第四章柴油機增壓及中冷技術(shù)

1、4.2 柴油機增壓、中冷柴油機增壓、中冷4.2.1 內(nèi)燃機增壓的基本知識內(nèi)燃機增壓的基本知識4.2.2 柴油機增壓、中冷柴油機增壓、中冷4.2.1 內(nèi)燃機增壓的基本知識v廣義上，凡是能夠?qū)?nèi)燃機進氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法，都稱為增壓。v增壓的范圍（按增壓壓力pc大小）低增壓： pc0.35MPa（內(nèi)燃機平均有效壓力pe2.0MPa）。v增壓的方式：恒壓、變壓（脈沖）恒壓、變壓（脈沖） 恒壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)v等壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)由12 3 3 4 1和燃氣輪機循環(huán)7 1 5 6 7組成。v渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)熱效率：為壓氣機的壓縮比；211VV為初膨脹比；56VV為后

2、膨脹比；67VV為內(nèi)燃機壓縮比；432VV為壓力升高比；45pp；為增壓內(nèi)燃機總增壓比210)1() 1(1101kkki變壓（脈沖）渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)變壓（脈沖）渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)v與等壓渦輪增壓熱力循環(huán)不同，變壓渦輪增壓內(nèi)燃機氣體從狀態(tài)4進入變壓渦輪中排氣能量不會由于排氣管突然變粗而膨脹損失，進入變壓渦輪前氣體壓力在p4與p4之間變化。如不計氣體流動摩擦損失，氣體在渦輪中的膨脹從開始排氣時的p4p5到最后p1 p5。v內(nèi)燃機的等容放熱過程41可看成為渦輪的等容加熱過程14，然后為氣體在渦輪內(nèi)的等熵膨脹45。56為等壓放熱。61為其他在壓氣機中的等熵壓縮。內(nèi)燃機增壓的優(yōu)缺點內(nèi)燃機增壓

3、的優(yōu)缺點v改善了發(fā)動機性能：提高了內(nèi)燃機機械效率；提高了內(nèi)燃機的指示熱效率；改善了燃燒過程。v增加了發(fā)動機的比功率；v擴大了內(nèi)燃機高原適應性：v有利于降低有害氣體的排放。v增加了柴油機的機械負荷；v增加了柴油機的熱負荷。v增加了發(fā)動機的體積優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：內(nèi)燃機增壓的類型內(nèi)燃機增壓的類型v按照實現(xiàn)增壓所提供的能量可分：機械增壓；廢氣渦輪增壓；氣波增壓?？得魉乖鰤喊l(fā)動機局部解剖圖機械增壓v機械增壓增壓壓力高，壓氣機消機械增壓增壓壓力高，壓氣機消耗的功率大。為使內(nèi)燃機機械效耗的功率大。為使內(nèi)燃機機械效率不要過分下降，增壓壓力不能率不要過分下降，增壓壓力不能過高。過高。v主要用途：提高發(fā)動機

4、低速扭矩主要用途：提高發(fā)動機低速扭矩機械增壓的種類v機械增壓所用的壓氣機除離心式壓氣機外，在車用內(nèi)燃機上常用容積式壓氣機：羅茨式；螺桿式；轉(zhuǎn)子活塞式。氣波增壓氣波增壓v氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣體質(zhì)點和壓力波的反射特性，氣體質(zhì)點和壓力波的反射特性，使排氣和進氣之間進行直接的能使排氣和進氣之間進行直接的能量交換，以增大進氣密度。量交換，以增大進氣密度。v氣波增壓對內(nèi)燃機工況反映迅速，氣波增壓對內(nèi)燃機工況反映迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速使氣波增壓的加速性好，且低速時空氣的壓縮程度高，低速扭矩時空氣的壓縮程度高，低速扭矩好。工作溫度低，不需要耐高溫好。工作溫度低

5、，不需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。防止竄煙。廢氣渦輪增壓v廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機排氣中廢氣渦輪增壓利用內(nèi)燃機排氣中能量來實現(xiàn)增壓，比機械增壓經(jīng)能量來實現(xiàn)增壓，比機械增壓經(jīng)濟性好，比非增壓自然吸氣式內(nèi)濟性好，比非增壓自然吸氣式內(nèi)燃機燃油好率可低燃機燃油好率可低5%10%。v質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸質(zhì)量功率和體積功率比非自然吸氣內(nèi)燃機明顯改善，因而在內(nèi)燃氣內(nèi)燃機明顯改善，因而在內(nèi)燃機上得到廣泛應用。機上得到廣泛應用。廢氣渦輪增壓的分類v廢氣渦輪增壓器主要由壓廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣

6、渦輪組成。氣機和廢氣渦輪組成。v壓氣機主要是離心式的。壓氣機主要是離心式的。v廢氣渦輪分：廢氣渦輪分：軸流式；軸流式；徑流式；徑流式；斜流式（混流式）。斜流式（混流式）。v由于內(nèi)燃機排氣能量利用由于內(nèi)燃機排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。等壓渦輪增壓。雙增壓器順序增壓雙增壓器順序增壓v多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。v在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反映性在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反映性能。能。v在中高速時，使用兩臺增壓器

7、以保證發(fā)動機功率輸出。在中高速時，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。4.2.2柴油機增壓、中冷新技術(shù)柴油機增壓、中冷新技術(shù)v雙增壓器順序增壓；雙增壓器順序增壓；v可變進氣道增壓器；可變進氣道增壓器；v可變噴嘴環(huán)增壓器；可變噴嘴環(huán)增壓器；v可變渦輪喉口截面增壓器；可變渦輪喉口截面增壓器；v可變?nèi)~片增壓器；可變?nèi)~片增壓器；v廢氣放氣增壓器；廢氣放氣增壓器；v進氣回流增壓器；進氣回流增壓器；v射流渦輪增壓器；射流渦輪增壓器；v斜流渦輪增壓器；斜流渦輪增壓器；v增壓中冷技術(shù)。增壓中冷技術(shù)。雙增壓器順序增壓布置雙增壓器順序增壓氣體流動與增壓效果可變進氣道增壓器v低速時使用一個進氣通道；高速時，進氣量大

