发动机与涡轮增压器的匹配-课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,发动机与涡轮增压器的匹配,发动机与涡轮增压器的匹配,􀁺 引言,􀁺 柴油机与涡轮增压器的流量特性,􀁺 发动机与涡轮增压器匹配的基本算法,􀁺 发动机与涡轮增压器匹配的试验法,增压中冷,增压器的调节,2,引言,由于往复式机械的空气质量流量的范围很宽，故非增压柴油发动机有效速度范围也是很宽的。,而涡轮机械的只有在设计流量时，气流角度才能与涡轮机械各部分叶片结构角度相适应。如果流量偏离设计点，就会出现由于气流的分离所造成的倾角损失。这些损失将随着倾角偏差的增大而增长，因此，涡轮机械不可能充分适应柴油机宽流量范围运行的要求。但是另一方面，涡轮机械的设计参考点效率较高，小的结构尺寸下却可通过较高质量比流量的流体，所以把它们用作增压器。,-,柴油机与增压器的流动特点,3,引言,特性曲线形状完全不同的涡轮机械和往复式机械联合起来运行，必须要进行非常周密细致的工作。,对于几何参数不可变的增压器来说，涡轮增压器仅和发动机在运行范围内的某个特定参考点有最优匹配。如果发动机要求在很宽的转速和负荷范围内运行，在匹配涡轮增压器时，就要选择一种折衷的方案，该方案应能使发动机在最重要的点达到最优匹配，在其它点达到比较合适的匹配。,-柴油机与增压器的匹配特点(1),4,引言,为了改善匹配性能，除优化增压器的设计参数外，还要改变发动机的设计。这类改变包括燃油喷射系统的调整、气门流通面积及配气正时的改变等。,一般而言，转速范围窄且增压程度低的柴油机与废气涡轮增压器匹配良好相对容易些，但是对于高转速发动机和增压程度较高的发动机，匹配问题就比较复杂。有时为获得良好的匹配，不得不采用较为复杂的结构如旁通放气阀、可变喷嘴涡轮等。,-柴油机与增压器的匹配特点(2),5,引言,涡轮增压器基本尺寸的大小由发动机要求的进气量决定。进气量又是各种参数，如气缸排量、转速、进气管中的空气密度，容积效率以及扫气流量等的函数。,在不考虑扫气的情况下，四冲程发动机的进气流量的计算公式如下所示。,从上述公式可以清楚地看出，通过增压或者增压中冷，增加发动机的进气密度是增加发动机进气量的有效办法。,-柴油机与增压器的匹配特点(3),6,柴油机与涡轮增压器的流量特性,如果发动机在定转速下运行并平稳地增加负荷，那么，空气质量流量将近似地随着充气密度的增加而增加。进入发动机的气流特性曲线可以与涡轮增压器的压气机特性曲线叠绘在一起，曲线的斜率取决于气流密度。,-(1),7,柴油机与涡轮增压器的流量特性,随着发动机转速的增加，空气流速随着增加，而涡轮增压器的涡轮有效流通面积几乎保持不变，所以涡轮的进气压力将上升，涡轮功增加，增压器转速增加，压气机的出口压力也随着增加了。这样一来，发动机的等负荷线将不处于压气机特性曲线图中的水平位置，而是随着发动机转速的提高而向上倾斜。,类似的道理等转速线向右倾斜。,-(2),8,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,9,柴油机与涡轮增压器的流量特性,如果要了解发动机在整个转速和负荷范围内运行的情况，那么可将发动机运行范围的等速和等负荷线绘制在压气机特性曲线中。发动机的整个特性曲线必须处在压气机的喘振边界、低效率边界和增压器的超速边界之间。,-(3),10,柴油机与涡轮增压器的流量特性,压气机的喘振边界与发动机运行线最接近点间的间隔余量的确定必须充分考虑下面三个因素：,1),虽然平均流量的位置并不接触特定的喘振线，但由于进气系统中的脉动，很可能诱发喘振。