柴油机涡轮增压技术-增压系统热力参数及其调节

增压系统热力参数及其调节2.1排气能量的利用

2.1.1排气最大可用能压气机

1－2压气机进气

2－a压气机绝热压缩

a－3压气机排气

1－2－a－3－1压气机耗功8－2－a－6－8进入发动机气缸并留在气缸内的空气压缩耗功1－8－6－3－1扫气空气的压缩功Es：扫气空气所具有的能量Es’：扫气空气进入涡轮后具有的能量Es’’：5－7－6－3－5，扫气空气节流损失柴油机

3－a柴油机进气a－c柴油机绝热c－z柴油机等容燃烧z－z’柴油机等压燃烧z’－b柴油机绝热膨胀b－4柴油机等容排气4－5柴油机等压排气

柴油机指示功Wia－c－z－z’－b－a柴油机缸内气体膨胀功6－7－4－a－6柴油机泵吸正功b－9－K’－b柴油机排气门打开时排气等熵膨胀至大气压力pa时所能作的功(Eb)b－4－T’－b排气经排气门节流和排气歧管中自由膨胀所损失的能量，E14－9－K’－T’－4排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，ET涡轮

5－4－T’涡轮进气T’－K’涡轮绝热膨胀K’－2－1涡轮排气

1－K－T－5－1：涡轮排气总能量E21－8－7－5－1：扫气空气进入涡轮后具有的能量Es’8－9－4－7－8：活塞推出排气使排气增加的能量Ec4－9－K’－T’－4：排气在涡轮中的膨胀功，ETT’－K’－K－T－T’：E1中的一小部分转变为热能加热排气使其增加的能量Eq排气的最大可用能E由三部分组成：排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作的功Eb活塞推出排气，排气得到的能量Ec扫气空气所具有的能量Es

2.能量传递中的损失及减少措施

总能量损失△E：△E=△Ev+△EC+△ED+△EM+△EF+△Eh△Ev---流经排气门处的节流损失；△EC---流经各种缩口处的节流损失；△ED---管道面积突扩时的流动损失；△EM---不同参数气流掺混和撞击形成的损失；△EF---由于气体的粘性而形成的摩擦损失；△Eh---气流向外界散热所形成的能量损失。(1)△Ev：流经排气门处的节流损失约占总损失的60％～70％

①在设计中，使排气门开启后的通流面积尽可能大。②排气门开启速度尽可能快。③排气管容积不应太大，排气管要细而短。减少△Ev的措施：(2)△EC：流经各种缩口处的节流损失

减少措施：光顺管道、减少缩口。图2-2排气管内的压力变化(3)△ED：管道面积突扩时的流动损失减少措施：避免突扩。

（4）

△EM：

不同参数气流掺混和撞击形成的损失减少措施：避免气流撞击。歧管用顺着气流的斜向接头，不用T形接头/十字接头。（5）△EF：摩擦损失

减少措施：光滑管壁，减少摩擦。（6）△Eh：向外界散热形成的损失减少措施：隔热能量传递效率：式中，ET－涡轮进口处气体的可用能量；

Ec－排气门前气体的可用能量。

2.1.3排气能量利用方式定压增压系统:

不利用脉冲能量E1，排气管较大，部分脉冲能量转化为热能Eq，涡轮前排温高。能量回收率：式中：－涡轮出口压力，－涡轮入口压力，－涡轮中气体的等熵指数.定压增压系统优点：

1）可采用涡轮全进气，压力波动小，涡轮效率高。2）多缸时，排气管结构简单。3）涡轮增压器布置较自由。4）不会由于压力波的干扰而使柴油机的转速上限受到限。5）对低增压相同功率的柴油机而言，涡轮通流面积较脉冲的小，可用小一号涡轮增压器。定压增压系统缺点：

1）加速性较差，低负荷性能较差。2）扫气空气量较脉冲的少。3）部分负荷时，有时扫气倒流，弄污进气系统及增压器。4）在低转速、高转矩时，增压压力下降较大。5）在缸数少时，显得排气管容积过大。定压增压系统应用：

高增压而大部分时间在高负荷运转的柴油机。如发电机组、气缸数为7缸、14缸的柴油机等。脉冲增压系统:

利用脉冲能量E1，排气管容积小，压力有波动。E1实际利用40～50%.脉冲能量利用系数：脉冲增压系统中利用的脉冲能量占总能量中的份数。利用E1的50％时脉冲增压系统优点：

1）排气能量利用系数高，低工况性能好。2）扫气易于组织。3）加速性能较好。脉冲增压系统缺点:

l）增压压力高时，排气门节流损失大。2）排气管太长时，反射压力波对扫气会产生干扰。3）同样功率的柴油机，常常要大一号的增压器，成本较高。4）缸数多时，排气管结构较复杂。

脉冲增压系统应用:

