柴油机的换气与增压

1、柴油机的换气与增压第一节 换气过程一、四冲程柴油机换气过程1自由排气阶段 从排气阀开启到气缸内压力接近于排气背压为止称为自由排气阶段。 超临界：缸内压力与排气管压力之比大于或等于临界值，废气以当地音速流过；亚临界：缸内压力与排气管压力之比小于临界值时，气体流动转入亚音速（临界）流动阶段。2强制排气阶段 从自由排气结束到排气阀关闭这一阶段称强制排气阶段。3进气阶段二、二冲程柴油机换气过程1自由排气阶段（BR） 从排气口（阀）开启点B起到缸内压力与扫气压力pk相等的点R为止的这一阶段，可分为超临界阶段和亚临界阶段。2强制排气阶段（RC） 从进气开始R点到活塞经下止点再上行而在C点关闭扫气口为止的阶

2、段，靠新气与缸内废气的压力差，利用新气清扫废气。3过后排气阶段（CE） 从扫气口关闭的C点到排气口关闭的B点为止的阶段，是一个损失新气阶段，越短越好。影响因素：扫排气重叠角的大小、气阀（口）开启的延续时间和气阀（口）的流通面积的大小。 二冲程柴油机换气过程时间短，且进排气同时进行，所以新旧气体的参混比较严重，换气质量不如四冲程机，且新鲜空气耗量大。三、换气过程的评定指标1. 充气（量）系数v2. 残余废气系数r3. 扫气效率s 扫气结束后留在气缸中的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比。4. 扫气过量空气系数k 每一循环流过扫气口的新鲜空气量Gk(kg)与在进气状态下充满气缸工作容积的理论

3、空气量Gs(kg)之比。5. 扫气系数s 整个循环中流过扫气口的新鲜空气量Gk(kg)与换气过程结束后，留在气缸中的新鲜空气量G0之比。svGG00GGrr第二节 换气机构 保证柴油机在工作过程中各缸能够按照规定的顺序和时间开启或关闭各气缸的进气阀和排气阀，尽可能多的新鲜空气进入气缸，并使膨胀终了的废气从气缸排净。一、气阀机构 由气阀、阀座、气阀导管、气阀弹簧和连接件等组成。 1 .带阀壳式气阀机构； 2 .不带阀壳式气阀机构。 3. 气阀 1）全接触式： 密封锥面宽度大，阀头刚度和导热能力强，但质量大，且其接触压力将下降而影响密封。多见于老式机型，目前采用者日见减少。 2）外接触式： 阀面锥

4、角比阀座锥角小0.51，从而形成“线”接触，朝燃烧室一侧不存在缝隙，密封可靠，多用于中、高速增压柴油机。 3）内接触式： 其阀面锥角比阀座锥角稍大些。因此类机型的排气阀尺寸大，气阀变形大，受热变形后锥角会变小，所以在工作温度下，阀面与阀座仍保持良好接触，保证了可靠的密封性，多用于大型二冲程柴油机（特别是超长冲程机）。4. 气阀装置（1）旋阀器：旋转帽式、推进器式、棘轮与杠杆式等。 可以减少阀面与阀座上的积炭，使磨损减小，贴合严密； 可以使阀盘均匀地接受热量和散热，以改善阀盘的热应力状态，防止局部过热； 可以消除阀杆与导管间的积炭，防止卡住。（2）弹簧锁紧装置4.回转排气阀二、气阀传动机构1机械

5、式气阀传动机构 传动部件的撞击和噪音较大，有倾斜力，使阀杆容易出现偏磨，所占空间比较大，在大型机中布置较困难。主要用于中、小型柴油机和部分老式大型柴油机中。液压顶杆机构： 液压油缸和液压活塞，可缓和传动中的冲击力，减轻撞击和噪音，也可减小阀杆顶端的磨损，且具有自动调节气阀间隙的能力。2液压式气阀传动机构 空间小、重量轻、机构布置自由等优点外，没有侧推力，从而也改善了工作条件。采用空气弹簧装置后更使嗓音低、阀杆磨损小。 但其密封及调试均较困难。三、凸轮轴及其传动机构 l）齿轮传动机构 2）链条传动机构四、换气机构的故障1气阀机构 1）阀面与阀座的磨损 2）阀面与阀座烧损 3）阀杆卡紧 4）阀杆和

