HarbinEngineeringUniversity

內(nèi)燃機增壓技術(shù)

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1HarbinEngineeringUniversity課程主要內(nèi)容提綱：一、緒論（國內(nèi)外內(nèi)燃機增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢）二、渦輪增壓器和中冷器三、排氣能量的利用與基本增壓系統(tǒng)四、增壓對發(fā)動機熱力性能參數(shù)的影響2課程主要內(nèi)容提綱：五、發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配六、增壓系統(tǒng)七、車用發(fā)動機（汽油機與柴油機）增壓技術(shù)八、船用柴油機渦輪增壓技術(shù)九、排放法規(guī)對內(nèi)燃機增壓技術(shù)提出的挑戰(zhàn)3柴油機理論示功圖柴油機實際示功圖柴油機熱力循環(huán)分析:4四沖程壓燃式內(nèi)燃機即柴油機的實際示功圖:線段0-1為進氣過程，由于進氣管路的阻力，氣缸內(nèi)氣體的壓力稍低于環(huán)境壓力；線段1-2為壓縮過程，隨著活塞推進，氣缸容積減小，氣體壓力提高；線段2-3-4為燃燒過程，其中線段2-3表示活塞處于上死點附近時，燃料在氣缸中的燃燒過程，此時由于氣缸容積無顯著變化，而燃料燃燒使得氣缸中氣體壓力急劇升高；線段3-4表示活塞開始向下死點移動，而燃料繼續(xù)在氣缸中燃燒的過程，此階段氣缸中氣體的壓力變化不大；線段4-5為膨脹過程，高溫高壓燃氣推動活塞移動而作功；線段5-0為排氣過程，開始時活塞處于下死點附近，容積變化較慢，而廢氣壓力較高，故容積尚無顯著變化時，廢氣已大量排入大氣而氣缸內(nèi)壓力迅速下降至接近大氣壓力，然后隨著活塞移動容積減小，繼續(xù)把缸內(nèi)廢氣排至大氣中。5如果忽略實際過程中的摩擦阻力、擾動等損失，燃燒所需時間以及散熱損失等因素的影響，則可由實際示功圖理想化為理論示功圖：線段0-1為在大氣壓力下的定壓進氣過程；線段1-2為絕熱的壓縮過程；線段2-3為定容的燃燒過程；線段3-4為定壓燃燒過程；線段4-5為絕熱膨脹過程；線段5-1為定容下氣缸排氣而氣缸中壓力下降的過程；線段1-0為在大氣壓力下的定壓排氣過程。根據(jù)活塞式內(nèi)燃機的理論示功圖，就可確定相應(yīng)的理想熱力循環(huán)。按不可逆過程的性質(zhì)分別取相應(yīng)的可逆過程并且由于定壓進氣過程與定壓排氣過程的功量相互抵消而對整個循環(huán)沒有影響，可不考慮，于是就得到柴油機工作循環(huán)的理想熱力循環(huán):由五個可逆過程所組成：絕熱壓縮過程1-2；定容加熱過程2-3；定壓加熱過程3-4；絕熱膨脹4-5及定容放熱過程5-1。這個循環(huán)稱為混合加熱循環(huán)。6混合加熱循環(huán)的p-v圖與T-s圖柴油機工作循環(huán)的理想熱力循環(huán):7四沖程增壓柴油機理論示功圖8廢氣的最大可用能由三部分組成：1）排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力所作的功；2）活塞推出排氣，排氣得到的能量；3）掃氣空氣所具有的能量。

排氣能量傳遞中的損失：排氣門前排氣具有的能量在流經(jīng)排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失包括如下幾個方面：1)流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失;2)流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；3)管道面積突擴時的流動損失；4)不同參數(shù)氣流滲混和撞擊形成的損失；5)由于氣體的粘性而形成的靡擦損失：6)氣流向外界散熱所形成的能量損失。9提高廢氣最大可用能和能量傳遞效率的途徑有：

1）應(yīng)使排氣門的通流面積盡可能大，開啟速度盡可能快，以使排氣很快流出，排氣后的壓力很快升高，從而減少節(jié)流損失，排氣容積不應(yīng)太大，排氣管要短而細；2）應(yīng)力求管道光順、沒有縮口；3）排氣總管內(nèi)徑做的與歧管內(nèi)徑一樣大，以避免突擴損失；4）使用順著氣流的斜向接頭，以避免撞擊損失；5）力求管壁光滑，減少摩擦；6）排氣管使用絕熱材料包裹以隔熱。

排氣門處的節(jié)流損失是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的60%-70%。尤其是在初期排氣，氣缸中高壓高溫氣體流出時，因排氣管中壓力低而形成超臨界流動，所以減少這部分節(jié)流損失對提高排氣中能量的利用率是很重要的。10ComparisonoftheCylinderDiagramsofa4-StrokeEngineswithandwithoutTurbocharging

11ComparisonoftheCylinderDiagramsofa4-StrokeEngineswithandwithoutTurbocharging

1213(a)Anexhaustsystemoftheturbochargedengine;and(b)themostimportantprocessesTheturbochargeddieselengines14

