第六章 涡轮增压系统

1、第六章第六章 涡轮增压系统涡轮增压系统 第六章第六章 涡轮增压系统涡轮增压系统 本章的主要教学内容：本章的主要教学内容： 1.1.增压系统的发展；增压系统的发展； 2.2.实现高增压的增压系统；实现高增压的增压系统； 3.3.改善低工况性能的增压系统；改善低工况性能的增压系统； 4.4.汽油机增压系统；汽油机增压系统； 5.5.气体燃料发动机增压系统。气体燃料发动机增压系统。 教学目的与要求教学目的与要求: : 要求比较系统地掌握：增压系统的发展；要求比较系统地掌握：增压系统的发展； 实现高增压的增压系统；改善低工况性能实现高增压的增压系统；改善低工况性能 的增压系统；汽油机增压系统；气体燃料

2、的增压系统；汽油机增压系统；气体燃料 发动机增压系统。发动机增压系统。 第六章第六章 涡轮增压系统涡轮增压系统 6.1 增压系统系统的发展增压系统系统的发展 本世纪50年代初、二冲程柴油机有单流扫气、横流 扫气和回流扫气等换气形式。单流扫气二冲程机采用脉 冲增压系统。B 2)低压缩比。普通柴油机压缩比一般大于11，本系统为7-10； 3)其工作循环属于低温循环。 2.结构方面的特点 1)旁通； 2)旁通节流； 3)补燃； 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 3质量和尺寸方面的特点 1)主要零部件结构尺寸基本不变。除为降低几何压缩比改变工作容积 或活塞尺寸、调整油泵喷油量及配气机构

3、外，一般对原机主要零部件 结构尺寸不作变动。 2)热负荷基本不变。由于采用低压缩比，缸内压缩终压和循环温度相 应较低，从而降低了热负荷。虽然平均有效压力提高，但热负荷增加 不多。 3)机械负荷基本不变。由于采用低压缩比、超高增压，柴油机最高爆 发压力受到了限制，确保了工作可靠性。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 3质量和尺寸方面的特点 1)主要零部件结构尺寸基本不变。除为降低几何压缩比改变工作容积 或活塞尺寸、调整油泵喷油量及配气机构外，一般对原机主要零部件 结构尺寸不作变动。 2)热负荷基本不变。由于采用低压缩比，缸内压缩终压和循环温度相 应较低，从而降低了热负荷。虽然平均

4、有效压力提高，但热负荷增加 不多。 3)机械负荷基本不变。由于采用低压缩比、超高增压，柴油机最高爆 发压力受到了限制，确保了工作可靠性。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 4优缺点 1)功率增长幅度大。超高压比增压系统功率一般可为非增压机的25倍。 2)转矩特性宽广。采用本系统后，在最高温发压力基本不变的情况下，平均有效压 力已超过3.0MPa，且转短特性比较宽广，低速时可提供超高转矩。 3)加速性好。补燃室燃油控制得当，就能随时储备一定数量的过星空气，从而大大 改善加速性能。试验表明：超高增压柴油机从怠转到满负荷不到10s时间。 4)排放污染轻，柴油机排气和部分压缩空气通过补

5、燃室未燃成分得到再燃机会，这 不仅增加回收能量，同时净化了排气。 5)油耗偏高、结构复杂。由于增设补燃室、旁通管、节流阀等装置，油耗必然增加 ，结构比原机复杂，自动控制环节增多。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 6.2.4 二级涡轮增压系统 6.2.4.1 设计思想 所谓二级涡轮增压，是将两台不同大小的涡轮增压器串联运行，空气 经两级压气机压缩，并在低压级压缩后通过中冷器冷却。两台压气机 可以由同轴或不同轴的两台排气涡轮驱动。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 6.2.4.2 特点 1.单、双轴式二级祸轮增压系统比较 1)双轴式运行范围宽，便于调节； 2)两台