用于车用、船用等变速、变负荷运行较多的场合。2.1.4影响脉冲能量利用的因素（1）排气门开启定时：排气门开启时相对瞬时压力系数pc－缸内瞬时压力pa－涡轮背压（2）排气门通流面积气缸排空速率－流量系数；－排气门最大有效流通面积；－排气门开启时的气流音速；－一个气缸的工作容积。四冲程柴油机一般不小于12

（3）排气门开启规律排气门开启规律影响系数排气门瞬时开启面积排气门最大开启面积（4）排气管通流面积排气管截面积影响系数

排气管通流面积排气管最大有效通流截面积中、低增压柴油机，

＝1.1～1.3高增压柴油机，＝1左右(5)排气管长度排气管内压力波形状的主要影响因素：

1）排气管长度；

2）涡轮通流面积和排气管通流面积之比；

3）排气门开启瞬时通流面积和排气管通流面积之比。排气管长度影响系数

一般(6)涡轮通流面积涡轮通流特性系数

涡轮当量通流面积；－排气管中一个循环的气体平均声速一般10～122.1.5脉冲增压排气管方案设计1.排气管分歧一般增压柴油机排气门开启持续角为240～320℃A，一根四冲程柴油机的排气管最多联接三个气缸。图2-5四冲程柴油机排气管分歧图例2.排气管设计

定压增压排气管

排气管容积较大，一般为发动机总气缸容积的两倍左右。排气在排气管中平均流速不超过50m/s排气压力稳定排气管截面积

的确定

i为排气管所连的气缸数。为排气管中的排气密度；为发动机排气的质量流量；脉冲增压排气管分歧排气歧管容积的确定：排气歧管的容积一个气缸工作容积经验公式式中，－排气门最大开启面积；dr－排气歧管直径；D－气缸直径。3.脉冲转换器

优点：兼顾了脉冲增压和定压增压的优点，对于能量传递来讲，接近于脉冲系统；对于涡轮效率而言，接近于定压系统。燃烧室扫气量大，柴油机低工况性能改善，流通面积可以减小，叶片振动应力降低等。应用：对4、8、16缸机，脉冲转换系统优于脉冲增压系统。4．多脉冲转换系统

优点：（1）排气能量传递效率高；（2）涡轮前参数稳定，涡轮效率高；（3）柴油机扫气过程能顺利进行，泵气功损失小；（4）在宽广的运转范围内保持较高的排气能量传递效率，使柴油机油耗率be曲线变化平坦；（5）加速性能好。缺点：排气管结构仍比定压系统复杂，且布置不便。5.MSEM（ModularSingleExhaustManifold）系统内燃机废气温度四冲程柴油机：500～650ºC

汽油机：600～800ºC排气热焓值较大2.2增压对柴油机工作过程主要参数的影响2.2.1增压系统主要热力参数的内在联系?如何有效利用热焓排气门早开→废气热焓大→增压压力高→发动机功率增加多；指示功减少合理设计排气管→有效合理利用废气能量，尤其是脉冲能量；排气管复杂提高涡轮增压器效率→有效合理利用废气能量减少膨胀功的损失：中、低增压系统中，损失较小；高增压系统，剩余膨胀功可通过齿轮传递到曲轴。增压带来参数的变化

↑，充量↑↑，充量↓中增压以上的系统必须采用中冷↑，→

↑机械负荷↑（为了可靠，往往需降低压缩比）↑，→排温↑热负荷↑（机油温度、冷却水温度↑）相对压缩始压四冲程增压柴油机，一般＝0.85～1.1。2.2.2对机械应力有关参数的影响压缩始压升高，会给最高爆发压力带来影响

2.2.3对热应力有关参数的影响1.进气温度

无中冷器时，发动机进气温度为压气机出口温度

－大气温度（K）；－压气机绝热压缩功（kJ）；－定压比热，kJ／（kg·K）；－压气机绝热效率。2.缸内压缩始温－残余排气温度

－残余排气系数

－新鲜充量进入气缸后的温升增压四冲程机：非增压四冲程机：四冲程汽油机：3.缸内压缩终温

4.其余温度内燃机各特征点温度均升高，热负荷增大。2.2.4、对动力性有关参数的影响

增压后进气密度2.进气量

在工作容积不变的情况下：3.动力性

例：高速四冲程增压柴油机＝1.4～2.5＝1.0～1.4MPa＝2.5～3.4＝1.4～2.0MPa2.2.5增压对柴油机经济性的影响1．扫气系数增压后一般增压四冲程柴油机2．充量系数增压后例如：非增压高速四冲程机增压高速四冲程机（有扫气时）↑3．残余废气系数在有扫气的情况下，增压机的残余废气系数↓例如：非增压柴油机＝3％～6％；＝0～2％

