教學(xué)課件-《柴油機渦輪機增壓技術(shù)(第2版)》陸家祥

柴油機渦輪增壓技術(shù)

第一章概論1.1名詞解釋1.增壓壓力2.增壓比3.增壓度1.1.1反映增壓程度方面

1.定壓增壓2.脈沖增壓1.1.2反映渦輪進口氣流壓力穩(wěn)定程度和能量利用程度方面1.單級渦輪增壓2.二級渦輪增壓1.1.3反映增壓器級數(shù)多少方面

1.慣性增壓2.氣波增壓1.1.4反映驅(qū)動壓機能量形式方面

3.機械增壓4.機械增壓5.復(fù)合增壓1.2渦輪增壓器

1.離心式壓氣機結(jié)構(gòu)1.2.1離心式壓氣機

2.離心式壓氣機工作原理壓氣機的主要性能參數(shù)(1-11)（1-12）3.離心式壓氣機的特性圖1-21壓氣機的性能曲線及其繪制方法轉(zhuǎn)速一定時，曲線的特點

1)在某一流量下，壓比和效率有最大值;2)流量減小到某一值時，發(fā)生喘振;3)流量增大到某一數(shù)值時，出現(xiàn)阻塞。壓氣機的喘振

定義：當(dāng)流量減少到某一數(shù)值時，壓氣機中的氣流發(fā)生強烈的低頻脈動，引起葉片振動，產(chǎn)生很大噪聲，稱之為喘振。喘振成因分析：1)導(dǎo)風(fēng)輪入口處：a)流量等于設(shè)計流量－不喘振b)流量大于設(shè)計流量－不喘振c)流量小于設(shè)計流量－喘振

2)葉片擴壓器入口處

a)流量等于設(shè)計流量－不喘振b)流量大于設(shè)計流量－不喘振c)流量小于設(shè)計流量－喘振

按氣體在渦輪中流動的方向分類：（1）軸流式：燃氣沿近似與葉輪軸平行的方向流過渦輪。特點：體積大，流量范圍寬，在大流量范圍內(nèi)效率較高；應(yīng)用：大型渦輪增壓器。（2）徑流式:燃氣流動方向是近似沿徑向由葉輪輪緣向中心流動，出口處轉(zhuǎn)為軸向。特點：單級膨脹比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，小流量范圍效率高，葉輪強度好，轉(zhuǎn)速高；應(yīng)用：中、小型渦輪增壓器。（3）混流式:燃氣沿與渦輪軸傾斜的錐面流過葉輪。特點：特性介于軸流式和徑流式之間；應(yīng)用：越來越多。1.2.2渦輪1.渦輪的分類按燃氣在渦輪中的焓降分類：（1）沖擊式:燃氣的壓力和溫度在噴嘴中全部轉(zhuǎn)化為動能，依靠燃氣動能在葉片通道中轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力對葉輪形成的沖擊力矩推動葉輪作功。特點：葉輪中燃氣不膨脹，葉輪前后氣體壓力不變，焓降為零；（2）反力式:燃氣的一部分能量在噴嘴中轉(zhuǎn)化為動能，另一部分在葉輪通道中繼續(xù)膨脹轉(zhuǎn)化為動能的同時依靠氣流與葉片相對速度增加所產(chǎn)生的反作用力推動渦輪作功。特點：氣流速度低，葉片彎曲程度小，損失小，效率高；應(yīng)用：廣泛，尤其是高壓比渦輪。（1）軸流式渦輪的結(jié)構(gòu)蝸殼：蝸殼按進氣方向分類：軸向進氣徑向進氣切向進氣蝸殼按進口數(shù)分類：單進口多進口特殊結(jié)構(gòu)：軸承支承和潤滑油腔；冷卻水夾層。2渦輪的結(jié)構(gòu)（2）徑流式渦輪的結(jié)構(gòu)蝸殼作用：將廢氣以較小的流動損失均勻分布到噴嘴環(huán)入口。蝸殼效率：蝸殼進氣狀態(tài)和膨脹比一定的條件下，壓力能轉(zhuǎn)化為動能的實際轉(zhuǎn)化量與定熵轉(zhuǎn)化量之比。噴嘴環(huán)作用：使廢氣膨脹加速并按規(guī)定方向進入葉輪。噴嘴環(huán)效率：進氣狀態(tài)和膨脹比一定的條件下，壓力能轉(zhuǎn)化為動能的實際轉(zhuǎn)化量與定熵轉(zhuǎn)化量之比。工作葉輪作用：將氣體動能轉(zhuǎn)化為機械能。葉輪效率：在葉輪進氣狀態(tài)和膨脹比一定的條件下，氣體對葉輪的實際作功與定熵過程對葉輪作功之比。排氣殼作用：收集廢氣，送入大氣。形狀：漸擴形，使氣體膨脹充分，降低葉輪背壓。渦輪的級：一列與外殼相聯(lián)的噴嘴環(huán)

一列與軸相聯(lián)的葉輪3.渦輪的工作原理：（1）葉輪進、出口速度三角形

－葉輪旋轉(zhuǎn)的線速度；

－氣體由噴嘴流出的絕對速度；分為徑向分速度軸向分速度－氣體流入葉輪時的相對速度；－葉輪入口絕對速度的氣流角；－葉輪入口相對速度的氣流角；－氣體在葉輪出口的絕對速度；－氣體由葉輪流出時的相對速度；－葉輪出口絕對速度的氣流角；－葉輪出口相對速度的氣流角。－葉輪入口的輪周線速度，－葉輪出口等流量平均半徑處的線速度，其他符號的含義與軸流式渦輪相同。

（2）渦輪工作過程的焓熵圖氣體對渦輪作功的表達式理想過程：

功＝渦輪入口滯止焓－定熵過程葉輪出口靜焓實際過程：反力度（反動度）：葉輪中的焓降/總焓降軸流式渦輪，徑流式渦輪，純沖動式渦輪（3）渦輪主要工作參數(shù)1）定熵效率：實際過程氣體對渦輪作功與理想的定熵過程氣體對渦輪作功的最大可用能量之比。2）膨脹比：渦輪進口氣體滯止壓力與渦輪出口氣體靜壓力之比。3）流量：單位時間內(nèi)通過渦輪的氣體質(zhì)量。折合流量：非設(shè)計工況下的相似流量與設(shè)計工況下的相似流量之比。相似流量：不同入口氣體狀態(tài)時，常用無量綱相似流量4）渦輪轉(zhuǎn)速：與壓氣機轉(zhuǎn)速相等，統(tǒng)稱渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。相似轉(zhuǎn)速：

5）速比為工作葉輪入口處的葉輪線速度。軸流式：

、徑流式：

為假象燃氣從進口狀態(tài)不對外作功而定熵膨脹到渦輪出口壓力所能達到的速度。4．渦輪特性曲線(1)

流量特性曲線

阻塞：當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，相似流量隨膨脹比的增大而增加，直至達到流量最大值。若再繼續(xù)增大膨脹比，渦輪流量也不會再增加，這時的流量稱阻塞流量?！飮娮斐隹?/p>

（2）效率特性曲線：在膨脹比一定的情況下，渦輪的定熵效率與速比之間的關(guān)系。設(shè)計工況時，效率最高，偏離設(shè)計工況時，效率均下降。軸流式渦輪高效率范圍較寬，而徑流式渦輪的較狹窄，而且當(dāng)速比超過一定數(shù)值后，渦輪效率急劇下降。1.2.3渦輪增壓器1.軸承在渦輪增壓器上的布置形式

外支承內(nèi)支承內(nèi)外支承懸臂支承

(1)外支承：兩個軸承位于轉(zhuǎn)軸兩端。優(yōu)點：a.轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性好；b.壓氣機和渦輪之間空間位置較多，便于布置氣體密封裝置；c.兩端的軸承可分別采用單獨的潤滑系統(tǒng)，不易產(chǎn)生漏油和漏氣現(xiàn)象；d.軸徑小，軸頸表面的切線速度?。籩.軸承壽命長。f.便于檢修和更換軸承。缺點：

a.渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量、尺寸大，不緊湊；b.壓氣機不能軸向進氣，使其進口空氣流場較難組織；c.清洗渦輪增壓器的工作輪較難；d.重量大，慣性矩大，瞬態(tài)特性不好。應(yīng)用：多用于軸流式渦輪增壓器。(2)內(nèi)支承：兩個軸承位于壓氣機和渦輪之間。優(yōu)點：壓氣機可以軸向進氣，渦輪可以軸向排氣，氣流順暢，流阻損失?。籦.渦輪增壓器殼體零件簡化，增壓器體積小，緊湊，轉(zhuǎn)子重量輕，瞬態(tài)特性好；c.兩工作輪易于清洗。

缺點：

a.兩個工作輪之間的空間較小，較難安排油、氣的密封裝置；b.支承處軸徑較粗，使其表面切線速度增加，摩擦損失大；c.渦輪端的軸承受到渦輪傳入的熱量較多，熱負荷高；d.軸承跨距小，對轉(zhuǎn)子動平衡的要求高；e.更換拆裝較難

