废气涡轮增压

第七章车用发动机的废气涡轮增压 重点 1 发动机增压概念 增压的评价指标 增压的作用和困难 2 发动机增压系统的分类 废气能量利用的基本形式 特点和适用情况 涡轮机和压气机的作用 3 增压发动机的结构特点与性能特点 4 汽油机增压的主要措施 第一节发动机增压概述 一 增压的基本概念定义 利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩 再送入发动机气缸的过程 作用 增加每循环进入气缸的新鲜充量密度 使实际充量增加 从而达到提高发动机功率和改善经济性的目的 发动机增压技术上的困难 1 采用增压使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增高 2 适用的小型增压器发展较晚 而且小型涡轮增压器的效率偏低 3 长期以来增压发动机很难满足车辆对扭矩适应性及瞬变工况的要求 4 车用汽油机增压遇到的困难更多 提高发动机单机功率的方法 根据1 改变发动机结构参数 缸数i 缸径D 冲程S 冲程数 受安装位置和自重的严格限制 2提高转速n及活塞平均运行速度Cm 充气效率和机械效率下降 燃料经济性 发动机运转可靠性 机件寿命 噪声限制 3提高平均有效压力Pe 最经济有效的方法 增压 k Pe Ne 其中 k 充量密度 KW 特性参数 一 增压比 由公式 因为 增压比 增压后气体压力与增压前气体压力之比 即 k Pk P0 代入上式 而平均有效压力 代入上式 得未增压时发动机功率的分析式 增压后 空气密度由未增压时的大气密度 变为增压后的密度 代入上式 得到增压后的发动机功率分析式 增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的 增压后 增压前 假定多变指数n 2 则 时 才 压力增长很多而密度增大不多 这主要是因为增压后温度会升高的缘故 若增压后温度不变 则 与p成线性关系 则 若在整个增压过程中 下降或保持为某一常数 则 const 此时 与 成正比 通常 为了不使过高 在增压器与发动机之间设置一个中冷器 对增压后的空气进行冷却 称为中间冷却 二 增压度增压度 指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比 Ne 0 Ne k 分别为增压前 后的功率 目前车用 10 60 范围内 大部分20 30 二 增压的分类1 按增压比分类 2 按增压系统的机构分类1 机械增压系统由发动机通过齿轮变速器来驱动 所增加的压力与与驱动压气机消耗的功成正比 增加的压力高 将导致整机性能下降 比耗油增加 2 废气涡轮增压系统 发动机排出的具有一定能量的废气进入废气涡轮并膨胀做功 废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作轮 在压气机中将新鲜空气压缩后 再送入气缸 废气涡轮增压 1 可以减少缸数或气缸直径 减少整机外形尺寸和单位功率的重量 这对提高车辆使用经济性很有意义 在内燃机重量体积改变 增加 不大的情况下 可提高功率20 50 2 提高了热效率 降低了发动机的油耗率5 10 3 减少了排气污染及噪声 4 降低了单位功率的造价 5 对补偿高原功率损失十分有利 废气涡轮增压与非增压性能比较 1 由于利用了废气能量 有利于改善整机动力性及经济性2 改善了排放品质3 起动性 加速性变差4 改善低速扭矩特性有一定困难5 热负荷及机械负荷增加 3 复合式发动机 复合式发动机优缺点 1 能充分利用废气能量 使动力性 经济性大为改善2 由于排气经过两级祸轮 使噪声降低3 结构复杂 成本高 技术难度大4 加速性变差 柴油机绝热化 涡轮复合式是一种很有效的方案 4 组合式涡轮增压系统 原理 由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成 在该增压系统中除涡轮增压器外 还有由稳压箱 共振管 共振室等构成的惯性增压系统优缺点 1 与涡轮增压相比 结构不算复杂2 对改善低速扭矩有益3 加速性变好4 进气管路比较庞大5 采用三缸一管谐振效果明显 采用二缸一管谐振效果较差 5 气波增压系统 原理 由曲轴驱动一个特殊的转子 在转子中废气直接与空气接触 利用高压废气的脉冲气波 膨胀波与压缩波 迫使空气压缩 以提高进气压力优缺点 1 与涡轮增压相比 可改善低速扭矩2 结构简单 加工方便 对主要件 转子 轴承 的材料及工艺要求不高3 加速性好4 工况范围大5 尺寸与重量比较大 必须由曲轴驱动 往往受安装位置的限制6 噪声大 发动机增压技术上的困难 1 采用增压使发动机主要零部件的机械负荷与热负荷增高 2 适用的小型增压器发展较晚 而且小型涡轮增压器的效率偏低 3 长期以来增压发动机很难满足车辆对扭矩适应性及瞬变工况的要求 4 车用汽油机增压遇到的困难更多 