柴油机与涡轮增压器的匹配.pptx

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1、柴油机与涡轮增压器的匹配q 1、与内燃机匹配得涡轮增压器要求与内燃机匹配得涡轮增压器要求:(1)满足内燃机所需得增压压力和空气流量;(2)稳定工作,不发生喘振或堵塞(3)联合运行线穿过压气机高效区(平行);(4)涡轮增压器可靠工作,不超速,不超温。q 2、内燃机与涡轮增压得匹配内容内燃机与涡轮增压得匹配内容 内燃机与压气机;内燃机与涡轮;压气机与涡轮 2 2、1 1 压气机与内燃机得匹配压气机与内燃机得匹配30103600eesN gLm000ccccpRTpRT321060hvscV nmi v 发动机与压气机良好匹配特征发动机与压气机良好匹配特征:效率效率:内燃机特性线穿过压气机得高效区,

2、且最好使内燃机运行线与压气机等效线相平行,喘振裕度喘振裕度:应防止内燃机耗气特性线处于压气机得低效区或过于接近喘振线,甚至穿过喘振线,一般要求内燃机低转速时得耗气特性线离开喘振线得距离约为10%得喘振流量。良好匹配得良好匹配得MAP图就是什么样子？图就是什么样子？2 2、2 2 涡轮与内燃机得匹配涡轮与内燃机得匹配v 涡轮功率与发动机排气温度、压力直接相关011(1)TpTadkkWC Tv 内燃机与涡轮匹配就是否良好主要看涡轮流通内燃机与涡轮匹配就是否良好主要看涡轮流通能力得选择就是否合适能力得选择就是否合适:涡轮流通特性线上标上内燃机工作特性线,如果内燃机工作线偏离该型号涡轮得流通特性线,

3、则选择较大型号或较小型号得涡轮;如果内燃机和涡轮二者流通特性相差不大,则可变换涡轮喷嘴环面积来改变涡轮得流通能力,2 2、3 3 压气机与涡轮得匹配压气机与涡轮得匹配流量守恒:转速相等:功率平衡:cTnn01TceccmmmmmL11311(1)(1)ccTTkkcpccTpTcTmkkTm C Tm C Tq 3、涡轮增压器与柴油机配合运行点得确涡轮增压器与柴油机配合运行点得确定定问题问题:如何根据发动机工况以及涡轮增压器几何确定如何根据发动机工况以及涡轮增压器几何确定两者得配合运行点？两者得配合运行点？011011111TTkkkTTkkkTmTTmTmkTTmpkkmRTmR Tkkp

4、1011TTTT mkTmkRkKkkRTT 功率平衡功率平衡:式中，脉冲涡轮功率放大系数 通过涡轮得流量:式中,T脉冲系统流量缩小系数;Tm涡轮前平均燃气密度;T通流函数。0111011TTkkkkTkTmkkTmppmKpmp22TmTmTTTTmTTmTTTTTmpmFR TFRT 120021TTTkkkTTTTTTmTmppkkpp涡轮流量涡轮膨胀比压气机压比q 4、涡轮增压器与内燃机配合特性分析涡轮增压器与内燃机配合特性分析v 涡轮增压器与柴油机得配合特性曲线指得就是二者涡轮增压器与柴油机得配合特性曲线指得就是二者联合运行得工作线。联合运行得工作线。v 分析匹配优劣得主要方法分析匹

5、配优劣得主要方法:将内燃机耗气特性线叠合到离心式压气机特性线上去,根据两组特性线得相对位置来进行分析研究。什么就是内燃机耗气特性线？涡轮增压器与柴油机得配合特性线涡轮增压器与柴油机得配合特性线1柴油机标定转速运转得等转速线;2柴油机最低转速运行线;3柴油机外特性线;4柴油机按螺旋桨特性工作得运行线 曲线1就是柴油机以标定转速运转得等转速线。柴油机在这个标定转速下,随着负荷得增大,废气能量增加nTkkpz;柴油机在标定转速时得pemax受到nTkmax、pz和TTmax得限制。曲线2就是柴油机最低转速运行线。这时废气能量很小,所以k和mk都较小。Pe受到排气冒烟极限得限制,而且pe运行线愈接近喘

6、振线,此时应防止其穿过喘振线而落入不稳定工作区。曲线3就是柴油机外特性线。这时保持喷油量为最大值,随着nmTk、pk,循环供油量仍保持最大值,故排温TT较高,nTk和pk下降相对地较缓慢,故nmk。此时运行线易穿过喘振线。曲线4就是按螺旋桨特性工作得运行线。她处于外特性运行线3和等转速运行线1之间。涡轮增压柴油机得“伞形”运行范围 p一个好得匹配需要满足以下要求n性能好得低速转矩好得外特性油耗(BSFC)排烟小排放好加速性好n高海拔裕量增压器不超速增压器不过热n满足机械方面得要求满足所有工况下得转速、叶轮效率和温度限制满足增压度要求和整体密封性要求性能转速v 匹配结果评价q 5、涡轮增压器与柴