應(yīng)用：中、小型渦輪增壓器

。(3)內(nèi)外支承：兩個軸承分別布置在轉(zhuǎn)軸的一端和兩工作輪之間。優(yōu)點：a.壓氣機可以軸向進氣；b.渦輪端的密封容易安排；c.壓氣機清洗容易。方案（c）缺點：

壓氣機端軸頸的切線速度較高；轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性較外支承的差；c.潤滑不及外支承的好。應(yīng)用：較少

。方案（d）壓氣機不能軸向進氣，其余與方案（c）類似。

(4)懸臂支承：軸承位于壓氣機一側(cè)。優(yōu)點：a.軸承工作溫度低；b.兩個葉輪可做成一體，背對背，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量和尺寸?。籧.渦輪盤可得到較好的冷卻；d.漏氣損失小。缺點：

a.渦輪的熱量容易傳至壓氣機，使壓氣機效率降低；b.轉(zhuǎn)子的懸臂力矩大，穩(wěn)定性不好；c.壓氣機進口空氣流場受到不利影響；d.清洗兩個工作輪較難。應(yīng)用：很少

。3渦輪增壓器的軸承受力

轉(zhuǎn)子部件的重力氣體對轉(zhuǎn)子的作用力轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量引起的離心力發(fā)動機振動帶來的外載荷分類徑向軸承滾動軸承滑動軸承推力軸承（軸向）滾動軸承

優(yōu)點：a.機械摩擦損失小，機械效率高；b.低溫起動性和加速性好；c.潤滑油消耗少。缺點：為適應(yīng)渦輪增壓器高轉(zhuǎn)速的要求，軸承的材料和加工精度要求很高；b.為防止振動載荷，軸承支座必須安裝減振裝置；c.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高，工作壽命較短。應(yīng)用：越來越少滑動軸承

分類：流體靜力軸承、流體動力軸承流體靜力軸承工作原理：

流體動力軸承

工作原理：a）靜止?fàn)顟B(tài)b）轉(zhuǎn)動狀態(tài)滑動軸承優(yōu)點：a.構(gòu)造簡單，價格便宜，使用壽命長；b.可以用發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的潤滑油工作；c.對振動不敏感。缺點：a.機械摩擦損失較大，比滾動軸承大約高2～3倍；b.消耗的潤滑油量較多。應(yīng)用：徑流式渦輪增壓器的軸承以向心滑動軸承為主，又分為多油楔軸承和浮動軸承。近年來的徑流式渦輪增壓器幾乎都采用浮動軸承。振動問題：

高速、輕載情況下，軸在軸承的油層中會產(chǎn)生自振。多油楔滑動軸承

優(yōu)點：可以有效地克服油膜振動，抗振性好。三油楔b）四油楔3．軸承的潤滑與冷卻潤滑

(1)滾動軸承飛濺式：用于壓比較低、轉(zhuǎn)速較低的渦輪增壓器泵噴射式：用于增壓比和轉(zhuǎn)速較高的渦輪增壓器(2)滑動軸承壓力潤滑方式潤滑油的壓力為0.25～0.4MPa冷卻

潤滑油冷卻其他冷卻措施在渦輪殼和中間殼上設(shè)置水腔，對壓氣機端軸承處的機殼進行氣冷。4．渦輪增壓器的密封與隔熱(1)密封氣封：防止壓氣機的壓縮空氣和渦輪的燃氣進入潤滑油腔。油封：防止軸承處的潤滑油漏入渦輪增壓器氣流通道。接觸式密封：密封環(huán)

非接觸式密封：迷宮式、甩油盤、擋油板

圖1-52密封環(huán)式密封結(jié)構(gòu)(2)隔熱軸流式渦輪增壓器的隔熱措施：①在渦輪殼或中間殼內(nèi)布置冷卻水腔。②渦輪軸裝有隔熱保護套。③壓氣機葉輪背后設(shè)有隔熱室。徑流式渦輪增壓器的隔熱措施：①中間殼的渦輪一側(cè)留氣室隔熱，或同時兼有隔熱板。②水冷中間殼。1.3增壓技術(shù)發(fā)展里程的回眸與現(xiàn)狀

1.3.1國外增壓技術(shù)發(fā)展里程的回眸與現(xiàn)狀1.3.2我國增壓技術(shù)發(fā)展里程的回眸與現(xiàn)狀圖1-5620GJ型增壓器剖面圖A-壓氣機B-渦輪第二章增壓系統(tǒng)熱力參數(shù)及其調(diào)節(jié)2.1排氣能量的利用

2.1.1排氣最大可用能壓氣機

1－2壓氣機進氣

2－a壓氣機絕熱壓縮

a－3壓氣機排氣

1－2－a－3－1壓氣機耗功8－2－a－6－8進入發(fā)動機氣缸并留在氣缸內(nèi)的空氣壓縮耗功1－8－6－3－1掃氣空氣的壓縮功Es：掃氣空氣所具有的能量Es’：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量Es’’：5－7－6－3－5，掃氣空氣節(jié)流損失柴油機

3－a柴油機進氣a－c柴油機絕熱c－z柴油機等容燃燒z－z’柴油機等壓燃燒z’－b柴油機絕熱膨脹b－4柴油機等容排氣4－5柴油機等壓排氣

柴油機指示功Wia－c－z－z’－b－a柴油機缸內(nèi)氣體膨脹功6－7－4－a－6柴油機泵吸正功b－9－K’－b柴油機排氣門打開時排氣等熵膨脹至大氣壓力pa時所能作的功(Eb)b－4－T’－b排氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣歧管中自由膨脹所損失的能量，E14－9－K’－T’－4排氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量，ET渦輪

5－4－T’渦輪進氣T’－K’渦輪絕熱膨脹K’－2－1渦輪排氣

1－K－T－5－1：渦輪排氣總能量E21－8－7－5－1：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量Es’8－9－4－7－8：活塞推出排氣使排氣增加的能量Ec4－9－K’－T’－4：排氣在渦輪中的膨脹功，ETT’－K’－K－T－T’：E1中的一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗訜崤艢馐蛊湓黾拥哪芰縀q排氣的最大可用能E由三部分組成：排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力所作的功Eb活塞推出排氣，排氣得到的能量Ec掃氣空氣所具有的能量Es

2.能量傳遞中的損失及減少措施

總能量損失△E：△E=△Ev+△EC+△ED+△EM+△EF+△Eh△Ev---流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失；△EC---流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；△ED---管道面積突擴時的流動損失；△EM---不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失；△EF---由于氣體的粘性而形成的摩擦損失；△Eh---氣流向外界散熱所形成的能量損失。(1)△Ev：流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失約占總損失的60％～70％

①在設(shè)計中，使排氣門開啟后的通流面積盡可能大。②排氣門開啟速度盡可能快。③排氣管容積不應(yīng)太大，排氣管要細而短。減少△Ev的措施：(2)△EC：流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失

減少措施：光順管道、減少縮口。圖2-2排氣管內(nèi)的壓力變化(3)△ED：管道面積突擴時的流動損失減少措施：避免突擴。

（4）

△EM：

不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失減少措施：避免氣流撞擊。歧管用順著氣流的斜向接頭，不用T形接頭/十字接頭。（5）△EF：摩擦損失

減少措施：光滑管壁，減少摩擦。（6）△Eh：向外界散熱形成的損失減少措施：隔熱能量傳遞效率：式中，ET－渦輪進口處氣體的可用能量；

Ec－排氣門前氣體的可用能量。

2.1.3排氣能量利用方式定壓增壓系統(tǒng):

不利用脈沖能量E1，排氣管較大，部分脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能Eq，渦輪前排溫高。能量回收率：式中：－渦輪出口壓力，－渦輪入口壓力，－渦輪中氣體的等熵指數(shù).定壓增壓系統(tǒng)優(yōu)點：

1）可采用渦輪全進氣，壓力波動小，渦輪效率高。2）多缸時，排氣管結(jié)構(gòu)簡單。3）渦輪增壓器布置較自由。4）不會由于壓力波的干擾而使柴油機的轉(zhuǎn)速上限受到限。5）對低增壓相同功率的柴油機而言，渦輪通流面積較脈沖的小，可用小一號渦輪增壓器。定壓增壓系統(tǒng)缺點：

1）加速性較差，低負荷性能較差。2）掃氣空氣量較脈沖的少。3）部分負荷時，有時掃氣倒流，弄污進氣系統(tǒng)及增壓器。4）在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩時，增壓壓力下降較大。5）在缸數(shù)少時，顯得排氣管容積過大。定壓增壓系統(tǒng)應(yīng)用：

高增壓而大部分時間在高負荷運轉(zhuǎn)的柴油機。如發(fā)電機組、氣缸數(shù)為7缸、14缸的柴油機等。脈沖增壓系統(tǒng):