第二节废气涡轮增压器的工作原理 径流式涡轮 车用发动机轴流式涡轮 大 中型柴油机径流式涡轮增压器 离心式压气机 径流式涡轮机其他组件 支承装置密封装置冷却系统润滑系统 一 离心式压气机的工作原理与特性1 基本工作原理和主要参数离心式压气机一般由进气道1 工作轮2 扩压器3及出气蜗壳4所组成 压气机的主要参数为 1 空气的增压比 k Pk P0 2 流经压气机的空气每秒质量mk kg s 或容积流量V0 m3 s 相应于压气机的进口状态 3 压气机转速nk 4 压气机的绝热效率 ad k ad k 1kg空气的绝热压缩功had k与实际压缩功hk之比 表示压气功转变为有用的压缩功的程度 5 压气机功率 2 压气机特性曲线 1 流量特性 表示在压气机转速不变时 压气机的增压比 k和绝热效率 ad k随空气流量mk 或V0 的变化关系 2 压气机的喘振与堵塞在压气机的特性曲线上有一条喘振线 又称为稳定工作边界 含义 当压气机工作在喘振线右侧时 其工作是稳定的 而当处于喘振线左侧时 压气机的功作就变得不稳定甚至有危险了 因此 把出现喘振的工作点称为喘振点 对应的流量就是喘振流量 喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工作现象 原因 扩压器内气体分离扩大 现象 工作叶片振动 噪音 出口压力显著下降 结果 损坏压气机叶片 堵塞 在某一增压器转速下 通过压气机的气体流量随增压比的降低而增加 当流量增加到一定数值后 压气机通道中的某个截面达到临界条件 M 1 当增压比继续降低时 气体流量却不再增加 此时的气体流量称为堵塞流量 它也是该转速下压气机所对应的最大流量 3 通用特性流量折合成标准大气状态下的参数值 二 径流式涡轮机的工作原理与特性1 基本工作原理 2 涡轮机特性曲线 1 涡轮效率 T 涡轮将废气能量转换为机械功的有效程度 即 T 式中 涡轮机轴上的有用功 废气 废气所具有的能量 可以用焓降表示 废气 膨胀比 代表气体在涡轮中具有做功能力的重要参数 定义为涡轮进口气滞止压力 与涡轮出口气体静压力 之比 即 气体质量流量单位时间内通过涡轮的气体质量称为涡轮的气体流量 涡轮转速 涡轮机所发出的功率为现代废气涡轮增压器的涡轮机效率 第三节废气涡轮增压对发动机功率和经济性的影响 一 增压提高了空气的密度增压器的压气机把空气从状态 0 压缩到状态 k 所发生的密度变化 根据状态方程可写为 二 对指示效率的影响 表示Pk增加以后 供油系统保持不变 供油提前角也不变 保持 30 的情况 由于增压后要求增加每循环的供油量 为此加大供油持续角 使膨胀冲程后燃增加 传导给冷却水和废气中的热量增大 从而使指示效率下降 保持供油系统不变 加大供油提前角 使压力升高比为常数时的试验结果 此时指示效率随Pk的增加而下降 但由于后燃减少 指示效率下降幅度较小 改变供油系统的结构参数 如改变凸轮型线 加大柱塞直径 增大供油速率等 使供油持续角保持不变 并且调整供油提前角 使压升比为常数 指示效率反而提高 三 对充气效率的影响充气效率随增压压力的增加略有提高 但不明显 充气效率随Tk的增加而提高 可用下式近视计算 四 对机械效率的影响发动机采用涡轮增压后 平均机械损失压力Pm从绝对值来看有所增大 但相对于因增压后而大幅度提高平均指示压力Pi而言 Pm Pi比值却减小了 机械效率得到了提高 现代增压柴油机的机械效率在以下范围 增压四冲程柴油机0 80 0 90非增压四冲程柴油机0 75 0 85增压二冲程柴油机0 75 0 85非增压二冲程柴油机0 70 0 80 第四节废气涡轮增压系统的两种基本形式 两种基本形式恒压系统和脉冲系统 恒压系统与脉冲系统的比较和选择1 脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量 所以系统的可用能量比恒压系统大 2 脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处 脉冲系统的PT正处于波谷 因此即使在低增压和高增压的部分负荷工况 仍能保持有足够的扫气压力差PK PT 保证气缸内良好的扫气 而在恒压系统中由于PT波动小 扫气压力差就大为减小 不容易保证气缸的扫气 3 在脉冲系统中 由于排气管容积小 当柴油机负荷改变时 排气的压力波立刻发生变化 并迅速传递到涡轮机 引起增压器转速较快的变动 所以脉冲系统的加速性能好 从废气涡轮的效率来看 脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低 脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的 其瞬时最大流量比恒压系统的流量 相当于脉冲系统的平均流量 大 因此 脉冲涡轮的尺寸较大 其排气管的结构也复杂 