7、油机配合特性线得调整 (1)压气机喘振得调整压气机喘振得调整 增压器和柴油机得流量不匹配增压器和柴油机得流量不匹配,增压器得流量偏大增压器得流量偏大:可选小一点型号得涡轮增压器,使运行线脱离喘振线;压气机和涡轮不匹配压气机和涡轮不匹配,压气机通流能力过大或涡轮通压气机通流能力过大或涡轮通流能力过小流能力过小,致使压气机得运行点进入喘振区致使压气机得运行点进入喘振区:a、加大涡轮喷嘴环喉口面积或动叶喉口面积 b、减小压气机喘振流量涡轮喷嘴变化 柴油机方面得原因引起压气机喘振。如扫气箱容积过小,其中压力波动过大;压气机输气管、中冷器、柴油机通流部分或涡轮进气管得阻力过大等等,都可能引起运行线穿越喘

8、振线。用箭头符号表示比正常值偏高()或偏低()。a、nTk、pk、pT、pT0、TT值均正常,如发生喘振,可能就是压气机和涡轮匹配不当,即压气机喘振流量太大或涡轮得通流能力太小。测取mk值,利用压气机特性线即可区分就是压气机还就是涡轮方面得原因造成喘振。b、pk,ps,pT,TT,喘振可能就是压气机污染、结垢后,流动阻力增加等引起得。c、(pspT),pT,TT,发生喘振得原因可能就是柴油机通流部分阻力过大或有漏泄。d、(pkps),pT,TT,喘振可能就是中冷器阻力过大引起得(2)涡轮增压器转速和增压压力得调整涡轮增压器转速和增压压力得调整pknTk,因此,nk和pk得调整方法一致:a.减小

9、涡轮喷嘴环面积减小涡轮喷嘴环面积,使涡轮前燃气能量在涡轮中得焓降使涡轮前燃气能量在涡轮中得焓降增加增加;b.废气旁通阀废气旁通阀;c.c.在压气机出口旁通高压气体。在压气机出口旁通高压气体。废气旁通阀结构废气旁通阀结构 spring force弹力调节器空气压力调节器空气压力废气压力废气压力排气歧管或涡壳进气通道可变几何喷结构可变几何喷结构有叶喷嘴变截面涡轮示意图有叶喷嘴变截面涡轮示意图 (3)涡轮前燃气温度得调整涡轮前燃气温度得调整TT 涡轮前得燃气温度TT就是废气能量大小得重要标志,若TT过低,则能量不足;若TT过高,会烧坏涡轮叶片。减小涡轮喷嘴环截面积;减少扫气重叠角,降低扫气效果;增加

10、循环供油量,延长供油持续时间,减小供油提前角增加后燃持续期;q 6、增压柴油机得热负荷及解决途径(1)增压柴油机得热负荷问题 增压后,压气机出口温度升高:增压比为1、61、7时,约为100 增压比为2、5时,约为140160 压缩始温得增加,造成柴油机工作循环各特征点温度提高,排温升高,缸盖“鼻梁”区开裂,活塞环烧结,卡死、活塞热裂、涡轮转子热负荷过大损坏等 试估算压缩温度:压比为2、5,效率为0、8,环境温度为约27度(2 2)降低热负荷得主要措施降低热负荷得主要措施 a、适当增大进、排气门重叠角 b、增大叠开期内得进、排气压差:c、合理设计配气凸轮;扩大进排气门面积;d、增压中冷;e、强化

11、冷却系统:改善冷却系统工作条件:水泵流量、转速;散热器散热面积;风扇直径、转速;风扇叶片角等;f、改善供油系统及燃烧系统,保证燃烧在上止点附近完成,使燃烧效率较高,后燃较少,排气温度低 q 7、增压柴油机得机械负荷及解决途径(1 1)增压柴油机得机械负荷问题增压柴油机得机械负荷问题 柴油机得机械负荷就是由最高燃烧压力pemax和最大压力升高比来反映 最高燃烧压力pemax和压气机出口压力关系式:pemax=n pb 为压力升高比,一般1、32、2,如果取=2,16,n1、36,则pmax86、8 pb增压后最高燃烧压力将显著增大增压后最高燃烧压力将显著增大!(2 2)降低机械负荷得途径降低机械