對排氣中可用能的利用情況，增壓系統(tǒng)可分為兩種基本形式：脈沖增壓系統(tǒng)與定壓增壓系統(tǒng)。若要利用排氣的“脈沖能”，即b-4-T’-b面積所代表的能量，則排氣管的容積要小，排氣管中的壓力就有波動。這種增壓系統(tǒng)稱為脈沖增壓系統(tǒng)，又稱變壓增壓系統(tǒng)。若不利用排氣脈沖能，則用較大的排氣管容積，這樣脈沖能便轉(zhuǎn)化為熱能，提高了渦輪前的排氣溫度，所以進人渦輪前回收了一塊面積T’-K’-K-T-T’的能量，這就是從損失掉的“脈沖能”中回收的一部分，這種系統(tǒng)稱為定壓增壓系統(tǒng)。排氣渦輪增壓系統(tǒng)的基本形式：1516根據(jù)能量平衡：式中：渦輪前排氣溫度的升高值，為燃氣流量，為定壓比熱容。渦輪作功能力的增加值為：能量回收率為：式中：為渦輪出口排氣壓力，為渦輪進口壓力。17脈沖能量利用系致與增壓比的關(guān)系：脈沖能量利用系數(shù)：18在實際柴油機中，脈沖能量最多只能利用40%-50%。在定壓渦輪增壓系統(tǒng)中，能量回收率隨膨脹比的增加而增大。實際上，脈沖能量隨著膨脹比的增大而減少，即能量回收更多。脈沖增壓系統(tǒng)在低增壓時是有利的，在高增壓時則得益不多，而且在脈沖增壓系統(tǒng)下止作的渦輪．由于壓力波動及部分進氣等原因，其渦輪平均效率比在定壓增壓系統(tǒng)工作時低。當(dāng)增壓比增高到一定程度以后，脈沖能量利用系數(shù)保持為一較小值，這時采用脈沖增壓系統(tǒng)就沒有多少效果了。19

影響脈沖能量利用的主要因素有：1）排氣門開啟定時；2）排氣門通流面積；3）排氣門開啟規(guī)律；4）排氣管通流面積；5）排氣管長度；6）渦輪通流面積。脈沖增壓系統(tǒng)就是要盡可能地利用脈沖能量，而脈沖能量的利用又主要取決于排氣管中壓力波形的合理組織。這與氣缸內(nèi)的壓力．排氣歧管的粗細、長短以及噴嘴環(huán)喉部面積大小等均有密切的關(guān)系。為了充分利用排氣脈沖能量，要求：1）排氣門打開后，排氣歧管內(nèi)的壓力應(yīng)盡快建立起來，以減少流動損失；2）排氣自排氣門逸出應(yīng)迅速，阻力盡可能地?。?）柴油機掃氣過程中，排氣管中的壓力要盡可能低，以利于掃氣進行。20脈沖增壓系統(tǒng)與定壓增壓系統(tǒng)相比，脈沖增壓系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

1）排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好；2）掃氣時壓差大，易于組織，對二沖程更有利；3）低速時能保證較高的增壓壓力和低速轉(zhuǎn)矩大，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速上升快；4）壓力波瞬變反應(yīng)快，加速性能好。缺點是：1）在兩缸一歧管時，排氣管抽真空。在增壓壓力高時，當(dāng)排氣門剛開啟時節(jié)流損失大，使渦輪鼓風(fēng)損失大，渦輪效率降低；2）當(dāng)排氣管太長時，反射壓力波對掃氣會產(chǎn)生干擾；213）對同樣功率的柴油機，渦輪通流面積較定壓增壓系統(tǒng)的大，常常要用大一型號的渦輪增壓器來配機，成本較高；4）缸數(shù)多時，為了利用壓力波谷進行燃燒室掃氣，排氣管要分支，從而使排氣管結(jié)構(gòu)復(fù)雜。5）脈沖波使渦輪葉片的應(yīng)力增大定壓增壓系統(tǒng)的優(yōu)點是：1）可采用渦輪全進氣，壓力波動小，渦輪葉片所受激振力小、渦輪效率高；2）排氣管系結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計制造和維修；3）不會由于壓力波的干擾而使柴油機的轉(zhuǎn)速上限受到限制；224）對低增壓相同功率的柴油機而言，渦輪通流面積較脈沖的小，可用小一號的渦輪增壓器。定壓增壓系統(tǒng)的缺點是：1）加速性較差，低負荷性能較差；2）掃氣空氣量較脈沖的少；3）部分負荷時，有時掃氣倒流，能污進氣系統(tǒng)及增壓器；4）在低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩時，增壓壓力下降較大，低速轉(zhuǎn)矩特性較差；5）在缸數(shù)少時，顯得排氣管容積過大。23渦輪增壓柴油機排氣管的方案設(shè)計：

