內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù).ppt

Harbin Engineering University,哈爾濱工程大學(xué)本科生專業(yè)任意選修課程 內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 課程主講：馮永明副教授 辦公地點(diǎn)：動(dòng)力與能源工程學(xué)院動(dòng)力樓903辦公室 聯(lián)系方式：,Harbin Engineering University,課程主要內(nèi)容提綱： 一、緒論（國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)） 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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力性能參數(shù)的影響,課程主要內(nèi)容提綱： 五、發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器的匹配 六、增壓系統(tǒng) 七、車用發(fā)動(dòng)機(jī)（汽油機(jī)與柴油機(jī)）增壓技術(shù) 八、船用柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù) 九、排放法規(guī)對(duì)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)提出的挑戰(zhàn),增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系: 四沖程增壓柴油機(jī)排氣具有較高的溫度，一般在500-650c左右。渦輪從排氣中回收的能量用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定壓力、溫度、流量的新鮮空氣。經(jīng)過(guò)壓縮的空氣密度增大，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的充量。對(duì)于中增壓以上的增壓系統(tǒng)，中間冷卻是必不可少的。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮始點(diǎn)壓力升高，將會(huì)導(dǎo)致最高爆發(fā)壓力變大、機(jī)械負(fù)荷加重，進(jìn)氣溫度升高，以及循環(huán)供油量增加，最高燃燒溫度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增大。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的增加往往受到材料的許用應(yīng)力等條件限制，這是限制增壓度進(jìn)一步提高的重要因素。 增壓系統(tǒng)熱力參數(shù)之問(wèn)存在著十分復(fù)雜的關(guān)系，它們之間相互影響，彼此牽制。不過(guò)它們之間嚴(yán)格遵守質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。其內(nèi)在聯(lián)系，目前已比較清楚。,增壓對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程主要參數(shù)的影響：,在進(jìn)氣慣性作用下，壓縮始?jí)?甚至有可能大于 。對(duì)四沖程增壓柴油機(jī)，一般,對(duì)機(jī)械應(yīng)力有關(guān)參致的影響:,由此可見增壓后，最高爆發(fā)壓力顯著升高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增加很多。,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力：,缸內(nèi)壓縮終壓：,對(duì)熱應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響：,在無(wú)中冷器的情況，增壓后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度為壓氣機(jī)出口溫度 ，即,如果增壓系統(tǒng)中有中冷器，則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度應(yīng)為中冷器出口的氣體溫度。,缸內(nèi)壓縮始溫：,缸內(nèi)壓縮終溫：,增壓后熱負(fù)荷增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性帶來(lái)不利影響。,平均有效壓力Pme： 作用于活塞頂上的假想的大小不變的壓力。它使活 塞移動(dòng)一個(gè)行程所作的功，等于每循環(huán)所作的有效功。 Ne=iVhPmen/(30)Kw 四沖程=4，二沖程=2 i=氣缸數(shù) Vh=氣缸工作容積(L) Pme=平均有效壓力(Mpa) N=發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) =發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù) Pme 代表了單位氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。,對(duì)動(dòng)力性有關(guān)參數(shù)的影響：,Power is basically a function of three things: 1、Air density - boosting 2、Swept volume 3、Engine speed,對(duì)其他有關(guān)參數(shù)的影響：,掃氣系數(shù),充量系數(shù),殘余排氣系數(shù),過(guò)量空氣系數(shù),指示熱效率,機(jī)械效率,燃油消耗率,渦輪增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行的基本要求： 1）在標(biāo)定工況需達(dá)到預(yù)期的增壓壓力，但不能太高以免最大爆發(fā)壓力超過(guò)允許值，機(jī)械負(fù)荷太大 ； 2）需達(dá)到預(yù)期的空氣流量，有足夠的燃燒過(guò)量空氣系數(shù)，使燃燒完善，燃油消耗率滿足要求 ； 3）渦輪前排氣溫度不超過(guò)預(yù)定值，以保證氣缸熱負(fù)荷不能過(guò)高；渦輪增壓器轉(zhuǎn)速必須低于允許值，以保證渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度負(fù)荷安全的要求；渦輪增壓器的總效率要高，掃氣系數(shù)也具有適當(dāng)?shù)拇笮?