8、，使用兩個通道，可以改善增壓發(fā)動機的過渡性能?？勺冞M氣道增壓器性能可變噴嘴環(huán)增壓器v通過調(diào)整渦殼5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來調(diào)整渦輪流通截面。v各噴嘴環(huán)1通過軸銷2固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動桿3與噴嘴控制盤4相連。轉(zhuǎn)動噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。v低速時，噴嘴角度小，流通截面??；高速時噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達到壓氣機的需求。變截面渦輪增壓器工作原理v通過一個活閥改變噴嘴的面積，進而改變不同轉(zhuǎn)速的增壓壓力匹配。v僅用一個活閥就可改變渦輪進氣截面，非常緊湊，效率偏低。日產(chǎn)公司射流渦輪增壓器可變噴嘴環(huán)增壓器特性v左圖中是噴嘴環(huán)角度以此減小的情況。隨著內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速下降，

9、壓氣機的增壓壓力不但沒有下降，反而提升到高轉(zhuǎn)速水平，從而保證增壓內(nèi)燃機的低速性能。v可調(diào)噴嘴環(huán)用于增壓器與內(nèi)燃機的高速匹配。通過可調(diào)噴嘴環(huán)改善低速性能。變截面渦輪增壓器變截面渦輪增壓器VGT或或VNT可變渦輪喉口截面增壓器1.壓氣機；2.可變喉口截面調(diào)整板；3.調(diào)整板及調(diào)整機構(gòu)；4.操縱機構(gòu)；5.操縱機構(gòu)控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面低速高速可變渦輪喉口截面增壓器工作原理v可變渦輪喉口截面增壓器是再廢氣量不變的情況下改變進入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時渦輪效率將有所降低），空氣增壓

10、壓力增加，從而滿足內(nèi)燃機在低速小負荷時的需要。內(nèi)燃機在高速大負荷時，可以保證渦輪在高速范圍運行，這時喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大。v可變喉口截面控制板可以由電磁閥進行無級調(diào)整?？勺?nèi)~片增壓器v可變噴嘴環(huán)技術(shù)類似，通過壓氣機結(jié)構(gòu)（葉片角度）的變化，來調(diào)整增壓壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷的匹配關(guān)系。v多個可變?nèi)~片，效率高，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高、體積大。三菱多閥VG增壓器本田可變?nèi)~片增壓器廢氣放氣增壓器v車用增壓內(nèi)燃機為獲得低速大扭矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內(nèi)燃機低速、小流量設計。v轎車用增壓器設計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定轉(zhuǎn)速的40%左右。v公共汽車、重型車用的增壓器設計轉(zhuǎn)速為內(nèi)燃機標定

11、轉(zhuǎn)速的60%左右。v高速時，將會使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機爆發(fā)壓力過大，汽油機容易引起爆震。v為此，設計增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。廢氣放氣增壓器工作原理v廢氣門3與增壓器2的渦輪并聯(lián)地連接在內(nèi)燃機1的排氣管上。廢氣門的閥門固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機出口的增壓空氣相通。平時，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內(nèi)燃機排氣管來的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內(nèi)。v一旦增壓壓力對膜片的作用超過彈簧的預緊力，廢氣門打開，一部分廢氣不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回落，以實現(xiàn)空氣增壓壓力的自

12、動調(diào)節(jié)。進氣回流增壓器v為避免由于負荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機進口裝上整體式的回流閥。v當進氣管壓力低于某一值時，作用在回流閥上的進氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開，壓氣機出口的空氣通過回流閥和回流通道進入壓氣機進口，以增加通過壓氣機的空氣量。斜流渦輪增壓器增壓中冷技術(shù)v增壓空氣溫度增加，在柴油機中引起增壓條件下進氣密度減小，即在保持不變過量空氣系數(shù)下，意味著功率下降，不然需要進一步提高增壓壓力，但柴油機機械負荷又要增加。雖然氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度提高有利于柴油機的燃燒，但卻使燃燒室內(nèi)受熱零件的熱負荷增加，排溫過高，NOx增加。汽油機

13、中增壓溫度升高，除與柴油機一樣功率下降外，最主要的是爆震傾向增加。v一般，當增壓空氣的壓力超過0.15MPa時，就值得采用中冷。v解決空氣溫度過高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的空氣。v增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢氣溫度約可降低20K，燃油消耗率可減少3g/kW.h。增壓中冷方案增壓中冷方案v閉式空水中冷：中冷器中冷卻介質(zhì)采用內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。閉式空水中冷：中冷器中冷卻介質(zhì)采用內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。該方案結(jié)構(gòu)與布置簡單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。該方案結(jié)構(gòu)與布置簡單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。v分開式空水中冷：中冷器采用獨立的冷卻介質(zhì)。該方案可提高中冷器分開式空水中冷：中冷器采用獨立的冷卻介質(zhì)。該方案可提高中冷器的冷卻效率，能較低地降低空氣地溫度。結(jié)構(gòu)要復雜些，布置上會增加的冷卻效率，能較低地降低空氣地溫度。結(jié)構(gòu)要復雜些，布置上會增加難度。難度。v共用冷卻風扇空空中冷：中冷器裝在內(nèi)燃機冷卻系水散熱器前或后，共