利用脈沖能量E1，排氣管容積小，壓力有波動。E1實際利用40～50%.脈沖能量利用系數(shù)：脈沖增壓系統(tǒng)中利用的脈沖能量占總能量中的份數(shù)。利用E1的50％時脈沖增壓系統(tǒng)優(yōu)點：

1）排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好。2）掃氣易于組織。3）加速性能較好。脈沖增壓系統(tǒng)缺點:

l）增壓壓力高時，排氣門節(jié)流損失大。2）排氣管太長時，反射壓力波對掃氣會產(chǎn)生干擾。3）同樣功率的柴油機，常常要大一號的增壓器，成本較高。4）缸數(shù)多時，排氣管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

脈沖增壓系統(tǒng)應(yīng)用:

用于車用、船用等變速、變負荷運行較多的場合。2.1.4影響脈沖能量利用的因素（1）排氣門開啟定時：排氣門開啟時相對瞬時壓力系數(shù)pc－缸內(nèi)瞬時壓力pa－渦輪背壓（2）排氣門通流面積氣缸排空速率－流量系數(shù)；－排氣門最大有效流通面積；－排氣門開啟時的氣流音速；－一個氣缸的工作容積。四沖程柴油機一般不小于12

（3）排氣門開啟規(guī)律排氣門開啟規(guī)律影響系數(shù)排氣門瞬時開啟面積排氣門最大開啟面積（4）排氣管通流面積排氣管截面積影響系數(shù)

排氣管通流面積排氣管最大有效通流截面積中、低增壓柴油機，

＝1.1～1.3高增壓柴油機，＝1左右(5)排氣管長度排氣管內(nèi)壓力波形狀的主要影響因素：

1）排氣管長度；

2）渦輪通流面積和排氣管通流面積之比；

3）排氣門開啟瞬時通流面積和排氣管通流面積之比。排氣管長度影響系數(shù)

一般(6)渦輪通流面積渦輪通流特性系數(shù)

渦輪當(dāng)量通流面積；－排氣管中一個循環(huán)的氣體平均聲速一般10～122.1.5脈沖增壓排氣管方案設(shè)計1.排氣管分歧一般增壓柴油機排氣門開啟持續(xù)角為240～320℃A，一根四沖程柴油機的排氣管最多聯(lián)接三個氣缸。圖2-5四沖程柴油機排氣管分歧圖例2.排氣管設(shè)計

定壓增壓排氣管

排氣管容積較大，一般為發(fā)動機總氣缸容積的兩倍左右。排氣在排氣管中平均流速不超過50m/s排氣壓力穩(wěn)定排氣管截面積

的確定

i為排氣管所連的氣缸數(shù)。為排氣管中的排氣密度；為發(fā)動機排氣的質(zhì)量流量；脈沖增壓排氣管分歧排氣歧管容積的確定：排氣歧管的容積一個氣缸工作容積經(jīng)驗公式式中，－排氣門最大開啟面積；dr－排氣歧管直徑；D－氣缸直徑。3.脈沖轉(zhuǎn)換器

優(yōu)點：兼顧了脈沖增壓和定壓增壓的優(yōu)點，對于能量傳遞來講，接近于脈沖系統(tǒng)；對于渦輪效率而言，接近于定壓系統(tǒng)。燃燒室掃氣量大，柴油機低工況性能改善，流通面積可以減小，葉片振動應(yīng)力降低等。應(yīng)用：對4、8、16缸機，脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)于脈沖增壓系統(tǒng)。4．多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

優(yōu)點：（1）排氣能量傳遞效率高；（2）渦輪前參數(shù)穩(wěn)定，渦輪效率高；（3）柴油機掃氣過程能順利進行，泵氣功損失??；（4）在寬廣的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持較高的排氣能量傳遞效率，使柴油機油耗率be曲線變化平坦；（5）加速性能好。缺點：排氣管結(jié)構(gòu)仍比定壓系統(tǒng)復(fù)雜，且布置不便。5.MSEM（ModularSingleExhaustManifold）系統(tǒng)內(nèi)燃機廢氣溫度四沖程柴油機：500～650oC

汽油機：600～800oC排氣熱焓值較大2.2增壓對柴油機工作過程主要參數(shù)的影響2.2.1增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系?如何有效利用熱焓排氣門早開→廢氣熱焓大→增壓壓力高→發(fā)動機功率增加多；指示功減少合理設(shè)計排氣管→有效合理利用廢氣能量，尤其是脈沖能量；排氣管復(fù)雜提高渦輪增壓器效率→有效合理利用廢氣能量減少膨脹功的損失：中、低增壓系統(tǒng)中，損失較小；高增壓系統(tǒng)，剩余膨脹功可通過齒輪傳遞到曲軸。增壓帶來參數(shù)的變化

↑，充量↑↑，充量↓中增壓以上的系統(tǒng)必須采用中冷↑，→

↑機械負荷↑（為了可靠，往往需降低壓縮比）↑，→排溫↑熱負荷↑（機油溫度、冷卻水溫度↑）相對壓縮始壓四沖程增壓柴油機，一般＝0.85～1.1。2.2.2對機械應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響壓縮始壓升高，會給最高爆發(fā)壓力帶來影響

2.2.3對熱應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響1.進氣溫度

無中冷器時，發(fā)動機進氣溫度為壓氣機出口溫度

－大氣溫度（K）；－壓氣機絕熱壓縮功（kJ）；－定壓比熱，kJ／（kg·K）；－壓氣機絕熱效率。2.缸內(nèi)壓縮始溫－殘余排氣溫度

－殘余排氣系數(shù)

－新鮮充量進入氣缸后的溫升增壓四沖程機：非增壓四沖程機：四沖程汽油機：3.缸內(nèi)壓縮終溫

4.其余溫度內(nèi)燃機各特征點溫度均升高，熱負荷增大。2.2.4、對動力性有關(guān)參數(shù)的影響

增壓后進氣密度2.進氣量

在工作容積不變的情況下：3.動力性

例：高速四沖程增壓柴油機＝1.4～2.5＝1.0～1.4MPa＝2.5～3.4＝1.4～2.0MPa2.2.5增壓對柴油機經(jīng)濟性的影響1．掃氣系數(shù)增壓后一般增壓四沖程柴油機2．充量系數(shù)增壓后例如：非增壓高速四沖程機增壓高速四沖程機（有掃氣時）↑3．殘余廢氣系數(shù)在有掃氣的情況下，增壓機的殘余廢氣系數(shù)↓例如：非增壓柴油機＝3％～6％；＝0～2％

增壓柴油機4．過量空氣系數(shù)增壓柴油機對過量空氣系數(shù)的要求為：為了降低熱負荷及照顧低工況性能，一般要求較非增壓機大10％～30％

如：非增壓高速四沖程柴油機直噴式燃燒室：

＝1.6～1.9分隔式燃燒室增壓高速四沖程柴油機直噴式燃燒室：＝1.3～1.6＝1.7～2.2分隔式燃燒室＝1.4～1.65．指示熱效率1）以凈化排氣為主要目的的增壓系統(tǒng)：增壓后循環(huán)供油量不變，過量空氣系數(shù)增大，燃燒更完善，2）以增加動力為主要目的的增壓系統(tǒng)：增壓后循環(huán)供油量↑，若供油速率不變，則供油時間拉長，后燃現(xiàn)象加重，排溫↑，熱損失↑，↓。3）以增加動力為主要目的，但是在增壓后循環(huán)供油量增加的同時，調(diào)整供油規(guī)律，更加完善燃燒過程，則↑。↓，NOx↓，↑。6．機械效率

7.燃油消耗率↑↓

↑

2.3增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的確定增壓壓力空氣流量燃氣流量渦輪進口壓力渦輪進口溫度壓氣機效率渦輪效率

JTK方法2.3.1確定參數(shù)的總體依據(jù)空氣流量:保證所噴入氣缸中的柴油完善燃燒、柴油機熱負荷適中。渦輪前的排氣溫度:反映出柴油機的熱負荷。參考數(shù)據(jù)：

確定增壓參數(shù)的合理順序：

2.根據(jù)－空氣流量3.根據(jù)柴油機的通流特性－增壓壓力4.根據(jù)渦輪增壓器的總效率－渦輪前的平均排氣壓力5.確定渦輪的通流面積

考慮柴油機可靠性及壽命（熱負荷）－渦輪前的排氣溫度2.3.2確定空氣流量

－渦輪前的熱量利用系數(shù)

為氣體在氣缸、氣缸蓋中及排氣管中散失熱量的份數(shù)

四沖程增壓柴油機二沖程直流掃氣十字頭式增壓柴油機

－活塞平均速度

－進氣管參數(shù)

－總的過量空氣系數(shù)

－為化學(xué)計量空燃比

－柴油機進氣管內(nèi)空氣在熱力學(xué)溫度時的摩爾定壓熱容－理論分子變更系數(shù)