,2),如果空气滤清器在使用中严重阻塞，流入发动机的空气流量将减少，混合气变浓，涡轮前温度升高，所以增压压力不可能下降，因此，发动机运行线就会向喘振线方向少许移动。,3),如果发动机在高原运行，由于高原运行时，压气机压比代偿性上升，其运行线将向喘振线方向作较多的移动。,-(4),11,柴油机与涡轮增压器的流量特性,就一般情况而言，压气机喘振线与发动机运行线最近点的间隔余量最少应为,10%,。对气缸数较少的发动机，某些时刻要求此间隔余量为,20%,。,-(5),12,柴油机与涡轮增压器的流量特性,涡轮增压器的涡轮能有效地在比压气机宽得多的质量流量范围下运行。所以一般不将发动机的耗气特性绘在涡轮流量特性上。,还有另外一个问题就是，如果涡轮运行在气流极不稳定的脉冲系统中，那么把发动机气流的“平均”流量绘制在涡轮特性曲线图上将不能反映真实的情况，会使人产生很大的误解。而要精确的测定发动机在涡轮特性曲线图上的运行区域，就要求在发动机运行条件下的整个范围内绘制废气流量和膨胀比的瞬时值曲线，而要想精确的测量这些瞬时数据是非常困难的。,-(6),13,柴油机与涡轮增压器的流量特性,涡轮的喷嘴环或涡壳控制着涡轮的有效流通面积。因此，涡轮的有效流通面积的改变是可以通过调整上述的元件来实现的。,-(7),14,柴油机与涡轮增压器的流量特性,如果减小涡轮的流通面积，那么压气机的出口压力和质量比流量将增大，由于充气温度也跟着上升，所以增压压力上升的比例较空气质量比流量上升比例要大。,当然，如果涡轮流通面积本来就比较小，那么继续减小流通面积会造成堵塞，会使空气流量反而下降。,-(8),15,柴油机与涡轮增压器匹配,步骤：,从考虑柴油机的燃烧和热负荷出发，定下涡轮前的废气温度,T,T,，根据能量平衡式，即输入的能量和输出的能量相等，列出进气量和排气温度的关系。根据,T,T,定出空气流量,G,s,。,在进气流量确定后，根据充气系数、扫气系数、发动机转速及气缸容积确定增压压力的大小,P,s,。,进气流量和增压压力确定后，根据涡轮增压器的功率平衡，可以确定涡轮前压力,P,t,。,-,基本算法,(1),目的：估计增压器的空气流量和增压压力等参数，初选涡轮增压器，为试验选型做好准备。,16,柴油机与涡轮增压器匹配,在废气流量、涡轮前废气压力和涡轮前温度都确定后，就可以估算出涡轮的通流面积。到此为止，也就完成了整个增压器的估算过程。,-,基本算法,(2),17,发动机与涡轮增压器匹配,将发动机的耗气特性与压气机特性重合起来，方可判断压气机是否经常在最高效率区内运转。,重型车用发动机与压气机匹配的要求是：,1),发动机最大扭矩点处在压气机的最高效率区。,2),发动机的外特性处在压气机效率较高的区域。,3),在发动机部分负荷工作时，压气机的工作区域绝大部分其绝热效率高于,65%,。,-试验法(1),18,发动机与涡轮增压器匹配,有时为达到特殊的目的，也会对上述原则进行调整。,左图所示为照顾低速性能的匹配方法。,需要确定,-试验法(2),19,发动机与涡轮增压器匹配,一般很少将发动机耗气特性画在涡轮特性上。,如果要叠画在一起，判断的准则是：涡轮最高效率区处于发动机的低速工作区；涡轮特性线在等膨胀比下比较平坦；自循环工作线贯穿涡轮的高效率区；发动机整个运转区域，都在涡轮无因次转速,1.0,以下。,-试验法(3),20,发动机与涡轮增压器匹配,匹配实例,发动机与压气机匹配不合适。,-试验法(4),21,发动机与涡轮增压器匹配,如左所示的,2,、,3,两种叶轮都是在叶轮,1,的基础上修改得到的，匹配的是同一种无叶扩压器和集气器。