6、阀头断裂 5）气阀弹簧和弹簧盘断裂 6）阀壳产生裂纹2. 气阀间隙测量与调整3气阀定时的检查 气阀定时的测量与调整只有在气阀间隙符合要求时才能进行，气阀定时的测量方法随机型而异。第三节 废气涡轮增压 采用增压技术是提高柴油机功率或平均有效压力的最有效途径。一、柴油机增压概述 1机械增压 增压器1由柴油机曲轴通过齿轮2直接驱动的增压方式称为机械增压。2废气涡轮增压 用柴油机排出的废气驱动的涡轮d带动的增压方式称为废气涡轮增压。3复合增压 既采用涡轮增压器，又采用机械驱动式增压器。二、废气能量分析ng0ah一g：压气机消耗的总能量；ng24i一g：扫气空气对涡轮所作的功；n42一154：活塞推出废

7、气所作的功，由柴油机活塞给予；n5一1fe一5：从废气中取得的部分能量；n5be5：脉冲动能能，或叫变压能。三、废气涡轮增压的两种基本方式1等压涡轮增压 所有气缸的排气管都接到一根容量很大的总管上，总管能起稳压箱的作用，使进入涡轮时气体压力的波动不大，基本上保持一恒定值，故又称恒压涡轮增压或定压涡轮增压。 废气能量利用较差，尤其当柴油机在低负荷或起动时，废气的定压能量少，使得涡轮得到的功率满足不了压气机所需要的功率，需另设辅助泵来满足低负荷时的扫气需要。2脉冲涡轮增压 把涡轮增压器尽量靠近气缸，排气管短而细并进行分组，排气管中（涡轮前）的压力是波动的，还可以部分地利用脉冲动能E1（可利用E1的

8、4050）。四、排气管的分组： 二冲程机，扫排气延续时间近似120。因此处在同一组的最多允许缸数i360120=3。 四冲程机，排气延续时间约为240曲轴转角。所以处于同一组的最多允许缸数I=7202403。 无论是二冲程柴油机还是四冲程柴油机，每组最多只能有三个气缸。五、增压方式的比较1废气能量的利用 脉冲增压从废气中获得的能量较多，工作能力较大。2涡轮的工作性能 脉冲增压进入涡轮的废气的压力和流速是变化的且不稳定，故涡轮的效率低。等压增压气流的压力和速度不变，涡轮的转速比较稳定，故效率高。3增压系统的布置 脉冲增压系统的布置不方便，定压增压布置比较简单，增压器数量也可减少。 4管理上的要求

9、 脉冲增压的增压器离排气口（阀）很近，涡轮叶片易污损，维护工作量大，对气口（阀）正时和气口的清洁程度较敏感。而定压增压则不敏感，维护方便。低、中增压时，绝大多数机型采用脉冲增压，当之间时，高增压（pk大于0.200.25MPa）均采用等压增压。六、脉冲转换增压和多脉冲增压1脉冲转换增压 即可避免扫排气的相互干扰又使涡轮的供气稳定而连续，其优点是不仅利用了脉冲动能，而且涡轮的效率也较高。此种增压适于气缸数为4的整倍数的柴油机。分组原则： 为了提高两支管间的引射作用，要求接于两个支管的各缸之间的发火间隔角对四冲程机要大于180，对二冲程机要大于90； 为了避免同一根排气总管内各缸的相互干扰，共管两