－渦輪進口處燃氣平均溫度為時的摩爾定壓熱容

－柴油低熱值

－設(shè)計柴油機時預(yù)計的指標(biāo)值

－機械效率四沖程機二沖程機

有中冷器時中、高速四沖程及二沖程柴油機：低速二沖程柴油機無中冷器時－柴油機進氣管內(nèi)的空氣溫度。

2.3.3增壓壓力

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估算通過單缸機試驗獲得參照其他類似機型一般＝1～1.2MPa

2.3.4渦輪前排氣平均壓力與渦輪當(dāng)且噴嘴面積的估算定壓增壓系統(tǒng)和單排氣總管系統(tǒng)－絕熱指數(shù)

2.3.5渦輪當(dāng)量通流面積－流量系數(shù)，的關(guān)系式或曲線一般由渦輪增壓器廠提供或參照相似渦輪。

2.3.6增壓系統(tǒng)主要參數(shù)估算實例計算12V240Z渦輪增壓中冷柴油機渦輪增壓器參數(shù)。

（1）已知條件及要求指標(biāo)

＝2205kW＝1100r/min＝0.24m＝0.26m=1.69MPa=9.53m/s=0.205kg/（kW·h）=560℃

標(biāo)定功率標(biāo)定轉(zhuǎn)速缸徑行程平均有效壓力活塞平均速度有效油耗率渦輪前排氣溫度

（2）柴油機熱力參數(shù)選擇

＝0.10lMPa=303K=0.105MPa=335K=l.00=1.14=0.56大氣壓力大氣溫度渦輪后背壓中冷器后空氣溫度氣缸充量系數(shù)渦輪增壓器效率

（3）渦輪增壓器主要性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)估算初步選定一個進氣管中氣體壓力與前面的初選值相近，不再重算；否則，重新選，重算。

選用2臺渦輪增壓器每臺流量（或由）每臺渦輪燃氣流量由經(jīng)驗選定2.4柴油機與渦輪增壓器的匹配2.4.1聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié)1.聯(lián)合運行線2、調(diào)節(jié)聯(lián)合運行線的基本要求1）在標(biāo)定工況下，須達到預(yù)期的增壓壓力及空氣流量，有足夠的燃燒過量空氣系數(shù)，使燃燒完善，燃油消耗率滿足要求；渦輪前排氣溫度不超過預(yù)定值，以保證氣缸熱負荷不致過高；增壓壓力不能過高，以免最大爆發(fā)壓力超過允許值，使機械負荷太大；渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速必須低于允許值，以保證渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的強度符合安全可靠的要求；在標(biāo)定工況時，希望渦輪增壓器的總效率要高，掃氣系數(shù)能具有適當(dāng)?shù)拇笮　?）在低工況時，也必須保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求。3）要求在整個運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振與阻塞。調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)出口面積的大小

↓，柴油機排氣阻力↑，柴油機使用特性線向小流量方向移動，移向喘振線和高效區(qū)。

3、聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié)（2）改變壓氣機擴壓器的進口角

2.4.2降低熱負荷的調(diào)節(jié)1.增壓柴油機的熱負荷問題柴油機進氣溫度↑

熱負荷↑氣缸蓋“鼻梁區(qū)”斷裂、燃燒室鑲塊燒結(jié)、活塞環(huán)燒結(jié)、卡死、活塞燒裂等；渦輪會發(fā)生葉片變形、密封環(huán)燒結(jié)等。

增壓以后壓縮始溫↑柴油機工作循環(huán)各特征點溫度↑2、熱負荷的一種表達式?jīng)]有與掃氣空氣混合時的排氣溫度T。―壓縮始溫－壓力升高比

－預(yù)膨脹比

B－排氣門打開時及進氣門關(guān)閉時的氣缸容積比；－壓縮比；－壓縮始壓與膨脹終壓之比；－壓縮多變指數(shù)；－膨脹多變指數(shù)；－排氣流出氣缸的多變指數(shù)，與空氣混合后的排氣溫度－掃氣系數(shù)；－壓氣機出口溫度

3影響熱負荷大小的主要因素（1）掃氣系數(shù)

柴油機:增加柴油機的進、排氣門疊開角，增大進、排氣管的壓力差，增大進、排氣門的時間－截面等。(2)壓氣機出口溫度(3)工作過程組織2.4.3降低熱負荷的主要措施1.適當(dāng)增大進、排氣門疊開角2.增大疊開期內(nèi)的進、排氣管壓力差合理設(shè)計進氣管

合理設(shè)計排氣管

3.增大進、排氣門的時面值1）合理設(shè)計配氣凸輪2）盡量擴大進、排氣門的面積3）增加搖臂比4.增壓中冷5.強化冷卻措施l）改善機油冷卻條件2）改善冷卻系統(tǒng)工作條件3）中速機可以鉆孔冷卻缸套上部及缸蓋6.改善供油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)1）調(diào)整供油規(guī)律

2）促進燃燒室中的油氣混合

3）合理調(diào)整供油提前角

4）增加過量空氣系數(shù)

2.4.4降低機械負荷的調(diào)節(jié)1.增壓柴油機的機械負荷問題

－壓力升高比，一般－壓縮比，一般柴油機12～20；－壓縮多變指數(shù)，

2、降低機械負荷的一些途徑（1）適當(dāng)降低柴油機的壓縮比

（2）適當(dāng)減少供油提前角

（3）調(diào)整渦輪增壓器1）適當(dāng)增大噴嘴環(huán)出口面積

2）適當(dāng)增大壓氣機及渦輪的蝸殼

（4）優(yōu)化供油系統(tǒng)1）柱塞直徑

2）噴孔尺寸

a循環(huán)供油量確定時，噴孔總通流面積

－循環(huán)供油量最大值

－噴孔流量系數(shù)

－噴油時的平均流速

－噴油持續(xù)時間

－噴油平均壓力－氣缸平均壓力

－噴油持續(xù)角

b噴孔直徑和噴孔數(shù)第三章中冷技術(shù)3.1中冷技術(shù)對增壓系統(tǒng)性能的影響

圖3－1外特性對比

原機（增壓非中冷）

增壓中冷機型3.2中冷器冷卻方式與結(jié)構(gòu)3.2.1中冷器冷卻方式3.2.2.中冷器結(jié)構(gòu)（1）水冷式中冷器結(jié)構(gòu)a：管片式水管截面形狀：圓形：工藝性好，可靠性好，阻力大，空氣壓力損失大。橢圓形：阻力較小，工藝較好，柴油機中冷器常用。扁管形：工藝差。滴形：空氣阻力小，工藝性差，可靠性差。少用。流線形：空氣阻力小，工藝性差，可靠性差。少用。b：冷軋翅片管式優(yōu)點：兩種金屬牢固地貼合，之間幾乎沒有間隙，長期振動也不會脫開；中冷器成品由于不用焊接法，無虛焊、脫焊等焊接問題，接觸熱阻小，工作可靠。缺點：同樣體積下冷卻表面積較小，空氣阻力損失較大（2）風(fēng)冷式中冷器結(jié)構(gòu)a板翅式b.管翅式圖3-6管翅式中冷器結(jié)構(gòu)3.3中冷器管道內(nèi)三維溫度場測定試驗3.3.1問題的提出3.3.2試驗方案設(shè)計1.紅外熱象儀工作原理2.測試方案設(shè)計3.3.3試驗設(shè)施及測試過程1.試驗設(shè)施2.測試過程3.3.4誤差評定1.微熱電偶的制作、標(biāo)定與誤差評定2.系統(tǒng)誤差的評定3.操作誤差的評定3.3.5測試結(jié)果及分析

溫度場特征（2）冷風(fēng)Re數(shù)對溫度分布的影響（3）溫度場特征分析2.傳熱分析（1）平均努謝爾特數(shù)Nu（2）局部Nu數(shù)3.4中冷器的設(shè)計計算對數(shù)平均溫差法：校核散熱面積能否滿足設(shè)計要求效能－傳熱單元數(shù)校核增壓空氣和冷卻介質(zhì)在中冷器出口的溫度是否在使用要求的范圍內(nèi)NTU法算例：（1）原始數(shù)據(jù)（2）傳熱系數(shù)計算6.增壓空氣通道當(dāng)量直徑對于板翅式和管翅式中冷器3.4.3用對數(shù)平均溫差法校核散熱面積如所需散熱面積大于實際散熱面積，說明設(shè)計的中冷器不能滿足使用要求，應(yīng)重新設(shè)計，適當(dāng)增加散熱面積并進行校核。當(dāng)所需散熱面積小于實際散熱面積較多時，也應(yīng)適當(dāng)減少散熱面積。3.4.4用效能（）－傳熱單元數(shù)（NTU）法校核增壓空氣出口溫度3.4.5增壓空氣和冷卻介質(zhì)的流動阻力損失3.5中冷技術(shù)仿真計算3.5.1幾何模型3.5.2網(wǎng)格劃分3.5.3邊界條件3.5.4計算結(jié)果1.溫度場分析2.壓力分析3.速度分析第四章