,􀁺,1 2 3,叶轮进口直径,43 39 35,叶轮出口宽度,4.3 3.6 3.0,单位：,mm,-试验法(5),22,发动机与涡轮增压器匹配,如果发动机的外特性线处于压气机特性线图中偏低的位置，则可用改变涡轮喷嘴环的最小截面积的方法来改善两者的配合。当截面积变小时，发动机的排气压力增高，可驱使涡轮更快带动压气机运转。这就使得压气机的压比增加，从而增加了进气密度、流量。,还应注意：若涡轮的最小截面积原来就较小，再进一步减小其最小截面积，即使涡轮的效率基本不变，仍会由于发动机的排气阻力有明显的增加，使得压气机的匹配流量减少。,-试验法(6),23,发动机与涡轮增压器匹配,修改涡轮喷嘴环最小截面积后，涡轮特性线也会有相应变化。图中虚线表示减小无叶喷嘴的涡壳流通截面后，所得到的涡轮特性曲线。,在同样膨胀比下，小截面的折合转速要高很多，而折合流量要小很多。,-试验法(7),24,发动机与涡轮增压器匹配,任何废气涡轮增压器，都可以在原设计型号的基础上进行修改，发展成为具有不同适用范围的变型。将不同变型的压气机与不同变型的涡轮组合起来，可成为在一种基型废气涡轮增压器的基础上得到的一系列变型。,应该特别指出：无论修改压气机任何部位的尺寸，都只能改变压气机本身的特性曲线形状，对涡轮的特性曲线毫无影响；反之亦然。压气机或者涡轮特性曲线形状的改变，彼此都会影响它们与发动机共同工作时的匹配区域。,-试验法(8),25,增压中冷,采用中冷技术是进一步提高增压发动机功率，改善发动机性能的一种有效措施。当发动机的增压压比较高时，压气机出口温度增加，这一方面导致发动机进气密度下降，影响了发动机功率的进一步提高，另一方面将导致排气温度升高，热负荷增加，同时会导致,NOx,排放增加。,解决这一问题的最有效办法是在压气机出口设置一个中冷器，将压气机出口的气体冷却，冷却后的气体再进入发动机气缸。,-(1),26,增压中冷,增压发动机采用中冷后，有如下优点：,进气密度进一步提高，可使发动机达到比较高的平均有效压力。,可降低发动机的热负荷。这是因为增压空气经中冷温度降低后，可使发动机的最高燃烧温度和排气温度下降。试验数据表明，发动机的进气温度每下降,10,，排气温度可下降,20-30,，从而改善了发动机受热零件的工作条件。,-(2),27,增压中冷,可降低发动机的燃油消耗率。增压中冷后，一方面由于进气量充足，燃烧过程更为完善，另一方面由于中冷后发动机的平均循环温度有所下降，相对散热损失减少，同时发动机的相对机械损失也会减少，因此发动机的燃油消耗率有所降低。,可降低发动机排气中有害成分的排放量。由于中冷降低了最高燃烧温度，所以可使,NO,X,排放显著降低。对于达到欧洲二号排放标准的柴油机，一般都采用增压中冷。,-(3),28,增压中冷,对于车用发动机来说，一般采用空,-,空中冷器，这种系统结构简单可靠，冷却介质温度较低，流量大，冷却效果很好。左图为空空中冷器的结构。,在有些系统中不便于利用空,-,空中冷的，也有利用水作为冷却介质的。如船用发动机。,-(4),29,增压中冷,中冷系统的性能主要取决于中冷器的效率和压降。中冷器的效率是指增压空气通过中冷器后所降低的温度与理论上最大可能降低的温度之比。,t,Ai,，中冷器进口空气温度,t,Ao,，中冷器出口空气温度,t,ci,，冷却介质进口温度,一般中冷器的效率可达,0.75-0.85,。,中冷器的压降表示增压空气通过中冷器后的压力损失，空空中冷器的最大压降在,5KPa-8KPa,之间，水空中冷器的压降一般要求在,5KPa,以内。,-(5),30,增压器的调节,采用涡轮增压器调节的目的在于既保证发动机在低速时有较高的增压压力,p,c,，从而有较高的扭矩，又能保证发动机在额定点附近,p,c,不致过高，以避免发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的超速。