10、缸发火间隔角对四冲程机应大于240，对二冲程机应大于120。2多脉冲增压 每个多脉冲转换器可接八个气缸，因而它适于缸数为8的整倍数的柴油机。 由于有一个较大容积的混合管，使涡轮进口处的废气压力更加平稳，涡轮的工作状态更接近定压涡轮。3单管（模件式）脉冲转换增压 外形象等压系统，但排气总管的直径小，只有气缸直径的5060，使总管中气体的流速较高，对其它各缸的排气产生引射作用。 当各缸排气经单独的喷管排向容积较小的共用总管时，排气流速增高压力下降，部分利用了排气中的脉冲能量。 排气管布置简单、不需要分组，又不受柴油机缸数限制，废气涡轮效率较高。成本低、可靠性好、维修方便、结构紧凑。 以三脉冲增压的

11、部分负荷性能最佳，燃烧保持良好。以等压增压的部分负荷性能最差。而起动性能、部分负荷性能、加速性能和突变负荷适应能力等的综合性能则以单管脉冲增压较佳。八、废气涡轮增压系统1单独增压系统 只利用废气涡轮增压器来实现增压，而不增设其他辅助机械的增压系统。但1）为提高换气质量和降低热负荷，二冲程柴油机的过量扫气空气系数大，使进入涡轮的废气能量较四冲程低，尤其在低负荷、起动时废气能量小。因而涡轮获得的功较低。 只适用于采用脉冲增压且扫气质量较好的直流扫气柴油机，必须附设一台电动应急鼓风机，以便在增压器损坏时保证柴油机能够继续运转。2串联增压系统 将涡轮增压器与辅助扫气泵串联。2）二冲程柴油机换气质量差，

12、靠扫气与废气的压力差实现换气的，耗气量大，使二冲程柴油机压气机所消耗的功比四冲程柴油机要大。（1）工作可靠，启动性和低负荷性能好；（2）省去了应急电动鼓风机，不管柴油机的废气能量是否足够，均可较简便地满足柴油机所需增压压力；（3）有利于实现高增压；（4）二级往复泵使结构复杂，装置重量增加。 3）串联旁通增压系统 是串联增压系统中的一个特殊情况。1）该增压系统为部分串联，扫气前期是串联，后期使串联失效，由废气涡轮增压器单独供气。2）工作可靠。当废气涡轮增压器损坏时，仍能维持柴油机70%nb下稳定运转。3）扫气前期扫气室压力较高，有利于降低排气口高度，增大柴油机的有效行程。4）起动和低负荷运转性能

13、差，所以，必须增设电动鼓风机以便在低负荷和起动时使用。4并联增压系统 并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差。必须附设电动鼓风机以便在起动和低负荷时使用。 近代船用低速柴油机增压系统的基本趋势是：采用定压单独增压系统，附设电动鼓风机以备起动与低负荷时使用。向定压增压发展的主要因素在于定压增压器效率高并易于向高增压发展（脉冲能所占比例随增压度提高而下降）。第四节 废气涡轮增压器一、废气涡轮 把柴油机的废气能量转变成推动增压器转子旋转的机械功。有轴流式和径流式两种废气涡轮。 喷嘴环由铸铁铸成的喷嘴内、外环和耐热钢制成的喷嘴叶片组

14、成，外环上铣有数道通槽，外环与涡壳之间也留有一定的间隙，喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状。工作原理：（1）具有一定压力p0和温度T0的气缸排气以速度C0流入喷嘴。在喷嘴收缩形流道中膨胀加速，部分压力能转换成速度能。（2）喷嘴出来的燃气压力和温度下降至p1、T1而流速增高到C1，再进入叶轮叶片间的流道时，气流被迫转弯。（3）离心力作用，迫使气流压向叶片凹面而企图离开叶片凸面，使叶片凹、凸面间产生压力差。作用在所有叶片上压力差的合力pu对转轴产生冲击力矩，使叶轮沿该力矩的作用方向旋转。（4）叶轮叶片的通道收缩，燃气继续膨胀。当气流在旋转的叶轮中流动时， 因膨胀加速而给涡轮以反作用力，使叶片得