提高平均有效壓力及改善低工況的措施

4.1提高平均有效壓力的措施4.1.1米勒系統(tǒng)1.設(shè)計思想R.H.Miller1951年提出了低溫高增壓系統(tǒng)2.特點1）只改變進氣門開閉時刻，膨脹比不變。大負荷時膨脹比大于壓縮比。

2)進氣門定時變化使開、閉時間共同提前或延后，相應(yīng)氣門重登角也發(fā)生變化。

3)起動及低負荷時，采用高壓縮比，改善了部分負荷性能；高負荷時，采用低有效壓縮比，限制了最高爆發(fā)壓力的過分增大，以確保發(fā)動機的可靠性。

4)具有較低的溫度，充量增多，過量空氣系數(shù)φa大，壓縮開始時缸內(nèi)溫度低，從而減小了熱負荷。

5)米勒系統(tǒng)有較低的缸內(nèi)溫度，NOx的排放較少。

6)米勒系統(tǒng)與其他增壓系統(tǒng)比較，達到同樣的平均有效壓力時需要有較高的增壓比。4.1.2可變壓縮比增壓系統(tǒng)

1-外活塞2-內(nèi)活塞3-彈簧集油器4-彈簧泄油閥5-上油腔6-進油閥7-通道8-止回閥9-下油腔10-泄油孔4.1.3Hyperbar增壓系統(tǒng)

2.特點（1）工作循環(huán)方面的特點

1)高增壓比。

2)低壓縮比。

3)其工作循環(huán)屬于低溫循環(huán)。（2）結(jié)構(gòu)方面的特點

1)旁通。

2）旁通節(jié)流。

3）補燃。（3）質(zhì)量和尺寸方面的特點

1)主要零部件結(jié)構(gòu)尺寸基本不變。

2）熱負荷基本不變。

3）機械負荷基本不變。（4）優(yōu)缺點1）功率增長幅度大。2）轉(zhuǎn)矩特性寬廣。3）加速性好。4）排放污染輕。5）油耗偏高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。4.1.4二級增壓系統(tǒng)特點1)雙軸式運行范圍寬，便于調(diào)節(jié)。2)兩臺獨立運行的渦輪增壓器能更好地在各自的高效區(qū)運行因而總效率高。3）雙軸式二級渦輪增壓器無需專門設(shè)計與制造，總造價較低。4）單軸式二級渦輪增壓器所占空間較雙軸式的小。高、低壓級能量分配原則：1)在標(biāo)定工況下，使二級壓氣機系統(tǒng)總效率達到最大值。2)從高壓級、低壓級增壓器尺寸大小的配合出發(fā)，進行最佳增壓比分配。3)從改善部分負荷特性出發(fā)，進行最佳增壓比分配，這種分配原則應(yīng)用較多4.1.5提高單缸柴油機性能的措施單缸柴油機增壓技術(shù)路線分析（1）機械增壓

（2）機械增壓中冷（3）渦輪增壓3.增壓中冷單缸柴油機臺架和道路試驗4.2改善低工況的措施

4.2.1增壓柴油機低工況性能分析4.2.2可變截面增壓系統(tǒng)采用變截面渦輪的優(yōu)點是:①在不損害高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟性的條件下，增大低速轉(zhuǎn)矩；②擴大了低油耗率的運行區(qū)；③使柴油機的加速性提高；④可以滿足要求越來越高的排放和噪聲法規(guī)。

4.2.3放氣系統(tǒng)4.2.4低工況進、排氣旁通系統(tǒng)Pe/kW圖4-218ZA40S柴油機進、排氣門旁通后性能的改善4.2.5電輔助增壓系統(tǒng)4.2.6復(fù)合諧振增壓系統(tǒng)圖4-26B6135Z柴油機采用復(fù)合諧振增壓系統(tǒng)與一般渦輪增壓系統(tǒng)的性能比較4.2.7相繼增壓系統(tǒng)4.2.8二次進氣增壓系統(tǒng)4.2.9顧氏增壓系統(tǒng)4.2.10SCABY增壓系統(tǒng)4.2.11AVIEIT增壓系統(tǒng)4.2.12MIXPC增壓系統(tǒng)4.3改善增壓柴油機瞬態(tài)特性的措施4.3.1增壓柴油機的瞬態(tài)特性分析（1）定義：增壓柴油機瞬態(tài)特性是指在變速或變負荷情況下柴油機的性能。（2）現(xiàn)象：

當(dāng)油量突加時（加速、加負荷時），排煙嚴重。圖4-3812V396TC32柴油機瞬態(tài)特性（3）供氣量滯后的原因

增加供油量以后，缸內(nèi)氣體能量增加，但在排氣門開啟之前，渦輪得不到這部分能量；即使排氣門打開，由于排氣管體積較大，其中的氣體具有可壓縮性，需經(jīng)過幾個工作循環(huán)，排氣管中的氣體壓力才能逐步上升，即渦輪得到的能量增加需經(jīng)過一段時間；即使渦輪得到的能量增加，其本身及增壓系統(tǒng)具有一定的轉(zhuǎn)動慣量，加速轉(zhuǎn)子需消耗一部分能量，也使其瞬態(tài)響應(yīng)滯后；進氣管具有一定的容積，增壓壓力的提高也需要一個過程，因此供氣量的增加需要時間（4）瞬態(tài)特性不好的危害燃燒不完全，冒煙；聯(lián)合運行線的位置與穩(wěn)態(tài)時相比發(fā)生偏移。4.3.2減小進氣管和排氣管的容積4.3.3減小渦輪通流面積4.3.4減小渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量內(nèi)支承式渦輪增壓器；二級渦輪增壓系統(tǒng)；陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子圖4-42渦輪增壓器轉(zhuǎn)動慣量對瞬態(tài)特性的影響第五章增壓柴油機熱力過程模擬計算5.1概述1）預(yù)測柴油機的性能指標(biāo)2）對柴油機和渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化3）為柴油機的可靠性校核計算提供依據(jù)4）進行工作過程分析5.1.1模擬計算的意義

5.1.2模擬計算方法一、熱力系統(tǒng)的劃分

系統(tǒng)內(nèi)各個部位的氣體壓力、溫度和成分都是均勻的，即處于瞬時熱力平衡狀態(tài)；系統(tǒng)和系統(tǒng)之間通過熱量與質(zhì)量的傳遞相互聯(lián)系。（1）氣缸

假定柴油機氣缸中每一瞬時氣體的壓力、溫度和成分均勻;

作為一個熱力系統(tǒng)。模型：完全混合掃氣模型：用于四沖程柴油機、二沖程柴油機分層掃氣模型：用于二沖程柴油機的強制掃氣階段。注意：此時應(yīng)劃分為兩個熱力系統(tǒng)，即掃氣氣流區(qū)域和廢氣區(qū)域，兩系統(tǒng)壓力平衡，溫度和成分不同。不同的工作階段采用不同的微分方程，計算順序：壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程、掃氣過程、進氣過程。（2）排氣管

指從排氣門到渦輪入入口的排氣道、排氣歧管和總管。模型：容積法一維不定常流動法（3）渦輪增壓器

渦輪：做功元件。流量和做功量來自于排氣管參數(shù)。壓氣機：根據(jù)壓氣機流量特性曲線和每循環(huán)的渦輪做功，求得壓氣機出口氣體的壓力、溫度、流量等參數(shù)。（4）中冷器

流通阻力系數(shù)和換熱效率已知：流通阻力系數(shù)和換熱效率未知：效能－傳熱單元數(shù)法中冷器出口氣體的壓力和溫度（5）進氣管

一般采用容積法進氣諧振系統(tǒng)應(yīng)考慮進氣管內(nèi)的壓力波動，采用一維不定常流動法。二、模擬計算的方法步驟1.已知條件

（1）柴油機的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)缸徑、行程、氣缸數(shù)、配氣相位、氣門尺寸、氣門升程規(guī)律、壓縮比、曲柄連桿比、排氣管尺寸等。（2）柴油機的工作參數(shù)柴油機轉(zhuǎn)速、單缸循環(huán)供油量、供油提前角、環(huán)境狀態(tài)等。（3）渦輪增壓器的有關(guān)參數(shù)渦輪最高效率、渦輪增壓器機械效率、壓氣機流量特性曲線、渦輪噴嘴環(huán)出口流通面積、渦輪葉輪出口流通面積等。（4）中冷器有關(guān)參數(shù)冷卻效率、流通阻力損失系數(shù)或中冷器結(jié)構(gòu)尺寸。（5）靠經(jīng)驗選取的參數(shù)進、排氣門流量系數(shù)，缸壁溫度，燃燒放熱模型等。2.計算步驟