通过涡轮增压器的调节可改善增压器与发动机的匹配，从而达到改善车用增压发动机扭矩特性的目的。可调增压器与电子控制技术相结合，可实现全工况范围内发动机与增压器的最佳匹配，从而达到发动机性能的全面优化。,-,目的,31,增压器的调节,增压器的调节对于车用柴油机来说非常必要。有些轻型车柴油机的转速甚至达到,4000rpm,以上。由于转速范围宽，固定截面涡轮增压器就难于实现与发动机的良好匹配。如果保证发动机在最大扭矩点时有足够的增压压力，则在发动机额定转速时就要出现过高的增压压力，这就带来发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的严重超速，这是不允许的。若只考虑发动机额定转速时所需要的增压压力，则在发动机低速时增压压力值下降过多不能保证足够的扭矩。所以在这种情况下只能求助于涡轮增压器的调节。,-,必要性,32,增压器的调节,增压器的调节中，最重要的是涡轮的调节，目前涡轮调节的主要方式包括：旁通放气和变截面涡轮。左图为带旁通放气的涡轮增压器,-,旁通放气,(1),33,增压器的调节,旁通放气的原理是，放气阀由一个膜片阀驱动，膜片阀的一端是压气机扩压器处或出口处的压力，当压气机出口压力达到一定值时，膜片阀开始移动，放气阀打开，这时一部分排气不通过涡轮，直接排入排气管。由于一部分排气没有经过涡轮，所以使得涡轮功减少，这样调节的结果就是使得增压压力在达到一定数值后不再升高。,-,旁通放气,(2),34,增压器的调节,旁通放气的增压器结构简单，但排气旁通必然损失一部分能量，致使发动机在额定点附近性能恶化。,-,旁通放气,(3),35,增压器的调节,放气阀的结构,-,旁通放气,(4),36,增压器的调节,带放气阀的增压器的增压压力。可根据弹簧的预紧力设定增压器的放气点。,-,旁通放气,(5),37,为了满足将来越来越严格的排放规定，普通的放气调节可能达不到要求，而且放气调节会导致油耗比较高。,所以为了满足排放法规要求，很多研究机构推荐使用可变几何涡轮增压器，甚至面对未来，可变几何涡轮增压器成为一种必需。,所谓可变几何涡轮增压器是指涡轮流通面积可变，目前有两种基本形式，一种转叶可调，一种轴向移动。,增压器的调节,-,可变几何涡轮增压器,38,增压器的调节,转叶式可变几何涡轮采用了有叶喷嘴环，当喷嘴环叶片转动时，改变了喷嘴环气流出口角，从而改变了喷嘴出口面积。当发动机低速时，喷嘴出口面积减小，气流流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量相对加大。当发动机高速时，喷嘴出口面积增大，增压器转速相对减小，增压压力相对降低，增压不过量。,-,可调喷嘴涡轮增压器,(1),39,增压器的调节,由于可调涡轮增压器可在涡轮增压器的工作过程中，随发动机工况的变化调整喷嘴环的角度，改变流通截面积，从而使增压器与发动机在全工况范围内匹配性能最优。,-,可调喷嘴涡轮增压器,(2),40,增压器的调节,通过对可调涡轮增压器的适当控制，还可以使得柴油机的加速性大幅改善。,例如在加速时，关小喷嘴开度，可以使增压压力快速上升，这样会缩短发动机的加速时间，同时减小加速时的烟度。,通过对可调涡轮增压器的适当控制，还可以使得柴油机的冷启动性能，怠速油耗等得到改善。,-,可调喷嘴涡轮增压器,(3),41,增压器的调节,叶片可轴向移动，改变喷嘴出口面积，这是另外一种重要的可调涡轮结构形式。,-套式可调喷嘴涡轮增压器,42,