定壓增壓的排氣管力求排氣壓力穩(wěn)定，以提高渦輪效率；排氣管容積較大，一般為發(fā)動機總氣缸容積的兩倍左右。排氣在排氣管中流速較慢通常平均流速不超過50m/s。為了充分利用脈沖能量，各缸排氣壓力波應(yīng)互不干擾。一般增壓柴油機排氣門開啟持續(xù)角為24o-32o(CA）故一根四沖程柴油機的排氣管最多聯(lián)接三個氣缸，當(dāng)聯(lián)結(jié)兩個氣缸時，為避免排氣抽真空，在渦輪進口可再聯(lián)結(jié)一個脈沖轉(zhuǎn)換器進渦輪。對脈沖增壓的排氣管，為充分利用脈沖能量。排氣管應(yīng)首先按上述分歧原則確定分歧方案：然后根據(jù)動力裝置的需要，確定增壓器安裝位置。每個排氣歧管的容積磯與一個氣缸工作容積的比在1.3-1.5之間。脈沖增壓的排氣歧管在設(shè)計時要注意圓滑過渡，并避免互相干擾。24252627通過脈沖轉(zhuǎn)換器進渦輪,可避免3、4、5、6缸排氣抽真空。2829303132333435脈沖轉(zhuǎn)換器A和B兩根排氣管通過噴管與混合管相接，再與增壓器渦輪相連。當(dāng)聯(lián)接A管的某一氣缸的排氣門開啟，排氣脈沖到達噴管，加速流人混合管，此時正是聯(lián)接B管的另一氣缸的掃氣時期，它在噴管處的氣流速度已經(jīng)降低，但這一減弱的氣流得到由A管氣流的引射而加強，從而對掃氣有利。既能保證良好的掃氣，又能充分利用排氣脈沖能量，還由于渦輪前的排氣壓刀接近恒定而使渦輪效率得以提高。36脈沖轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的優(yōu)點是兼顧了脈沖增壓與定壓增壓系統(tǒng)的優(yōu)點，即對于能量傳遞效率來說，接近脈沖系統(tǒng)，但對渦輪效率來說，接近定壓系統(tǒng)、而且燃燒室掃氣量大，柴油機低工況性能得到改善，渦掄的通流面積又可減小。渦輪有可能全進氣，使渦輪效率提高，同時也可使葉片的振動應(yīng)力降低。對4,8,16缸機來說，脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)比脈沖增壓系統(tǒng)好。因此，目前一般不用二缸一歧管的脈沖增壓系統(tǒng)，而大多采用脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來代替它。37多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：排氣管系把各歧管接人一個較大的帶有縮口的混合管中再由混合管把排氣引人渦輪。38

多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：排氣管系把各歧管接人一個較大的帶有縮口的混合管中再由混合管把排氣引人渦輪。它主要的特點是使排氣歧管中的壓力波傳至渦輪后基本上不反射這就不會影響各缸的掃氣。在高工況時近于定壓系統(tǒng)，低工況時近于脈沖系統(tǒng)。多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有下述優(yōu)點：①有效地傳播能量，排氣能量傳遞效率高；②渦輪前參數(shù)穩(wěn)定，渦輪效率高；③柴油機掃氣過程能順利進行，泵氣功損失?。虎茉趯拸V的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持較高的排氣能量傳遞效率，使柴油機油耗率曲線變化平坦；⑤加速性能好。多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基本能滿足對增壓系統(tǒng)的要求，適用于5、7、14缸機，也推廣到了4、8、16缸機，甚至6、9、12、18機也有應(yīng)用。但是，與定壓增壓系統(tǒng)相比，其排氣管結(jié)構(gòu)仍顯復(fù)雜，且布置不便。39

MSEM(ModularSingleExhaustManifold)系統(tǒng)，即模件式單排氣總管增壓系統(tǒng)、主要包括MPC、長歧管、旋流、擴壓、組合式五種不同形式。比較而言，應(yīng)用較多的當(dāng)屬MPC形式。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，不論缸數(shù)多少，均只有一根單一的排氣總管，且管徑比定壓系統(tǒng)小，排氣管系尺寸小、質(zhì)量輕、便于布置，適用于各種缸數(shù)的柴油機。MSEM系統(tǒng)兼顧脈沖增壓系統(tǒng)和定壓增壓系統(tǒng)的優(yōu)點，渦輪前的壓力波動小，近于定壓系統(tǒng)，因此渦輪效率較高。排氣總管直徑較定壓系統(tǒng)小，且各缸排氣歧管順著總管氣流方向進人，使部分脈沖能量以速度能形式進人總管及渦輪，排氣能量傳遞效率較高，在約60%負荷以下的低工況性能近于脈沖增壓系統(tǒng)而優(yōu)于定壓系統(tǒng)，高工況性能則優(yōu)于脈沖而近于定壓系統(tǒng)。40MSEM(ModularSingleExhaustManifold)系統(tǒng)41MPC(ModularPulseConverter)系統(tǒng)又稱模件式脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是在脈沖轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上的進一步發(fā)展。每個氣缸排氣口上都安裝了一個脈沖轉(zhuǎn)換串接件，排氣總管只有一個。其