6、独立运行的涡轮增压器能更好地在各自的高效区运行，因 而总效率高； 3)双轴式二级涡轮增压器无需专门设计与制造，总造价较低； 4)单轴式二级涡轮增压器所占空间较双轴式的小。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 优点： 1)二级比单级容易获得高的增压压力，从而可使柴油机获得更高的平均有效压力。 2)因级的增压比超高，压气机和涡轮的效率越低，所以在给定的增压压力下，二级比 单级效率高。 3)二级增压便于中间冷却，可以减少压缩功，提高压气机效幸，同时降低柴油机的热 应力。 4)二级涡轮增压可以扩大运行范围，便于与柴油机匹配。 5)二级增乐可降低每一级的轮周速度，叶轮和叶片的应力小、强度高

7、、可靠性好。 缺点： 1)二级比单级占空间多，质量大，造价贵。 2)二级涡轮增压时，在两个增压器之间的联合管道中，气体流动阻力和热损失较大。 6.2 实现高增压的增压系统实现高增压的增压系统 6.2.4.3 高、低压级能量分配 高、低压级涡轮增压器的能量分配，即高、低压级涡轮膨胀比及 压气机的增压比的分配，这是二级涡轮增压系统设计的关键问题。 从涡轮、压气机能量的授、受关系看，能量分配中更关键的应是压 气机增压比的分配。通常分配遵循以下三个原则： 1）在标定工况下，使二级乐气机系统总效率达到最大值。 2）从高压级、低压级增压器尺寸大小的配合出发，进行最佳增压比 分配。 3）从改善部分负荷特性出

8、发，进行最佳增压比分配这种分配原则 应用较多。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.1 相继涡轮增压系统 6.3.1.1 设计思想 当柴油机在低转速、低负荷工况下运行时，增压压力和空气流量迅速下降。 为了扩大高增压发动机的运行范围、增大发动机低转速的转矩，降低部分负荷运行 的油耗率和排放，开发一种以定压增压为基础的相继涡轮增压系统，简称5TC系统。 在相继涡轮增压系统中采用两个以上小型径流式涡轮增压器、随着增压发动机转 速和负荷的增长，相继按顺序投入运行。而投入运行的涡轮增压器处于相对较小喷 嘴环出口面积下运行，从而使发动机在整个运转区域内有较高的增压比和较好的经

9、 济性。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.1.2 控制特点 相继涡轮增压系统有两个阀门，分别控 制涡轮和压气机投入或退出运行，装在涡轮 前面的称燃气控制闽，其控制的信号由压气 机出口压力或发动机转速提供。装在压气机 前面的阻风阀是一个单向阀，由压力差自动 控制。当柴油机转速或负荷减小、涡轮增压 器需要退出运行时，燃气阀基本关闭，柴油 机排气只有极少量进入涡轮，使涡轮增压器 保持空转，并保持运转温度，以便再次投入 运行时。缩短加速时间，减少热应力。这时， 柴油机排气集中供应正在工作的增压器。当 柴油机转速升高、负荷增大时，燃气阎被逐 步打开，压气机由于抽气作用，

10、将阻风阎自 动打开。随着燃气阀开度增大涡轮转速升 高，阻风阂开度也随之加大进风量相应增 多，以满足发动机所需空气。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.2 二次进气(SIP)系统 6.3.2.1 设计思想 在二次进气系统中，近气门关的角度在下止点前10-15 CA固定 不变以实现低温循环并降低Nox,排气门在进气冲程下止点前50 CA左右至下止点历20 CA左右再开一次，其目的是在起动和25负 荷以下运行时，使排气管中的一小股排气利用PrPb的压差倒流入 气缸，以保证起动和低工况运行。这是因为该系统适用于较低压缩 比(如e11一l 2)的柴油机，但在50%一100