12、负荷得途径:a、适当降低压缩比;b、调整涡轮增压器:c、适当减小供油提前角:d、优化供油系统:pemax=n pbq 8、涡轮增压发动机得扭矩特性(1)扭矩系数Jm就是发动机最大扭矩Me,max和额定扭矩Me得比值,即:Jm=Me,max/Me 目前增压机Jm=1、151、30左右,和非增压机大致相当。(2)转速储备系数Jn:发动机额定转速ne和最大扭矩转速nme,max得比值,即Jn=ne/nme,max。(3)扭矩适应性系数J就是扭矩系数Jm与转速储备系数Jn得乘积,即:J=Jm *Jn,扭矩适应系数值愈高,则发动机扭矩特性愈好,表示发动机在宽广得转速范围内具有良好得扭矩特性,提高了车辆得

13、机动性能;目前,一般车用柴油机涡轮增压后,其最大扭矩点转速要比非增压时有所增加,也即转速储备系数降低(2)影响扭矩特性得主要因素影响扭矩特性得主要因素a a、平均有效压力平均有效压力p pe e 在同一台增压发动机上,pe值低,即强化水平低,则值高时,Jm值增加;反之,pe增加,下降,Jm值减小。b b、增压压力增压压力pkpk 在pe相同得情况下,选择得pk值愈高,增加,则Jm得值也愈大。c c、涡轮增压器效率涡轮增压器效率Tk Tk 涡轮增压效率Tk愈高,则Jm得值也愈高。因为Tk高时,在发动机低速时可得到较高得pk值和较大得发动机进排气压差,从而可保证较高得扭矩。d d、设计点得选择设计

14、点得选择 涡轮增压器与发动机匹配时,如选择高速配合,即选择发动机额定转速作为设计点,则在发动机最大扭矩处得pk值会下降过多,扭矩特性显著变坏;如选择低速配合,即选择发动机最大扭矩时得转速为设计点,则可保证低速时具有较高pk值,但发动机额定转速时pk过高,增压器将出现超速。实际选择得设计点往往就是在上述二者之间,一般推荐得设计点转速为nD=(0、60、8)ne(额定转速)。e e、气缸数得影响气缸数得影响 同一系列得发动机,12缸机比8缸机得扭矩特性好,6缸机得比4缸机得Jm要高些,这就是3缸连接一根排气管时,脉冲能量利用较好得缘故。f f、增压方式增压方式 一般来说,脉冲增压比定压增压得扭矩特

15、性要好些,这就是因发动机转速下降,脉冲能量得利用程度提高。g g、燃烧室型式燃烧室型式 涡轮增压柴油机采用直喷式燃烧室得扭矩特性较好,半开式燃烧室次之,而球形燃烧室得较差。(4)(4)提高涡轮增压发动机扭矩得途径提高涡轮增压发动机扭矩得途径 采用脉冲增压系统或MPC系统;采用小型高效率得径流涡轮增压器,以最大扭矩点作为增压器得设计点,使最大扭矩点落在压气机高效区内;采用涡轮增压器得调节方法,可有效地提高发动机得扭矩性能。一般在柴油机上采用可变截面喷嘴环得涡轮,而在汽油机上普遍采用排气旁通放气方法,高工况放气。改进供油特性:使柴油机从额定点到最大扭矩点之间,随转速得降低而加大每循环得供油量;q

16、9、涡轮增压发动机得加速性(1)(1)发动机得加速性发动机得加速性 涡轮增压发动机加速性较差得原因:涡轮增压器与发动机之间仅存在气路联系而无机械联接,使发动机在加速过程中涡轮增压器得响应不可避免地存在一定得滞后(2)(2)改善增压发动机加速性能得途径改善增压发动机加速性能得途径 改善加速性能除了上述4点外,还有:1 1)采用可调涡轮增压器采用可调涡轮增压器 可变截面涡轮(包括可调喷嘴环),有利于改善发动机加速性和经济性;2 2)向压气机叶轮喷射压缩空气向压气机叶轮喷射压缩空气 利用车上得高压气源,在加速时通过压气机蜗壳上均匀分布得喷嘴向压气机叶轮喷射压缩空气;3 3)减小涡轮增压器转动惯量减小涡轮增压器转动惯量q 10、车用汽油机涡轮增压(一一)汽油机涡轮增压得主要技术障碍汽油机涡轮增压得主要技术障碍1)汽油机增压后爆燃倾向增加汽油机增压后爆燃倾向增加2)增压后汽油机和涡轮增压器热负荷大增压后汽油机和涡轮增压器热负荷大3)汽油机汽油机,转速和功率范围宽广转速和功率范围宽广,致使涡轮增致使涡轮增压器与汽油机得匹配相当困难压器与汽油机得匹配相当困难4)涡轮增压汽油机得加速性较差涡轮增压汽油