（1）缸內(nèi)壓縮過程計算暫時假定壓縮初期缸內(nèi)壓力、溫度、氣體成分和質(zhì)量，按每一微小時間間隔（一般取1°～2°CA）計算壓縮過程，直到噴油開始；然后求出滯燃期，進行滯燃期期間的壓縮過程計算。（2）燃燒過程計算在每一微小時間間隔，利用燃燒放熱模型進行計算。由于此時壓力和溫度變化較大，時間間隔應(yīng)取得更小一些［一般取0.5°～1°CA］。（3）膨脹過程計算在每一微小時間間隔，從燃燒終點至排氣開始。（4）排氣過程計算暫時假定排氣初期排氣管內(nèi)氣體的壓力、溫度、成分和質(zhì)量，在每一微小時間間隔同時進行三個方面的計算：缸內(nèi)過程、排氣管狀態(tài)和渦輪作功。（5）掃氣過程計算暫時假定進氣管內(nèi)的壓力和溫度，并保持為常數(shù)。按每一微小時間間隔進行四個方面的計算：進氣、缸內(nèi)、排氣和渦輪作功。由于此時氣缸余隙容積較小，且缸內(nèi)氣體的成分變化較大，為了計算穩(wěn)定，間隔應(yīng)取得更小一些（一般取0．25°～0．5°CA）。（6）進氣過程計算

進行進氣計算和缸內(nèi)計算，直到進氣門關(guān)，回到壓縮始點。（7）壓縮始點缸內(nèi)參數(shù)校核

用第（6）步算出的壓縮始點狀態(tài)與第（1）步的暫時假定值比較（一般只比較壓力），如不一致，以第（6）步算出的壓力、溫度、成分和質(zhì)量代入第（1）步重新進行計算，直到結(jié)果一致。

注意：在迭代過程中，對于排氣始點暫時假定的排氣管內(nèi)狀態(tài)，以前一次算出的計算結(jié)果代入，僅作迭代，不作校核。（8）渦輪增壓器的計算

累加每循環(huán)全部氣缸的渦輪作功，計算壓氣機出口的壓力和溫度。（9）中冷器計算

計算中冷器出口亦即進氣管內(nèi)的壓力和溫度。（10）進氣管內(nèi)壓力的校核

用算得的進氣管壓力與第（5）步暫時假定值進行比較，如不一致，代入新算得的壓力和溫度值，從第（1）步開始重新進行迭代計算。溫度可僅作迭代，不作校核。三、計算結(jié)果

1）缸內(nèi)壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即缸內(nèi)P－圖和T－圖。2）排氣管內(nèi)壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系。3）燃燒放熱率、累積燃燒放熱率、缸內(nèi)壓力升高率。4）增壓壓力、空氣流量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機效率等渦輪增壓器的工作參數(shù)。5）柴油機的綜合性能參數(shù)，如功率、油耗率、轉(zhuǎn)矩、熱效率、機械效率、充量系數(shù)、過量空氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、殘余排氣系數(shù)、排氣壓力和溫度等。5．2工質(zhì)成分、比熱容、等熵指數(shù)、相對分子質(zhì)量及氣體常數(shù)混合氣體平均摩爾定容熱容等熵指數(shù)相對分子量Mr

氣體常數(shù)R與混合氣體的組成成分有關(guān)把混合氣體分成兩部分計算純?nèi)紵a(chǎn)物純空氣純?nèi)紵a(chǎn)物:燃燒過量空氣系數(shù)時完全燃燒后的燃燒產(chǎn)物。

純空氣：

相對分子質(zhì)量

對于一般柴油機燃料，其成分按計算相對分子質(zhì)量表示含有兩種氣體成分的組成的方法瞬時排氣系數(shù)：

某一瞬時氣缸內(nèi)氣體中純?nèi)紵a(chǎn)物的質(zhì)量與其中純空氣的質(zhì)量之比Mz－該瞬時氣缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量mN－該瞬時氣缸內(nèi)純空氣的質(zhì)量廣義過量空氣系數(shù)

某一瞬時氣缸內(nèi)存在的空氣量（相當(dāng)于燃燒以前的）與氣缸內(nèi)氣體所含有的燃燒產(chǎn)物所相當(dāng)?shù)娜加土坷碚撋先紵杩諝饬康谋戎?。－單缸循環(huán)供油量（kg）；－化學(xué)計量比，即1kg燃油理論上完全燃燒所需的空氣量，＝14.3kg／kg；－某瞬時氣缸內(nèi)已燃的燃油量占循環(huán)供油量的份數(shù)

燃燒過程中

排氣過程中－燃燒到某一瞬時已燃燒掉的循環(huán)噴油量的份數(shù)；－從排氣門排出的排氣量?；旌蠚怏w的摩爾定容熱容的計算（內(nèi)插法）經(jīng)驗公式：平均摩爾定容熱容瞬時摩爾定容熱容混合氣體其他參數(shù)等熵指數(shù)相對分子質(zhì)量氣體常數(shù)5．3缸內(nèi)熱力過程計算缸內(nèi)狀態(tài)三個基本參量（m，p，T）能量守恒方程質(zhì)量守恒方程狀態(tài)方程聯(lián)立求解能量守恒方程質(zhì)量守恒方程狀態(tài)方程hd和he－分別為從進氣門和排氣門流過氣體的比焓；Qf－燃料燃燒的熱量；Qw－冷卻介質(zhì)帶走的熱量；Vz為此瞬時的氣缸容積；－進氣門流入質(zhì)量；－排氣門排出質(zhì)量。

先算出缸內(nèi)溫度的增量及下一步長的溫度，再由狀態(tài)方程式算出缸內(nèi)壓力。方程組的計算順序：先算出缸內(nèi)的壓力增量及下一步長的缸內(nèi)壓力，再由狀態(tài)方程式算出缸內(nèi)溫度；能量守恒方程的簡化形式缸內(nèi)不同的工作階段，上述各項中可能會有一項或多項為零，方程會進一步簡化。壓縮過程燃燒過程膨脹過程純排氣過程掃氣過程純進氣過程5．3．1氣缸工作容積氣缸容積變化率5．3．2燃油燃燒放熱規(guī)律燃燒放熱率式中，gf－單缸循環(huán)供油量；x－在某一曲軸轉(zhuǎn)角時，已燒掉的燃油質(zhì)量與gf之比，即累積燃燒放熱率；－瞬時燃燒速率；Hu－所用燃料的低熱值，對于柴油，Hu＝41868kJ／kg。1.用單Vibe（韋博）曲線模擬

適用于平均有效壓力不很高、轉(zhuǎn)速不高的中、低速柴油機。m－燃燒品質(zhì)指數(shù)－燃燒始角

－燃燒持續(xù)角

在非標(biāo)定工況時，燃燒持續(xù)期和燃燒品質(zhì)指數(shù)m可用下式予以修正2.用雙Vibe曲線模擬

其中計算部分負荷工況時可取、、mp、md與標(biāo)定工況相同

擴散燃燒的熱量（）和擴散燃燒的持續(xù)角用下式修正:

3.用三段斜線模擬

圖5-3用三段斜線模擬放熱規(guī)律滯燃期

上海交大230公式的確定以噴油始角的缸內(nèi)壓力p與溫度T來計算考慮到在滯燃期中缸內(nèi)瞬時壓力和溫度對滯燃期的影響，從噴油開始，計算每一步長內(nèi)的瞬時滯燃期，滯燃期4.用Vibe雙區(qū)（VibeTwoZone）曲線模擬5.用MCC（MixingControlledCombustion）準維模型模擬6.用WOSCHNI/ANISITS模型瞬態(tài)工況5.3.3氣缸周壁的熱傳導(dǎo)氣體對氣缸周壁散熱率的一般表達式式中，Kw－傳熱系數(shù)；F1－與缸內(nèi)氣體接觸的缸套周壁表面積，F(xiàn)1=4VZ/D；Tw－氣缸套內(nèi)壁平均溫度；Tw1－氣缸蓋內(nèi)表面平均溫度；Tw2－活塞頂內(nèi)表面平均溫度；TZ－缸內(nèi)氣體瞬時溫度。Kw的計算5.3.4進、排氣門的流量計算1.氣門的幾何流通截面積氣門處的流通截面積氣門座喉口處的流通面積（5-55）（5-56）2.氣門的流量系數(shù)用實物靜吹風(fēng)試驗可得到經(jīng)驗公式（5-61）3.