11、%的高负荷工况，排气 阀第二次打开时，由于PbPr，废气不会倒灌或流动很少。SIP系 统也可以实现有效压缩比小于膨胀比的阿特金(Atkson)循环，提高 了循环效率。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.3 顾氏系统 6.3.3.1 设计思想 同轴控制进、排气及供 油定时的增压系统，简称顾 氏系统。可全面提高舰船、 机车增压中冷四冲程柴油机 的性能。 6.3.3.2 顾氏系统的结构 特点 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.3.3 顾氏系统的功能 1)能降低最大爆发压力。 2)能降低热负荷。 3)能降低NOX排放。 4)能改善低工况性

12、能。 5)可以替代高工况 6)可以替代动力涡轮系统。 7)可提高加速性及加载性。 8)顾氏系统的功能在不同用途的机型中可根据具体要求进行设计。 6.3.4 Scaby涡轮增压系统 6.3.4.1 设计思想 Scaby系统是利用进、排气扫气重叠角期间的扫气系数人在低转速时 比在高转速时更大的特点，达到低转速时扫气空气量更多的目的。同 时，进气门在下止点关，可使低转速时久比高转速时大得多，以提高 低速时的久。由于是低温循环，因此可改善低工况性能。 6.3.4.2 特点 scaby系统出于提前关闭进气门，解决了低工况性能，实现低温循 环，最大爆发压力相对较低，热负荷也较小，由于缸内湿度低，NOX 排

13、放大为减少。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.5 AVIEIT涡轮增压系统 6.3.5.1 设计思想 顾氏系统对一些高速柴油机带偏心控制轴的结构在布置上有困难，因而在此基 础上又提出自动变进、排气供油定时系统, 简称AVlEIT系统。 6.3.4.2 特点 1)进气关定时在下止点前，在最大转矩的转速时，进气、排气和供油定时均比标定 转速时后移8-12CA，对不同机型有不同的延后角。 2)由于是低温循环、可改善缸内工作过程。 3)排气在低转速时延后开，可减少泵气功损失，优化了排气定时。 4)供油在最大转矩的转速时延后、可使Pmax减小，油耗优化。 5)定时自动改

14、变机构可空接采用供油自动调节器中的内接斜楔式提前器的形式，直 接置于传动齿轮或传动塔轮内部、其结构简单、布置空间小。 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.6 MIXPC涡轮增压系统 6.3.5.1 设计思想 混合式脉冲转换器 6.3 改善低工况性能的增压系统改善低工况性能的增压系统 6.3.6 MIXPC涡轮增压系统 6.4.1 设计思想 1)汽油机增压技术的研究有着重要的社会意义和经济价值。混合式脉 冲转换器。 2)高度重视汽油机增压中两大技术障碍。 3)汽油机增压度不宜过高。 6.4.2 增压器配置方案 增压器在汽油机增压系统中的配置方案直接影响发动机性能。目

15、前有 三种配置方案：后置、前置和中置。 6.4 汽油机增压系统汽油机增压系统 6.4 汽油机增压系统汽油机增压系统 6.4.3 影响增压汽油机动力性、经济性的因素 (1)(1)进、排气歧管的结构进、排气歧管的结构 (2)(2)化油器喉管及量孔化油器喉管及量孔 (3)(3)配气相配气相位位 (4)(4)点火提前角点火提前角 (5)(5)压缩比压缩比 (6)(6)旋流强度旋流强度 6.4.4 增压汽油机抗爆的特殊措施 (1)(1)进气喷剂进气喷剂 (2)(2)排气喷水排气喷水 3)3)汽油乳化汽油乳化 (4)(4)醇类燃料醇类燃料 (5)(5)低温增压低温增压 (6)(6)增压器放气增压器放气 (7)(7)汽油机直喷技术汽油机直喷技术 6.4 汽油机增压系统汽油机增压系统 6.5 气体燃料发动机增压系统气体燃料发动机增压系统 6.5.1 6.5