内燃机增压技术5.ppt

Harbin Engineering University,哈尔滨工程大学本科生专业任意选修课程 内燃机增压技术 课程主讲：冯永明副教授 办公地点：动力与能源工程学院动力楼903办公室 联系方式：fengyongming,Harbin Engineering University,课程主要内容提纲： 一、绪论（国内外内燃机增压技术现状及发展趋势） 二、涡轮增压器和中冷器 三、排气能量的利用与基本增压系统 四、增压对发动机热力性能参数的影响,课程主要内容提纲： 五、发动机与涡轮增压器的匹配 六、增压系统 七、车用发动机（汽油机与柴油机）增压技术 八、船用柴油机涡轮增压技术 九、排放法规对内燃机增压技术提出的挑战,涡轮增压系统的发展:,在内燃机增压技术发展史上，首先出现定压增压系统，由子排气能量利用程度不高、增压器效率低等原因，没有获得成功。 Buchi博士根据各缸发火顺序将排气管分歧，在进、排气门叠开期内实现了扫气，使脉冲增压系统获得成功。在不断追求高平均有效压力的低工况性能的发展史中，出现了多种增压系统。 大型低速二冲程柴油机采用增压技术已有50多年历史了，广泛采用了定压增压、脉冲增压、MPC系统以及机械增压和涡轮增压的复合系统。 2000年以后，在此基础上涡轮复合系统TCS，变几何涡轮增压系统也开始应用，电动辅助涡轮增压系统的设计研究，以及为进一步满足排放法规严格要求的多种增压系统受到了广泛关注。,涡轮增压系统的发展:,随着车用发动机排放法规更加严格， 迫使各汽车制造企业和发动机生产企业采用了不少先进技术来满足日益提高了的排放法规。目前车用发动机主要采用单级涡轮增压、变几何涡轮增压，机械+涡轮并联的复合增压，可控两级涡轮增压应用的逐渐增多，电动辅助增压系统等的研究是当前的热点。 船用四冲程柴油机采用一级涡轮增压和两级涡轮增压，增压系统向多元化发展，使发动机变工况和低负荷时增压器都具有良好的运行特性。 舰船中高速四冲程柴油机大多采用相继增压系统(STC), 并辅以进排气旁通、高工况放气等使柴油机在整个转速范围内都有较低的燃油消耗率，同时加速性能好。 可控两级涡轮增压系统，混合涡轮增压系统，是车用发动机和船用发动机增压技术发展的重点。,History 1885 and 1896, Gottlieb Daimler and Rudolf Diesel experiment with pre-compressing intake air 1925 Swiss engineer Albert Buchi develops first exhaust gas turbocharger which increases power output by 40% 1938 first commercial Diesel truck application by “Swiss Machine Works Sauer” 1962 first production application of turbochargers in passenger cars - the Chevrolet Monza Corvair and the Oldsmobile Jetfire,History 1970s first oil crisis and increasingly stringent air emission regulations lead to demands for higher power density as well as higher air delivery. Outcome - virtually all current truck engines are turbocharged. 1978 Mercedes-Benz puts the 300 SD into production marking the appearance of the first turbocharged Diesel passenger car 1994 VW introduces the variable geometry turbo in their TDI Diesel engine significantly improving the transient response of the Diesel engine.,Comparison of the Cylinder Diagrams of a 4-Stroke Engines with and without Turbocharging,Comparison of the Cylinder Diagrams of a 4-Stroke Engines with and without Turbocharging,四冲程柴油机对增压系统设计的主要要求是: 四冲程柴油机由于用途广、机型多、强化程度高，因而增压系统多种多样，各有特色，但对增压系统的要求是一致的，主要为： 1）在最大爆发压力和最高缸内温度许可范围内，力求提高平均有效压力； 2）起动及低工况性能好；3）瞬态特性好； 4）排气能量利用率高； 5）涡轮增压器总效率高； 6）各缸工作过程均匀； 7）制造成本低； 8）便于系列化。,实现高增压的增压系统:,为了提高柴油机的平均有效压力，必须提高增压压力，但受到最大爆发压力及最高温度的限制，因此采用高增压，甚至超高增压方式而又不使最大爆发压力及最高燃烧温度过高的低压缩比高压比增压系统、可变压缩比VCR增压系统、Miller米勒系统、Hyperbar超高增压系统、气缸充量转换系统、二级增压系统等陆续问世。 在平均有效压力不断提高的同时，发动机低工况性能的改善难度显得更大，因而谐振复合增压系统、高工况放气系统，可变截面涡轮系统、涡轮进口变截面系统、相继涡轮增压(STC)系统、补燃系统、可控两级涡轮增压系统，二次进气系统、顾氏系统、扫气旁通增压系统，自动变进排气供油定时(AVIEIT）系统等相继出现。,米勒系统的设计思想及其技术特点： 米勒系统控制进气门的关闭，使发动机的实际压缩比适应发动机负荷变化的需要。在高负荷时，进气门早关，相应发动机实际压缩比较低，从而降低最大爆发压力；而在启动及低负荷时，进气门晚关，相应发动机压缩比提高，从而改善发动机的低负荷特性，米勒系统可使发动机实现低温高增压循环。 米勒系统的技术特点： 1）只改变进气门开闭时刻，从而改变实际压缩比，而排气门定时不变，即膨胀比不变。