； 4）在低工況時(shí)，也必須保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負(fù)荷的要求 。 5）要求在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振與阻塞 。,渦輪增壓器和柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線,發(fā)動(dòng)機(jī)工況：有效功率Ne和轉(zhuǎn)速n 決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作運(yùn)行情況。發(fā)動(dòng)機(jī)的工況分為點(diǎn)工況、線工況和面工況。 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度( 或油門開度 )不變，發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。 汽油機(jī)的速度特性: 汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不變，汽油機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。 外特性(全負(fù)荷的速度特性) 節(jié)氣門全開(100%) , 測(cè)得的速度特性。 部分速度特性 節(jié)氣門固定在部分開啟位置, 測(cè)得的速度特性。,柴油機(jī)的速度特性 油量調(diào)節(jié)機(jī)械 （ 油門拉桿或齒條 ） 位置固定不動(dòng), 柴油機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。 外特性 （ 全負(fù)荷的速度特性 ） 油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在標(biāo)定功率循環(huán)油量位置時(shí), 測(cè)得的速度特性。 部分速度特性 油調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在小于標(biāo)定功率循環(huán)供油位置時(shí), 測(cè)得的速度特性。 國(guó)家規(guī)定： 車用柴油機(jī), 除作外特性外, 還應(yīng)作標(biāo)定功率的90%, 75%, 50%, 25%的部分速度特性實(shí)驗(yàn)。 如：汽車爬坡或阻力變化時(shí), 節(jié)氣門( 或油門 )開度不變, n隨外界負(fù)荷的變化而變化。外界負(fù)荷大, n, 外界負(fù)荷小, n, 這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)沿速度特性工作。,柴油機(jī)外特性曲線,g n g （ 油泵速度特性 ）,外特性的意義,A、B發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩相同，但 A 機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比 B 機(jī)低當(dāng)外界阻力矩為R1時(shí)，A、B兩機(jī)均在n1下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)外界阻力矩增大至R2時(shí)，B機(jī)發(fā)出最大扭矩在n2B下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)A機(jī)則在n2A下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)外界阻力矩再增大至R3時(shí)，A機(jī)發(fā)出最大扭矩在n3A下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，而B機(jī)無(wú)法克服外界阻力矩，只能熄火。,汽油機(jī)的負(fù)荷特性 轉(zhuǎn)速n不變，汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷 節(jié)氣門開度變化的關(guān)系。 如: 在不換檔情況下，汽車上坡時(shí)加大油門，下坡時(shí)關(guān)小油門，而維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n不變，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)沿負(fù)荷特性工作。 柴油機(jī)的負(fù)荷特性 轉(zhuǎn)速n不變，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷 油門開度變化的關(guān)系。,柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線,選擇氣道、燃燒室結(jié)構(gòu), 調(diào)整燃料供給系統(tǒng), 常以負(fù)荷特性作為標(biāo)準(zhǔn)。,一般按負(fù)荷特性或螺旋槳推進(jìn)特性運(yùn)行時(shí)標(biāo)定工況的流量為相同壓比下喘振流量的 110%-115。若按外特性，如拖船、漁船、車用等，則要高些，可達(dá)120%。,增壓器與柴油機(jī)匹配運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣管氣體壓力會(huì)有波動(dòng)即增壓器出口壓力波動(dòng)；或在變負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降太快等，都會(huì)使增壓器發(fā)生喘振，所以配合點(diǎn)不能離喘振線太近但離喘振線太遠(yuǎn)，則將在低效區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，并接近阻塞區(qū)域。