15、到一个反作用力矩，叶轮回转。气流的压力、温度和速度分别降低至p2、T2和C2。燃气的热能和动能转换成叶轮的机械功。 废气在通过叶片通道时，除产生使叶轮旋转的力pu外还同时产生轴向推力pa，这个力将使得转轴发生轴向（向压气机侧）窜动，因此必须装置推力轴承以防止轴的窜动。二、增压器 进气道1、工作叶轮2、扩压器3和蜗壳4组成。 工作叶轮是压气机的主要部件，有半开式和闭式两种结构。 叶片式扩压器由叶片和金属圆环形平板组成，其流道也是扩张形的。工作原理： 空气沿进气道进入工作轮的气流通道，并随叶轮作高速旋转而产生离心力，使空气受到压缩而被抛向工作轮外缘，当空气在进气道内流动时，压力下降、速度上升，到达

16、叶轮外缘出口时，压力、温度、流速分别从p1、T1、C1增加到p2、T2、C2。此时压缩空气消耗了压气机的机械功。在扩压器中，由于流道是逐渐扩大，使空气的动能进一步转换为压力能，压力、温度提高到p3、T3,流速降至C3。排气涡壳的通道也是浙扩的，因而空气流过它时继续将动能转变为压力能。流动损失有：空气与壁面的摩擦损失、空气流内部相互摩擦损失、空气的撞击损失。三、废气涡轮增压器的典型构造1废气涡轮2压气机3轴和轴承 外支承 内支承 悬臂支承 内外支承4油、气的密封第五节 增压器的喘振和消除一、压气机喘振的机理（a）为设计流量情况下，气流相对速度W1的方向与叶片进口构造角相一致，使气流能平顺地进入叶

17、片通道而无撞击。（b）当流量大于设计流量时，气流的轴向分速c1a增加，导致相对速度W1增加，使气流进的方向偏离设计值，气流冲击叶轮进口端叶片的凸面而在凹面发生气流分离现象。（c）当流量小于设计流量时（如图（c）所示），气流的轴向分速c1a减小，导致相对速度W1减小，使气流在另一个方向偏离设计值，气流就在叶片凸面产生，由于叶轮旋转产生的气体惯性力会加剧这气流分离的扩展，这不仅会增加流动损失，严重时也将破坏压气机的正常工作。 当流量小于某一临界流量时，分离现象会扩展到整个扩压器和叶轮通道，使气流产生强烈的振荡和倒流，这就是压气机的喘振。 基本原因是流量减少，背压升高，气流在工作叶轮前缘叶片凸面发生

18、分离而产生。二、增压器喘振的原因 1增压系统流道堵塞 使压气机流量减小、背压升高，引起喘振。其中容易脏污的部件是进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器和气缸的进、排气口、涡轮的喷嘴环及叶轮。2增压器与柴油机配合失调 1）单独增压系统 因流道阻塞，常常在低负荷时发生增压器喘振。注意气口和空冷器的清洁，使流道保持畅通。当在低负荷下发生喘振时可暂时用提高负荷的办法消除。2）串联增压系统 往复泵由柴油机带动，其排量取决于柴油机转速。增压器的排量和压头取决于废气的能量，即取决于柴油机的功率。 在船用主机驱动螺旋桨时，其功率与转速的立方成正比。即Pen3。n 低负荷时，废气能量很小，增压器的排量也很小，

19、往复泵仍能保证一定的供气量。这时，往复泵就要通过增压器从外界吸气，使增压器通过的空气流量增加，工作特性线右移，远离喘振线，不会发生喘振。n 在高负荷时（特别超负荷时），增压器的排量大于往复泵的排量。这时往复泵来不及将增压器供出的空气全部吸入，致使增压器的背压升高，排量减少，增压器工作线左移而靠近喘振区，容易引起喘振。 串联增压系统在柴油机全部转速范围内不会发生喘振。但当增压系统出现故障而使增压器的排量减少，在高转速下就会出现端振。这时可降低负荷，消除喘振。 3）并联增压系统 增压器的工作特性线C是由柴油机的进气特性线D减去活塞下部增压泵流量后所得到的一条曲线。 当柴油机在低负荷工作时，增压泵所提供的空气量（Q3