大负荷时膨胀比大于压缩比； 2）进气门定时变化使开、闭时间共同提前或延后，相应气门重叠角也发生变化。,米勒系统的设计思想及其技术特点： 2）高负荷时、进气门提前开、提前关，重叠角增大，有利于扫气，并降低热负荷；低负荷时，进气门延后关，多进气； 3）启动及低负荷时，采用高压缩比，改善了部分负荷性能；高增压时，采用低有效压缩比，限制了最高爆发压力的过分增大，以确保发动机的可靠性； 4）米勒系统中，在进气过程中由于缸内膨胀而又冷却一次，故米勒系统可实现低温循环； 5）米勒系统有较低的缸内温度，NOx排放较低； 6）米勒系统与其他增压系统比较，达到同样的平均有效压力时需要有较高的增压比；在高增压时，往往需要采用二级增压系统。,Ideal cycle thermal efficiency with perfect air (Gas constant R = 287.04 kJ/kg/K, specific heat ratio k = 1.4).,Ideal cycle thermal efficiency with ideal air and gas properties.,Ideal processes,Ideal Miller cycle thermal efficiency with ideal air and gas properties.,Ideal cycle thermal efficiency comparison.,2-stage TC system principle.,2-stage TC system setup side view ABB TPS48 HP TC ABB TPS52 LP TC,2-stage TC system setup.,Miller cycle vs. std. Diesel cycle.,Miller cycle vs. std. Diesel cycle; high pressure cycle,Charge air pressure ratios with initial specifications.,Turbocharging system efficiency with initial specifications.,Exhaust gas temperatures with extreme Miller timing and 2-stage TC (initial specifications),Typical pressures during gas exchange,with extreme Miller timing,Relative NOx emissions with extreme Miller timing and 2-stage TC (initial specifications),可变压缩比高增压系统:,带膨胀室的变压缩比原理图,Hyperbar超高增压系统,Niigata Principles of CTC (combustion supplemented turbocharger) combustor operation,Niigata CTC configuration,改善底工况性能的增压系统:,相继涡轮增压系统的设计及其与发动机配合应用的技术特点： 相继涡轮增压系统：在此种涡轮增压系统中，采用两个或两个以上涡轮增压器，随着增压发动机转速和负荷升高（或降低），增压器相继按顺序投入（或退出）运行，使发动机在整个运转区域内有较高的增压比和较好的经济性，尤其显著提高发动机的低速转矩。 在系统设计上：相继涡轮增压系统结构简单，只需在涡轮进口加装燃气控制阀，及在压气机进口或出口加装空气控制阀，并根据发动机负荷或转速等的变化控制上述控制阀的开关。为了在发动机的整个运行区域达到良好的配合时，相继涡轮增压系统可采用两个相同尺寸或不同尺寸，以及两个以上涡轮增压器，并辅以旁通从而对整个发动机的运行区域进行分区，并使之在全运行区域内具有良好的燃油经济性和瞬态性能。,法国SEMT Pielstick 12缸PA6相继增压柴油机的结构示意图,Engine and air charging system performance during a 1TC2TC switch at 1010 rpm for the 12PA6STCengine,Engine performance during a 1TC/2TC switch at 1010 rpm for the 12PA6STC engine,Air charging system performance during a 1TC/2TC switch at 900 rpm for the 16PA6STC engine,Air charging system performance during a ITC/2TC switch at 900 rpm in case of a reduced valve opening timing16PA6STC engine,Surge loop on the compressor map,Performance of the compressor being started during a 1TC/2TC switch with an inlet manifold volume of .8 m3,Engine and air charging system performance during a 1TC/2TC switch at 1010 rpm for the 16PA6STC withan inlet manifold volume of 2 m3,MTU公司柴油机公司的MTU20V8000Engine,Fig.1 Diagram of the MTU20V8000 M70 Engine,MTU公司柴油机设计开发仿真平台：,Fig.2 Diagram of the Air and exhaust system for MTU20V8000 M70 Engine,Fig.3 GT-Power and Matlab/Simulink Engine Governor Model of the MTU20V8000 M70 Engine,Turbocharger speed,Charge air pressure,Turbocharger speed with