進、排氣門的流量計算通過進氣門處的流動是亞音速流動，其流量為（5-62）通過排氣門的流動，在初期排氣階段為超臨界流動，后期為亞臨界流動亞臨界排氣階段（5-63）超臨界排氣階段（5-64）4.掃氣階段的缸內(nèi)氣體成分四沖程增壓柴油機：一般用完全混合模型。二沖程增壓柴油機：一般用濃排氣掃氣模型。5.4排氣管內(nèi)的熱力過程計算5.4.l容積法計算模型常微分方程的形式與計算氣缸內(nèi)熱力過程時相似，不同之處：1）排氣管的容積Vr＝常數(shù)。2）假定氣體的成分不隨時間而變，即3）氣體常數(shù)變化很小，可取Rr＝常數(shù)。4）氣體從排氣門流入排氣管，總有幾個氣缸依次流入同一根排氣管；而排氣有時從幾個渦輪或放氣閥流出。5）不對外作功。

排氣管中的能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、狀態(tài)方程n個氣缸排入同一根排氣管的能量和質(zhì)量；通過m個渦輪的能量和質(zhì)量；Vr為排氣管容積Rr為排氣管中的氣體常數(shù)能量守恒方程溫度變化率的形式（5-68）5.4.2脈沖轉(zhuǎn)換器和MPC系統(tǒng)的容積法計算1．脈沖轉(zhuǎn)換器計算模型把兩個排氣歧管和一個混合管作為三個容積，其間用喉口通道相聯(lián)，三個容積分別用容積法求解。把氣缸、排氣歧管和排氣總管分別作為三個容積系統(tǒng)，在能量方程、質(zhì)量方程和狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，加入動量方程，用壓力、溫度、質(zhì)量和速度四個基本參數(shù)描述容積內(nèi)的氣體狀態(tài)。相鄰容積間發(fā)生的熱力過程，用質(zhì)量傳遞、能量傳遞和動量傳遞等過程來描述，排氣門邊界、脈沖轉(zhuǎn)換器邊界和渦輪邊界，均簡化為簡單噴嘴。2．MPC系統(tǒng)的修正容積法5.4.3進、排氣管的一維非定常流動計算假定1）流動是一維的。對于每一個流動參量，均認為是該參量在管道截面上的平均值。2）流動是非定常的，每一個流動參量都是管道長度坐標(biāo)X和時間t的函數(shù)。3）管道截面積變化平緩，管壁是剛性的。4）可以考慮管壁對氣體的摩擦和熱交換，而且也可以考慮支流向管道中加入質(zhì)量，但仍認為氣流的狀態(tài)是一維的。5）不計氣體的重力。三個基本方程考慮到流通截面的改變和分支添加質(zhì)量的連續(xù)性方程的修正項；考慮到管壁的摩擦和分支添加質(zhì)量的動量方程的修正項；

考慮到管壁的傳熱和摩擦及分支添加質(zhì)量對能量方程的修正項

特征線法有限差分法有限元法限容積法5.5渦輪增壓器與中冷器的計算5.5.1渦輪采用簡化計算方法的兩點假定1）把整個渦輪作為一個節(jié)流噴嘴，其當(dāng)量流通面積為2）在排氣管壓力波動的情況下，認為微小時間內(nèi)的燃氣流是穩(wěn)定的，即所謂準穩(wěn)定流動。FN、FB分別為噴嘴環(huán)出口和工作葉輪出口氣流的實際流通面積（5-72）1.通過渦輪的流量和渦輪所作功在微小時間間隔內(nèi)，通過渦輪的質(zhì)量為為當(dāng)量流通面積FT下的流量系數(shù)；為渦輪的膨脹比。（5-73）2.渦輪當(dāng)量流通截面下的流量系數(shù)由渦輪增壓器生產(chǎn)廠家提供的試驗曲線直接進行計算，由根據(jù)試驗曲線整理的高次方經(jīng)驗公式計算

根據(jù)日本石川島播磨重工由VTR1系列渦輪增壓器得到的曲線整理（5-77）3.渦輪效率有試驗曲線把數(shù)據(jù)直接輸入計算機，計算時用插值法求出。無試驗曲線，應(yīng)已知經(jīng)驗公式石川島播磨重工根據(jù)VTR1系列軸流式渦輪增壓器的試驗結(jié)果整理得到公式：（5-81）上海交大根據(jù)幾臺國產(chǎn)軸流式渦輪的試驗數(shù)據(jù)整理的經(jīng)驗公式上海交大根據(jù)幾臺徑流式渦輪的試驗曲線總結(jié)出的經(jīng)驗公式：5.5.2壓氣機試驗得到圖5-7壓氣機性能曲線計算時，根據(jù)把性能曲線中四個參數(shù)中的和劃分為i×j個間隔，

二維線性插值5.5.3中冷器無中冷器時，壓氣機出口狀態(tài)(、、有中冷器時，中冷器的出口狀態(tài)是柴油機的進氣管狀態(tài)。

就是柴油機的進氣管狀態(tài)())效率－傳熱單元數(shù)法中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)中冷器入口參數(shù)中冷器出口參數(shù)Td

中冷器簡化計算引入中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)5.5.4渦輪增壓器及中冷器的計算步驟1）靠經(jīng)驗暫時假定增壓器轉(zhuǎn)速，中冷器、，壓氣機效率2）計算渦輪輪周線速度：3）計算渦輪瞬時膨脹比：徑流式渦輪須用式（5－78）計算修正膨脹比出口壓力和溫度4）計算渦輪當(dāng)量噴嘴流量系數(shù)5）計算廢氣流出渦輪時的理論速度再求出速比

6）計算渦輪效率

7）用式（5－73）和式（5－75）計算流過渦輪的流量和渦輪所作功

8）一個工作循環(huán)完了后，累加流過渦輪的質(zhì)量所作功，及柴油機的進氣量并求出渦輪和壓氣機的流量、9）用式（7－84）計算壓氣機增壓比10）根據(jù)、查壓氣機性能曲線插值求得、，用此返回第9）步重算，直到前后一致為止。11）計算增壓空氣壓力、溫度、密度12）計算中冷器出口壓力、溫度

是否一致？如不一致，以新值代入，從柴油機缸內(nèi)進氣過程開始，對缸內(nèi)、渦輪、壓氣機、中冷器各個系統(tǒng)重新進行計算，反復(fù)迭代，直到滿足規(guī)定的計算精度要求，一般規(guī)定前后誤差＜1％。迭代計算時，均應(yīng)以新值代入，13）校核中冷器出口壓力與開始計算時假定的

但可不作校核。5.5.5渦輪增壓器簡化模型與全模型介紹簡化模型分為三種計算模型：1）渦輪機規(guī)劃計算模型2）增壓壓力計算模型3）放氣閥計算模型全模型需要壓氣機MAP、渦輪機MAP和壓氣機喘振線已知微分方程為假定函數(shù)y是連續(xù)而有限的、步長始點為x1，則y1應(yīng)該是已知的，欲求步長終點x4的函數(shù)值y，首先求x1，y1處的斜率5.6常微分方程的數(shù)值解法圖5-8龍格-庫塔法以此斜率畫一根直線，直到步長中點，其坐標(biāo)為用這一對數(shù)值求解這一點的斜率：以這一斜率自起點（x1，y1）畫一根直線到步長中點，此點的坐標(biāo)為再在上述點上求斜率，得

以這個斜率其坐標(biāo)為（此處的y4并非步長終點函數(shù)值y）在這一點上第四次求斜率：自始點作直線，交步長的末尾處，求得函數(shù)增量求得解為：此值即為下一個步長的初始函數(shù)值。5.7增壓柴油機綜合參數(shù)計算（1）每缸每循環(huán)的指示功Wi；（2）平均指示壓力（3）機械效率四沖程增壓柴油機的機械損失壓力（4）平均有效壓力聯(lián)立求解（5）指示功率Pi（6）有效功率Pe（7）指示油耗率（8）有效油耗率be（9）渦輪進口排氣的平均溫度TTm1）瞬時排氣溫度的時間平均值2）以平均能量算得的平均值3）模擬熱電偶測量的溫度值最接近實測值（10）排氣管排氣壓力的時間平均值（11）每循環(huán)每缸流過的空氣量（12）整機空氣流量（13）殘余排氣系數(shù)儲存進氣終了時的值作為殘余排氣系數(shù)值

（14）每循環(huán)每缸進氣終了留在氣缸內(nèi)的新鮮空氣量mz為進氣終了時的缸內(nèi)工質(zhì)量。（16）燃燒過量空氣系數(shù)（15）總過量空氣系數(shù)（17）充量系數(shù)為進氣管內(nèi)的空氣密度。（18）掃氣系數(shù)（19）渦輪平均效率（20）渦輪增壓器總效率第六章

進一步提高增壓器流動效率及工作可靠性的措施

6.1進一步提高增壓器流動效率的措施6.1.1合理選擇葉片型式

1.直立葉片不苛求流動效率而采用徑流式直立葉片型式2.后彎葉片在壓比不求很高而流動效率要求很高的渦輪增壓器上得到廣泛應(yīng)用3.后掠葉片在渦輪增壓器上應(yīng)用廣泛。6.1.2合理設(shè)計子午面流道對比試驗表明，該項撞擊損失會帶來1%-3%的效率損失。6.1.3避免撞擊損失6.1.4減少葉輪中氣流急劇轉(zhuǎn)彎的流動損失

6.1.5減少輪背摩擦豉風(fēng)損失6.1.6消除葉輪進出口渦流損失6.1.7減少擴壓器及集氣殼中的流動損失

6.1.8減少進排氣歧管中的流動損失6.2進一步提高增壓器工作可靠性的措施6.2.1減輕增壓器早期磨損現(xiàn)象1.早期磨損現(xiàn)象2.早期磨損原因分析（1）制造工藝方面的原因1）動平衡精度未達標(biāo)2）軸表面硬度未達標(biāo)3）清潔度未達標(biāo)4）毛刺未凈（2）使用不當(dāng)方面的原因1）起動升速過快。