增压柴油机4．过量空气系数增压柴油机对过量空气系数的要求为：为了降低热负荷及照顾低工况性能，一般要求较非增压机大10％～30％

如：非增压高速四冲程柴油机直喷式燃烧室：

＝1.6～1.9分隔式燃烧室增压高速四冲程柴油机直喷式燃烧室：＝1.3～1.6＝1.7～2.2分隔式燃烧室＝1.4～1.65．指示热效率1）以净化排气为主要目的的增压系统：增压后循环供油量不变，过量空气系数增大，燃烧更完善，2）以增加动力为主要目的的增压系统：增压后循环供油量↑，若供油速率不变，则供油时间拉长，后燃现象加重，排温↑，热损失↑，↓。3）以增加动力为主要目的，但是在增压后循环供油量增加的同时，调整供油规律，更加完善燃烧过程，则↑。↓，NOx↓，↑。6．机械效率

7.燃油消耗率↑↓

↑

2.3增压系统主要热力参数的确定增压压力空气流量燃气流量涡轮进口压力涡轮进口温度压气机效率涡轮效率

JTK方法2.3.1确定参数的总体依据空气流量:保证所喷入气缸中的柴油完善燃烧、柴油机热负荷适中。涡轮前的排气温度:反映出柴油机的热负荷。参考数据：

确定增压参数的合理顺序：

2.根据－空气流量3.根据柴油机的通流特性－增压压力4.根据涡轮增压器的总效率－涡轮前的平均排气压力5.确定涡轮的通流面积

考虑柴油机可靠性及寿命（热负荷）－涡轮前的排气温度2.3.2确定空气流量

－涡轮前的热量利用系数

为气体在气缸、气缸盖中及排气管中散失热量的份数

四冲程增压柴油机二冲程直流扫气十字头式增压柴油机

－活塞平均速度

－进气管参数

－总的过量空气系数

－为化学计量空燃比

－柴油机进气管内空气在热力学温度时的摩尔定压热容－理论分子变更系数

－涡轮进口处燃气平均温度为时的摩尔定压热容

－柴油低热值

－设计柴油机时预计的指标值

－机械效率四冲程机二冲程机

有中冷器时中、高速四冲程及二冲程柴油机：低速二冲程柴油机无中冷器时－柴油机进气管内的空气温度。

2.3.3增压压力

根据试验数据估算通过单缸机试验获得参照其他类似机型一般＝1～1.2MPa

2.3.4涡轮前排气平均压力与涡轮当且喷嘴面积的估算定压增压系统和单排气总管系统－绝热指数

2.3.5涡轮当量通流面积－流量系数，的关系式或曲线一般由涡轮增压器厂提供或参照相似涡轮。

2.3.6增压系统主要参数估算实例计算12V240Z涡轮增压中冷柴油机涡轮增压器参数。

（1）已知条件及要求指标

＝2205kW＝1100r/min＝0.24m＝0.26m=1.69MPa=9.53m/s=0.205kg/（kW·h）=560℃

标定功率标定转速缸径行程平均有效压力活塞平均速度有效油耗率涡轮前排气温度

（2）柴油机热力参数选择

＝0.10lMPa=303K=0.105MPa=335K=l.00=1.14=0.56大气压力大气温度涡轮后背压中冷器后空气温度气缸充量系数涡轮增压器效率

（3）涡轮增压器主要性能参数及结构参数估算初步选定一个进气管中气体压力与前面的初选值相近，不再重算；否则，重新选，重算。

选用2台涡轮增压器每台流量（或由）每台涡轮燃气流量由经验选定2.4柴油机与涡轮增压器的匹配2.4.1联合运行线的调节1.联合运行线2、调节联合运行线的基本要求1）在标定工况下，须达到预期的增压压力及空气流量，有足够的燃烧过量空气系数，使燃烧完善，燃油消耗率满足要求；涡轮前排气温度不超过预定值，以保证气缸热负荷不致过高；增压压力不能过高，以免最大爆发压力超过允许值，使机械负荷太大；涡轮增压器的转速必须低于允许值，以保证涡轮增压器转子的强度符合安全可靠的要求；在标定工况时，希望涡轮增压器的总效率要高，扫气系数能具有适当的大小。2）在低工况时，也必须保证有一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求。3）要求在整个运转范围内不发生增压器喘振与阻塞。调节喷嘴环出口面积的大小

↓，柴油机排气阻力↑，柴油机使用特性线向小流量方向移动，移向喘振线和高效区。

3、联合运行线的调节（2）改变压气机扩压器的进口角

2.4.2降低热负荷的调节1.增压柴油机的热负荷问题柴油机进气温度↑

热负荷↑气缸盖“鼻梁区”断裂、燃烧室镶块烧结、活塞环烧结、卡死、活塞烧裂等；涡轮会发生叶片变形、密封环烧结等。

增压以后压缩始温↑柴油机工作循环各特征点温度↑2、热负荷的一种表达式没有与扫气空气混合时的排气温度T。―压缩始温－压力升高比

－预膨胀比

B－