1）增壓柴油機的熱負荷問題 增壓后，壓氣機出口溫度升高： 增壓比為1.61.7時，約為100 增壓比為2.5時，約為140160 壓縮始溫的增加，造成柴油機工作循環(huán)各特征點溫度提高，排溫升高，缸蓋“鼻梁”區(qū)開裂，活塞環(huán)燒結，卡死、活塞熱裂、渦輪轉子熱負荷過大損壞等 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、熱負荷的主要措施）降低熱負荷的主要措施 a. 適當增大進、排氣門重疊角 b. 增大疊開期內的進、排氣壓差： c. 合理設計配氣凸輪；擴大進排氣門面積； d. 增壓中冷； e. 強化冷卻系統(tǒng)： 改善冷卻系統(tǒng)工作條件：水泵流量、轉速；散熱器散熱面積；風扇直徑、轉速；風扇葉片角等；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. 增壓柴油機的機械負荷及解決途徑（1 1） 增壓柴油機的機械負荷問題增壓柴油機的機械負荷問題 柴油機的機械負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和壓氣機出口壓力關系式： 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） 降低機械負荷的途徑：降低機械負荷的途徑： a. 適當降低壓縮比； b. 調整渦輪增壓器： c. 適當減小供油提前角： d. 優(yōu)化供油系統(tǒng)： pemax=n pbq 8. 渦輪增壓發(fā)動機的扭矩特性(1)扭矩系數(shù)Jm是發(fā)動機最大扭矩Me,max和額定扭矩Me的比值，即：Jm=Me,max/ Me 目前增壓機Jm=1.151.30左右，和非增壓機大致相當。 (2) 轉速儲備系數(shù)Jn：發(fā)動機額定轉速ne和最大扭矩轉速nme,max的比值，即

13、Jn = ne / nme,max。 (3) 扭矩適應性系數(shù)J是扭矩系數(shù)Jm與轉速儲備系數(shù)Jn的乘積，即：J = Jm * Jn， 扭矩適應系數(shù)值愈高，則發(fā)動機扭矩特性愈好，表示發(fā)動機在寬廣的轉速范圍內具有良好的扭矩特性，提高了車輛的機動性能； 目前，一般車用柴油機渦輪增壓后，其最大扭矩點轉速要比非增壓時有所增加，也即轉速儲備系數(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 在同一臺增壓發(fā)動機上，pe值低，即強化水平低，則值高時，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。因為Tk高時，在發(fā)動機低速時可得到較高的pk值和較大的發(fā)動機進排氣壓差，從而可保證較高的扭矩。d.d.設計點的選擇設計點的選擇 渦輪增壓器與發(fā)動機匹配時，如選擇高速配合，即選擇發(fā)動機額定轉速作為設計點，則在發(fā)動機最大扭矩處的pk值會下降過多，扭矩特性顯著變壞； 如選擇低速配合，即選擇發(fā)動機最大扭矩時的轉速為設計點，則可保證低速時具有較高pk值，但發(fā)動機額定轉速時pk過高，增壓器將出現(xiàn)超速。 實際選擇的設計點往往是在上述二者之間，一般推薦的設計點轉速為nD=(0

15、.60.8)ne(額定轉速)。 e. e. 氣缸數(shù)的影響氣缸數(shù)的影響 同一系列的發(fā)動機，12缸機比8缸機的扭矩特性好，6缸機的比4缸機的Jm要高些，這是3缸連接一根排氣管時，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)動機轉速下降，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)動機扭矩的途徑提高渦輪增壓發(fā)動機扭矩的途徑 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，以最大扭矩點作為增壓器

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

17、還有： 1 1） 采用可調渦輪增壓器采用可調渦輪增壓器 可變截面渦輪(包括可調噴嘴環(huán))，有利于改善發(fā)動機加速性和經濟性； 2 2） 向壓氣機葉輪噴射壓縮空氣向壓氣機葉輪噴射壓縮空氣 利用車上的高壓氣源，在加速時通過壓氣機蝸殼上均勻分布的噴嘴向壓氣機葉輪噴射壓縮空氣； 3 3） 減小渦輪增壓器轉動慣量減小渦輪增壓器轉動慣量q 10. 車用汽油機渦輪增壓(一一) 汽油機渦輪增壓的主要技術障礙汽油機渦輪增壓的主要技術障礙1）汽油機增壓后爆燃傾向增加）汽油機增壓后爆燃傾向增加2）增壓后汽油機和渦輪增壓器熱負荷大）增壓后汽油機和渦輪增壓器熱負荷大3）汽油機，轉速和功率范圍寬廣，致使）汽油機，轉速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機的匹配相當困難渦輪增壓器與汽油機的匹配相當困難4）渦輪增壓汽油機的加速性較差）渦輪增壓汽油機的加速性較差pk轉速極限Gk喘振線載重車用柴油機載重車用柴油機轎車用柴油機轎車用柴油機轎車用汽油機轎車用汽油機2500rpm1000rpm1000rpm4200rpm10006500rpm雖壓比要求降低，但穩(wěn)定運行范圍