受每根排气管联接气缸数目的限制 在一台柴油机上有时不得不采用几个废气涡轮增压器 这就使得整个增压系统变得复杂 柴油机的轮廓尺寸加大 综上 在低增压时 采用脉冲涡轮增压较为有利 而在高增压是则宜采用恒压涡轮增压 但考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷 增压压力较低 下工作 对其转矩特性 加速性能要求比较高 即使是在高增压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统 第五节废气涡轮增压柴油机的特点和性能 一 特点1 主要参数的选取适当降低压缩比适当加大过量空气系数 2 供油系统增加每循环的供油量 方法 增大柱塞直径 增加供油速率 喷油泵凸轮轮廓线较陡 提高喷油压力以及加大喷油嘴喷孔直径等 减小供油提前角 供油系统材料 流通面积 3 配气机构采用较大的气门重叠角 即增加进气门的开启提前角和排气门的关闭迟后角 利用活塞在上止点附近Pk和PT的压力差进行扫气 加大进排气门升程 4 进排气系统在脉冲系统中 为了使扫气期间各缸的排气不互相干扰 因此排气管必须分支 分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠 或重叠很少 增压柴油机的排气管承受的热负荷很高 排气管开裂是常见的故障 增压柴油机的进气管容积希望尽可能大一些 以减少进气压力的脉动 从而提高压气机效率和改善发动机性能 空滤也应相应增大 以免压气机进口压力损失过大 引起柴油机性能恶化 5 冷却增压空气将增压器出口的增压空气加以冷却 一方面可以提高充气密度 从而提高柴油机功率 另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度 从而降低柴油机的热负荷和排气温度 冷却增压空气的方法 一般是用水和空气在中间冷却气中进行间接冷却 在低增压时没有必要设置中间冷却器 二 性能1 低速转矩性能变化 2 加速性能变差 3 经济性有所改善 4 降低了排气污染及噪声 5 起动和制动有一定困难柴油机起动时 无高温排气 涡轮机无法工作 压气机也不能供气 增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高 加之压缩比较低 起动时压缩终点的温度降低 造成着火与起动的困难 非增压柴油机 其制动力与气缸排量成正比 但增压柴油机的升功率高 因此按增压后功率配置的制动力就不足 第六节废气涡轮增压器与四冲程柴油机的特性配合 一 柴油机用涡轮增压器型号的编制原则 GB727 65 6DJ 表示在标准大气压条件下 供气量为600m3的低增压径流式增压器 二 涡轮增压器的选用 特性匹配 根据柴油机的特定工况 如额定工况或最大转矩工况 确定其在压气机特性曲线上的位置 即根据内燃机选用合适型号的增压器 解决柴油机在整个运行区实现良好的配合 选用的依据 废气涡轮增压器制造厂均提供压气机的特性和涡轮机的特性等技术资料 根据柴油机特定工况时所需的空气流量 包括扫气空气量 及压比 就可以判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置 若该点落在压气机特性曲线的高效率区 即可初步选定增压器型号 涡轮增压器有一个大致确定的工作范围 根据与柴油机联合运行的位置 可以判断增压器与柴油机的配合是否良好 如果联合运行线与压气机特性曲线配合不够理想 则需要进行局部调整 方法是改变涡轮喷嘴环出口截面积 或改变压气机通道截面积 减少喷嘴环出口截面积可以使联合运行线从压气机低效率区移向高效率区 但调整有限 如果相差很远 只能以更换增压器型号为宜 第七节汽油机增压 当前汽油机涡轮增压有两种发展类型 化油器式汽油机涡轮增压器 电控汽油直接喷射涡轮增压型 一 汽油机涡轮增压的特点1 增压度较低 2 汽油机压缩比较低 6 9 过量空气系数范围也较窄 0 85 1 05 燃油经济性较差 3 汽油机不能用混合气扫气 故不能用加大扫气来冷却受热零件 所以增压热负荷偏高 4 汽油机由于压缩比低 故燃烧后的膨胀做功也不充分 所以汽油机排温较高 对废气涡轮的耐热强度就有更高要求 5 汽油机速度范围较宽 功率和废气能量差别也很大 涡轮增压器与汽油机的匹配较柴油机困难 对增压器的性能有更高的要求 布置方案 前置方案 优点 1 化油器安装位置不变 化油器喉管流通截面也不用改变 混合气流程短 原发动机改装不至于困难 2 空气在增压其中压缩后温度升高 有利于化油器中燃料的汽化 3 汽油机回火不易损坏压气机叶轮 4 增压器发生故障而不能运转时 容易与汽油机脱开 恢复原机运行 缺点 1 化油器处在增压压力状态下工作 必须严格密封 否则向外泄漏燃油 2 化油器的供油量对空气密度变化不敏感 因此 在低增压时混合气过浓 而在高增压时 混合气又过稀 混合气很难随工况变化