2）潤滑油壓力過低。

3）潤滑油溫度過高。

4）潤滑油與水混合，油路被臟物堵塞6.2.2減輕增壓器的漏油現(xiàn)象1.增壓器的漏油現(xiàn)象2.增壓器漏油通道分析第七章

性能測試技術(shù)7.1壓氣機性能測試7.1.1壓氣機性能試驗臺組成及其功能壓氣機性能包括流量、壓比、效率及轉(zhuǎn)速四個參數(shù)。壓氣機性能試驗臺組成包刮恒溫進氣系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，測控系統(tǒng)等。圖7-1壓氣機性能試驗臺示意圖7.1.2壓氣機性能試驗臺的關(guān)鍵問題1.進氣系統(tǒng)壓氣機絕熱壓縮功可用下式計算：式中，k—空氣絕熱指數(shù)；R—空氣氣體常數(shù)；T1—壓氣機進口溫度；πk—壓氣機壓比。絕熱效率可用下式表示：式中，Tk—實際壓縮終溫。計算表明：壓比一定時，T1增加60℃，ηack只降低0.5%。為提高測試的準確性要盡量保持進口溫度穩(wěn)定，一般采取以下一些措施：1）若風(fēng)源壓力足夠大，冷吹比熱吹準確性好。2）設(shè)一帶濾網(wǎng)和進氣消聲裝置的靜室，靜室取氣于空干凈的大車間或其

它非陽光直射的大空間。3）壓氣機進口管道隔熱。4）測試室空氣流通良好。2.驅(qū)動系統(tǒng)

測量壓氣機性能必須有驅(qū)動裝置，只要能達到壓氣機最高轉(zhuǎn)速，最大流量，采取何種驅(qū)動裝置均可，通常有機械式和氣動式兩大類。（1）風(fēng)源對車用、工程機械、移動電站及高速船機等動力裝置用的廢氣渦輪增壓器，其壓氣機性能用的風(fēng)源以多級離心式壓縮機和螺桿式壓氣機為宜。（2）升溫裝置升溫裝置可分電加熱和燃燒加熱兩種型式。電加熱可確保氣流的穩(wěn)定和清潔，但建臺成本較高。燃燒加熱容易獲得高溫氣流，但系統(tǒng)和調(diào)節(jié)較復(fù)雜，且工質(zhì)不干凈，容易臟污渦輪，若燃氣流不均勻還會燒壞渦輪如圖所示。圖7-2燒損的渦輪3.潤滑系統(tǒng)中的儲能裝置

壓氣機能高速運轉(zhuǎn)是與浮動軸承內(nèi)外油膜分不開的，油膜是靠油壓來保證的，在長達數(shù)小時的試驗過程中潤滑油壓必須穩(wěn)定且足夠高。為此潤滑油路中必須設(shè)一儲能裝置，如圖7-3所示。圖7-3潤滑油系統(tǒng)示意圖4.自循環(huán)的溫升比

在壓氣機性能試驗中，當(dāng)壓氣機出口壓力超過風(fēng)源出口壓力時就有可能用增壓器的壓縮空氣代替風(fēng)源氣體，通過燃燒室升溫補充能量吹動渦輪，驅(qū)動壓氣機，構(gòu)成自循環(huán)。

溫升比是指渦輪進口溫度TT與壓氣機出口溫度Tk之比，可用下式表示：式中，ηTk=壓氣機絕熱效率

計及燃料流量及漏泄量的壓氣機質(zhì)量流量；

表示壓氣機進氣管路中的相對壓力損失表示壓氣機出口至渦輪進口管路中的相對壓力損失。由上可見：1）管路中漏泄量越多，溫升比越大；壓力損失越多，溫升比越大。2）漏泄量多少與安裝質(zhì)量有關(guān)；壓力損失與管道設(shè)計及管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)。管道彎頭曲率半徑越小，管內(nèi)壓力損失越多。3）溫升比大到渦輪及相應(yīng)管路材料耐熱極限，表明該臺架已達工作極限。7.2渦輪性能檢測7.2.1重視渦輪性能的改善渦輪性能主要由渦輪膨脹比，渦輪轉(zhuǎn)速，渦輪流量，渦輪效率，渦輪膨脹功等參數(shù)組成。由于渦輪性能參數(shù)變化域較寬，在增壓匹配中往往能涵蓋壓氣機性能參數(shù)變化域，故對渦輪性能不被引起注意，只注重壓氣機性能，其實這是一個誤區(qū)。在當(dāng)今排放法規(guī)日益苛求情況下，后處理裝置占據(jù)了一段排氣壓差，影響了渦輪充分膨脹，不得不以提高增壓比及增壓器總效率來加以補償。因而提高渦輪性能越來越受到重視。7.2.2渦輪膨脹功的測渦輪性能測試中的關(guān)鍵問題主要是渦輪膨脹功的測試。當(dāng)前測定渦輪膨脹功最佳方案是用特制的高速測功器。而這種高速測功器成本高，目前尚未普及。測試渦輪膨脹功一般情況下用壓氣機作測功器，這種測試方法的優(yōu)缺點如下：主要優(yōu)點是：1)渦輪及壓氣機性能同時測定，減少系統(tǒng)測試誤差；2)臺架結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，操作也較方便。主要缺點是：1)渦輪工況不穩(wěn)，影響測試精度；2)以燃氣為工質(zhì)，渦輪進口界面溫度不均勻，容易出現(xiàn)炭黑污染甚至局步燒結(jié)等現(xiàn)象；3)燃燒室及其后管段對環(huán)境散熱，容易引起壓氣機性能飄移；4)工質(zhì)電加熱測試渦輪性能，這是較為理想的方案，工質(zhì)干凈，不損工件，易調(diào)節(jié)進口溫度，但經(jīng)濟性較差。7.2.3渦輪綜合試驗臺1.渦輪綜合試驗臺的組成渦輪性能綜合測試的試驗臺方案如圖7-4所示。該臺架由開式的壓氣機性能測試迥路和閉式的渦輪性能測試迥路聯(lián)合組成。中間有一個燃氣渦輪和離心式高溫氣體壓縮機。靜室是測壓氣機性能必需的。圖7-4渦輪試驗臺示意圖渦輪試驗臺特點：1)渦輪壓氣機運行平穩(wěn)，參數(shù)測定的準確性高；2)工質(zhì)干凈，不污染渦輪；3)迥路閉式，電加熱器Dc耗能少；耗氣量很少，風(fēng)源本身能耗很少。故臺架經(jīng)濟性好，尤其適應(yīng)耐久試驗；4)兩迥路之間通過屏蔽可改善測試環(huán)境，減少壓氣機性能測定時熱輻射干擾。5)臺架實現(xiàn)遠距離全程自動控制，工作條件可以大為改善。7.3超速包容性檢測7.3.1超速包容性檢測必要性

渦輪增壓器處高溫、高速環(huán)境下工作，若再考慮材質(zhì)和熱加工工藝的不穩(wěn)定性，對其工作可靠性帶來很大影響。工傷事故已有發(fā)生，因此，對產(chǎn)品進行超速性，包容性檢測十分必要，尤其是新產(chǎn)品或重大改進后的產(chǎn)品。超速、包容性檢測一般情況下可同時進行。7.3.2超速包容性檢測要求(1)記錄葉輪飛裂轉(zhuǎn)速。(2)搜集飛裂碎片，以分析飛裂原因。(3)確保碎片穿不透保護裝置，做到絕對安全。7.3.3超速包容性檢測裝置

超速包容性檢測試驗可在壓氣機、渦輪性能綜合測試臺上進行。檢測時在被測件旋轉(zhuǎn)平面處加一個移動式保護裝置。保護裝置由左、右保護罩、安裝導(dǎo)板及移動式支架等組成，如圖7-5、7-6和7-7所示。圖7-5超速包容試驗保護罩圖7-6鉛磚示意圖a)罩直壁內(nèi)層用b)罩頂內(nèi)層用圖7-7保護罩安裝導(dǎo)板及支架7.4密封性檢測7.4.1建密封性試驗臺必要性

較為精確定量反映漏油狀態(tài)，找出漏油的結(jié)構(gòu)因素，為提高密封性減少漏油量提供手段。7.4.2密封性試驗臺的工作機理

由于潤滑油的粘滯性大及其影響因素多元性，密封性試驗臺以空氣取代潤滑油為臺架試驗的工質(zhì)。正因為工質(zhì)不同，各自的影響因素只能相對而言。離開了具體產(chǎn)品，檢測結(jié)果只能作定性分析。圖7-8密封試驗臺工作原理圖7.4.3密封性試驗臺的臺架組成密封性試驗臺由壓縮空氣源，集氣系統(tǒng)，測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。圖7-9照片示出了一個簡易密封性檢測臺。圖7-9密封試驗臺壓縮空氣源包括空壓機一臺1-2m3穩(wěn)壓筒一個及除水裝置一套