汽车发动机原理课件：车用增压柴油发动机的性能

从事车辆设计研究的人员总是把增压发动机作为一个总成，与底盘配套。因此，掌握增压发动机的整机性能是至关重要的。可是，涡轮增压器与活塞式发动机是两种不同性质的动力机械，它们靠进、排气管道连接，构成增压系统。在联合使用时，各自性能的相互影响以及它们之间的配合，对整机性能将产生深刻的影响。一、涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点１.特点在涡轮增压器与柴油机联合工作时，彼此没有机械联系，它们通过空气流或燃气流来传递能量。整个系统存在这样一个工作关系:发动机不同工况要求压气机有不同的供气能力，涡轮机做功能量来源于发动机排出废气的合理组织，而涡轮机的功率则全部为压气机所消耗，压气机又为发动机不同功率提供其所需的空气流量与压比。为了使涡轮增压器与车用发动机能够良好地配合，使它们在各种工况下合理工作，首先是根据发动机的特定工况(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(即根据发动机选用合适型号的增压器)；其次是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。所以选好增压器是前提，增压器选择不当，发动机可能达不到预期的增压效果。选用增压器时，可根据发动机特定工况时所需的空气流量(包括扫气空气量)及压比，判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，使该工况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。与活塞式发动机不同的是，在涡轮及压气机这类叶片机械中，叶片前缘的结构角由设计工况的气流参数决定。由工况变化引起的气体流量变化将使气体流入的方向偏离叶片前缘结构角，发生撞击损失，使叶轮机的高效率区变窄。所以不可能使发动机所有工况都处在压气机的高效率区，只能顾及柴油机的某些特定的工况，例如车用发动机选配增压器时，常以最大转矩工况作为设计工况，把最大转矩工况点放在高效率区，而额定工况常偏离在高效率区之外(图8-19)。每一种涡轮增压器都有确定的工作范围。在小流量范围，压气机受喘振限制；在大流量范围，压气机因效率下降过多，亦受到限制；在增压器的高速、高负荷范围内，可能由于废气能量过高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排气温度过高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了超速或超温的限制。由此可以大致确定涡轮增压器的工作范围(图8-20)。在此允许的工作范围之内，根据与发动机联合运行的位置，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。图8-21所示为一台车用增压发动机的联合运行区。对于车用增压发动机来说，其负荷与转速都在较大范围内变化，该联合运行区在压气机特性曲线上占有面积偏大，配合的困难相对较大。如果联合运行区与压气机特性曲线配合不够理想，则需要进行局部调整。常用的办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。例如，减小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(向喘振线靠近)。但上述调整是有限的，如果联合运行线与压气机的最佳匹配相差很远，则只能以更换增压器型号为宜。２.根据特性曲线进行匹配根据特性曲线匹配主要考虑以下因素:(1)增压器选型确定，即可得压气机特性曲线(图8-19)。(2)将发动机的速度特性和负荷特性转换为空气流量与压比的关系，表示到压气机特性曲线上。(3)压气机的工作范围(图8-20)主要考虑以下限制:喘振限制、超速限制和低效率限制(一般取ηk=55％)。(4)联合运行的范围(图8-21)主要考虑发动机的工况范围应在压气机的工作范围内以及发动机常用工况在高效率区。二、增压柴油机在结构上的变动对于增压度很高的车用发动机，其结构上的变动可能是很大的，甚至需要为适应高增压而重新进行设计。这时，机体和主要零件在结构上要加强，活塞可能要通油冷却，供油、配气、冷却、润滑等各部分都要重新考虑。目前多数车用增压发动机的增压度不高，它在基本结构方面与非增压机型同属一个系列，这样便于对增压与非增压两种机型的主要零件在同一条加工流水线上组织生产。但是为了适应增压后功率增长的要求，降低其机械负荷与热负荷，仍然需要对这种增压机型作必要的改动。１.增大供油量、调整供油系统为了增加循环供油量，如果仍采用非增压的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉长，经济性变坏。缩短供油持续时间的方法有:增大柱塞直径、增加供油速率(使喷油泵凸轮廓线变陡)以及加大喷油嘴孔径等。提高喷油压力和加大喷孔直径还可以增加油雾的穿透能力，保证在汽缸空气密度增大的情况下有足够的射程，从而适应油束、气流及燃烧室尺寸之间配合的需要。从限制最高爆发压力的角度考虑，应适当减小喷油提前角，即减少上止点前燃烧的燃料量。但过多地减小喷油提前角，可使燃烧大量地延续至膨胀线上，以致发动机经济性和涡轮工作条件变坏。２.改变配气相位合理地增加气阀叠开角，可加强汽缸的扫气作用，有助于降低燃烧室零件的表面温度，增加充量系数，改善涡轮的工作条件。气阀叠开角也不宜过大。研究表明，当气阀重叠角超过80°曲轴转角以后，其扫气冷却效果将不会进一步改善；叠开角过大将使扫气空气量增加，加重压气机的工作负担，引起发动机在低速、低负荷时废气倒流，影响整机的加速及变工况性能；当叠开角过大，为了避免气阀与活塞碰撞，要在活塞顶上挖过深的凹坑，使得燃烧恶化。３.减小压缩比、增大过量空气系数为了降低爆发压力，宜适当减小压缩比1