,在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，聯(lián)合運(yùn)行線通常離喘振邊界有一定的距離，即預(yù)留一定的喘振裕度。,1.壓比；2.流量；3.帶有內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置；4.不帶內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置；5.帶有內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置的柴油機(jī)的運(yùn)行特性曲線；6.不帶內(nèi)部氣流再循環(huán)裝置的柴油機(jī)的運(yùn)行特性曲線。,ABB TPS-F33 Turbochargers Compressor Wheel with the Recirculation Device,Compressor map with and without internal re-circulation (IRC),MAN TCR & TCA turbochargers with the IRC system (internal re-circulation),聯(lián)合運(yùn)行線的調(diào)節(jié):調(diào)節(jié)渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積,聯(lián)合運(yùn)行線的調(diào)節(jié): 改變壓氣機(jī)擴(kuò)壓器的進(jìn)口角,改變壓氣機(jī)特性線的辦法很多，如改變擴(kuò)壓器進(jìn)口角、改變?nèi)~輪出口及擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度或改變導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口外徑等。,調(diào)整柴油機(jī)與增壓器聯(lián)合運(yùn)行線的方法有： 1）調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積：減小噴嘴環(huán)通流面積，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行線向喘振線移動(dòng)，也就是把運(yùn)行線從壓氣機(jī)的低效率區(qū)移向高效率區(qū)。 2）移動(dòng)喘振線的位置，包括：a）改變擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口構(gòu)造角：增加構(gòu)造角，會(huì)使喘振線向增大流量的方向移動(dòng)；反之亦然。b）改變擴(kuò)壓器葉片寬度等于改變擴(kuò)壓器進(jìn)口喉部面積：增加擴(kuò)壓器喉部面積，喘振線向右移動(dòng)；反之亦然。 調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)出口通流面積的辦法，是通過(guò)改變運(yùn)行線來(lái)適應(yīng)壓氣機(jī)特性，而調(diào)整擴(kuò)壓器進(jìn)口角的方法則是通過(guò)改變壓氣機(jī)特性線來(lái)適應(yīng)運(yùn)行線。,大氣環(huán)境變化對(duì)柴油機(jī)與增壓器聯(lián)合運(yùn)行線的影響：,大氣環(huán)境變化對(duì)柴油機(jī)與增壓器聯(lián)合運(yùn)行線的影響：,大氣環(huán)境變化對(duì)柴油機(jī)與增壓器聯(lián)合運(yùn)行線的影響：,增壓柴油機(jī)的熱負(fù)荷及解決途徑：,增壓柴油機(jī)的熱負(fù)荷表現(xiàn)形式很多，但比較集中地反映在排氣溫度上，一般以排氣溫度來(lái)表征增壓柴油機(jī)的熱負(fù)荷。,降低柴油機(jī)熱負(fù)荷應(yīng)當(dāng)增加掃氣系數(shù)、降低壓氣機(jī)出口溫度、合理組織工作過(guò)程，具體措施有： 1）適當(dāng)增大進(jìn)、排氣門疊開角； 2）增大疊開期內(nèi)的進(jìn)、排氣管壓力差，包括合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣管，合理設(shè)計(jì)排氣管； 3）增大進(jìn)、排氣門的時(shí)間截面，包括合理設(shè)計(jì)配氣凸輪，盡量擴(kuò)大近排氣門的面積，增加搖臂比； 4）增壓中冷； 5）強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)，包括改善機(jī)油冷卻條件，改善冷卻系統(tǒng)工作條件，中速機(jī)鉆孔冷卻缸套上部及缸蓋； 6）改善供油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)，包括調(diào)整供油規(guī)律，促進(jìn)燃燒室中的油氣混合，合理調(diào)整供油提前角，增加過(guò)量空氣系數(shù)。,增壓柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷及解決途徑,降低機(jī)械負(fù)荷的主要措施：1）適當(dāng)降低柴油機(jī)的壓縮比；2）適當(dāng)減小供油提前角；3）調(diào)整渦輪增壓器；4）優(yōu)化供油系統(tǒng)。,柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷是由最高燃燒壓力 和最大壓力升高比 來(lái)反映的。由于壓力升高比不便測(cè)量，故通常以最高燃燒壓力力表征。,改善增壓柴油機(jī)低工況及瞬態(tài)特性的途徑,增壓柴油機(jī)低工況性能分析,根據(jù)柴油機(jī)的工作性能指標(biāo)可得到如下關(guān)系：,改善增壓柴油機(jī)低工況性能的措施： 隨著增壓柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，增壓柴油機(jī)低工況燃燒過(guò)量空氣不足的問(wèn)題愈加突出。由于低工況時(shí)排氣能量不足，渦輪增壓器工作效率較低，使得整機(jī)效率不高，進(jìn)氣量不足，燃燒不充分，從而使得高增壓柴油機(jī)的低工況性能不好，使發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩受到影響。 1）采用脈沖增壓系統(tǒng)或MPC系統(tǒng)； 2）采用高工況放氣； 3）采用低工況進(jìn)、排氣旁通； 4）采用變截面渦輪