~2个单位。过多地减小，不仅会恶化整机经济性，也会使起动性能变差。增大过量空气系数，可降低热负荷，改善经济性。一般适宜将过量空气系数增大10％~30％。４.设置分支排气管在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使各缸排气互不干扰，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互相重叠(或重叠很少)。例如，一般四冲程柴油机排气脉冲延续时间为240°曲轴转角，这时一根排气管所连接汽缸的数目不宜超过三个，同时应该使相邻发火的各缸排气相互隔开，如发火次序为1-5-3-6-2-4的六缸机，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各连一根排气管。表8-2为脉冲增压柴油机排气管分支的例子。表8-2中所列一根排气管连接两个汽缸的情况:例如直列4缸或V8缸，由于所连接汽缸的发火间隔大于一个汽缸的排气延续角，所以排气管有一段时间并不向涡轮机的喷嘴环供气，此时工作轮叶片产生鼓风作用而损耗能量，称为鼓风损失(或称为脉冲涡轮的部分进气损失)。所有汽缸数目为三的倍数的柴油机，一般安排一根排气管连接三个汽缸。这样，涡轮机虽在脉冲压力下工作，但涡轮机各段喷嘴环的进气都是连续的。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。实践表明，增压空气每降低10℃，柴油机的循环平均温度可降低25

~30℃。在压力比为1.5到2时，供气量可以比不采用增压空气冷却的增压柴油机提高10％~18％。冷却增压空气的方法一般是用水或空气在中间冷却器中进行间接冷却。采用独立水冷却系统使结构庞大而复杂，在汽车上布置困难，而采用空气冷却的方案比较可取。如图8-22所示。被涡轮增压器压缩的空气经一中冷器2后进入柴油机，冷却空气3由一个空气涡轮所驱动的轴流式风扇５所提供，而驱动空气涡轮的压缩空气就取自涡轮增压器7所压缩的工质(由图中抽气管道6引出)。为了使结构紧凑，空气涡轮的叶片就装在风扇的边缘，两者合为一体，称为轮缘空气涡轮风扇。冷却增压空气尽管是降低热负荷量合理的措施之一，但它只有在增压压力较高时(例如pk≥200kPa)才是合适的。在低增压时没有必要设置中间冷却器。６.其他改动部分对于不同的增压机型，可能还会作若干有针对性的结构改进，例如加粗进气管，加强冷却系统等。三、车用增压发动机性能增压发动机具有升功率高、油耗较低、排污较少等优点。可是从车辆应用的角度而言，对增压发动机在不同运行工况的整机性能还需要作进一步分析。１.低速转矩性能变化正如前面所述，车用柴油机沿外特性运行时要求低速转矩储备高，但是一般涡轮增压柴油机在低速时转矩性能差，这正是早期车用增压柴油机发展的主要困难之一。其主要原因是由于在低速时增压压力不足，致使循环供气量不足。采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合以及用低速气门定时等，可以改善其低速转矩。如图8-23所示，近代各种增压机型可以获得较好的转矩储备，但增压后最大转矩所在的转速比非增压机型均有所增加，这对改善载货车的牵引性能仍有不利之处。增压发动机的转矩储备不好，也受高速、高负荷区的废气能量过高，或压气机供气量过多影响。在发动机高速运行时放掉涡轮机前一部分废气，或者放掉压气机后一部分增压空气，即所谓放气调节，可以大大改善低速转矩(图8-24)。２.加速性能变差发动机若能对负荷与转速作出迅速响应，这对车辆行驶安全性、经济性都是有利的。可是由于涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差。因此，增压发动机的加速性比非增压发动机差。图8-25所示为增压柴油机带负荷加速时各项参数的变化情况。在加速过程中增压压力上升缓慢。使柴油机转速及平均有效压力的增加都要经历一段较长的时间，而且在加速过程中导致烟度增加。为了防止在加速过程中冒烟，需加装在增压压力未到达规定值时限制供油量的装置，结果进一步减缓了整个加速过程。为了改善加速性，采用脉冲增压系统，减少进、排气管道容积；采用放气调节或可变喷嘴:减少转子的转动惯量；采用较小的气阀叠开角等都是有利的。另外，利用车辆上的制动空气系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射，可以起到帮助增压器加速的作用，也是简单而且有效的。３.经济性有所改善车辆采用增压柴油机可以改善车辆的经济性。但是增压柴油机在不同运行区的经济性是不同的，一般非增压柴油机在最大转矩点的平均有效压力大致为pme=800

~900kPa，进一步提高pme，将由于空气量不足而受到冒烟的限制，对于同一排量的增压柴油机来说，pme可以达到1100

~1300kPa。增压提高了指示功率及有效功率(即提高机械效率)，可以明显改善高负荷区的运行经济性。图8-26a)所示为对于同一排量增压与非增压机型的经济性比较，增压不仅使功率范围扩大，而且高负荷的经济运行范围也扩大了；但是在低负荷区涡轮增压器的能量转换不好，柴油机进、排气阻力及换气损失增加，此时增压对低负荷经济性已没有明显的好处。如果对同一功率的增压与非增压发动机进行比较，采用增压可以减少排量(减少缸数或缸径)，使同一功率的机械损失降低，因而在广阔的运转范围内，增压机的油耗都比非增压机低，等油耗的经济运行区域扩大(图8-26b)，而且由于同等功率的增压发动机排量、体积、质量减小，给车辆带来的好处也是明显的。增压发动机的这一特点，对中、轻型载货汽车及经常处于中等或部分负荷运转的车辆来说，也是有利的。增压促使经济性改善，还在于可以在保持原有功率和较高转矩的情况下，适当降低发动机转速，因为降低转速，可以减少机械损失和减少磨损，不仅改善了整机的经济性，而且使其可靠性及寿命提高，维修费降低。因此，一般非增压机型改增压以后，转速均有所降低，不过此时车辆后桥传动比宜作相应改动。增压促使经济性改善，是需要通过重新组织发动机工作过程，并与车辆参数合理配合才能实现的。就增压本身来说，例如，增压空气中间冷却(图8-27)，改善压气机效率(图8-28)等，对于改善增压柴油机经济性也有一定好处。４.降低了排气污染及噪声增压柴油机通常在较充裕的过量空气下工作，使高负荷冒烟的可能性，排出CO及HC等有害成分大为减少。增压柴油机有害气体的排放量一般为非增压的1/3

~1/2，如果措施得当(例如采用高喷射率并延迟喷射)，NOx排放量也可明显降低，尤其在采用增压及中冷以后，对减少排放物更为有利。增压柴油机着火的滞燃期缩短，压升率降低，可以减少燃烧噪声；涡轮增压器的设置，可以减少进、排气噪声。在稳定的高负荷工况，增压柴油机总的噪声级比非增压机低A声级3

~5dB；但在低负荷降低