發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的利用

1、1第五章發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的利用渦輪增壓技術(shù)渦輪增壓技術(shù)2柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析-(1)-(1)柴油機(jī)理論示功圖 柴油機(jī)實(shí)際示功圖3-柴油機(jī)的實(shí)際示功圖柴油機(jī)的實(shí)際示功圖柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n線段0-1為進(jìn)氣過程；n線段1-2為壓縮過程；n線段2-3-4為燃燒過程；n線段4-5為膨脹過程；n線段5-0為排氣過程。4-柴油機(jī)的理論示功圖柴油機(jī)的理論示功圖柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n線段0-1為定壓進(jìn)氣過程；n線段1-2為絕熱的壓縮過程；n線段2-3為定容的燃燒過程；n線段3-4為定壓燃燒過程；n線段4-5為絕熱膨脹過程；n線段5-1為定容排氣過程；n線段1-0

2、為定壓排氣過程。5混合加熱循環(huán)的 p-v 圖與 T-s 圖 -柴油機(jī)的理想熱力循環(huán)柴油機(jī)的理想熱力循環(huán)柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析6-增壓和非增壓比較增壓和非增壓比較柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析7柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析8-四沖程增壓柴油機(jī)理論示功圖四沖程增壓柴油機(jī)理論示功圖柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析9-脈沖能量的利用脈沖能量的利用柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量，在脈沖增壓系統(tǒng)中的利用，主要著眼于回收EL部分的能量，不致使EL完全變成節(jié)流損失。脈沖增壓排氣管內(nèi)的壓力波動(dòng)10-能量損失能量損失柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n排氣

3、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(dá)渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失包括如下幾個(gè)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(kuò)時(shí)的流動(dòng)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。11-脈沖流量系數(shù)的確定脈沖流量系數(shù)的確定柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n渦輪端在脈沖進(jìn)氣狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的流量與定常流動(dòng)不同。n在脈沖壓力波的情況下，流經(jīng)渦輪的流量Mp始終小于定壓情況下，流經(jīng)渦輪的流量Ms。n兩者流量比稱為流量脈沖系數(shù)。

4、n上述結(jié)論，在脈沖進(jìn)氣時(shí)，欲得到與定壓流動(dòng)相同的流量，必須采用較大的流通截面積。1spMM12-脈沖能量系數(shù)的確定脈沖能量系數(shù)的確定柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析n渦輪端在脈沖進(jìn)氣狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量與定常流動(dòng)不同。n脈沖波的廢氣能量大于等壓波的廢氣能量。n兩者之比稱為能量脈沖系數(shù)。1spEE13-提高廢氣最大可用能和能量傳遞效率途徑提高廢氣最大可用能和能量傳遞效率途徑柴油機(jī)熱力循環(huán)分析柴油機(jī)熱力循環(huán)分析1）應(yīng)使排氣門的通流面積盡可能大；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(kuò)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

5、少摩擦；6）排氣管使用絕熱材料包裹以隔熱。 14脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n從排氣可用能量的利用方式來看，增壓系統(tǒng)可以分為脈沖(變壓)增壓與等壓(定壓)增壓兩種基本方式。n所謂脈沖增壓系統(tǒng)，就是利用了排氣的脈沖能量，如果要利用排氣脈沖能量，一般要求排氣管容積要小，直徑要細(xì)，并將排氣管制成分歧形式，保持排氣中的壓力波動(dòng)，而且渦輪渦殼一般為雙通道。n而等壓系統(tǒng)與之相反，排氣管容積一般較大，直徑較粗，盡量消除排氣脈動(dòng)，渦輪前排氣管內(nèi)的壓力基本是恒定的，渦輪殼一般為單通道。-(1)-(1)15脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n等壓增壓示意圖-(2)-(2)16脈沖渦輪增壓

6、與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n脈沖增壓示意圖-(3)-(3)17脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n脈沖增壓的優(yōu)點(diǎn)：n排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好。n加速性能好，因?yàn)榕艢夤苋莘e小，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速上升快。n缺點(diǎn)：nu1/cad值在一個(gè)排氣脈沖內(nèi)不斷變化，因此渦輪效率較低；加之渦輪葉輪沿圓周方向又是部分進(jìn)氣，促使渦輪效率進(jìn)一步降低。-(4)-(4)18脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n等壓增壓的優(yōu)點(diǎn)：n渦輪全進(jìn)氣，壓力波動(dòng)小，渦輪效率高。n排氣管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。n缺點(diǎn)：n加速性差，低負(fù)荷性能差。-(5)-(5)19脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n如果僅從廢氣能

7、量利用的觀點(diǎn)出發(fā)，在壓比達(dá)到2.5以后，應(yīng)用脈沖系統(tǒng)就沒有多大好處。但是要考慮到高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷以及車用發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)廢氣能量的利用，脈沖增壓系統(tǒng)對(duì)改善車用發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩特性是有利的。-(6)-(6)NK脈沖收益系數(shù)脈沖能量利用系數(shù)脈沖渦輪效率等壓渦輪效率20脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖渦輪增壓與等壓增壓n在低增壓時(shí)，且氣缸數(shù)又是3的倍數(shù)時(shí)，采用脈沖系統(tǒng)肯定是有利的。n至于高增壓采用何種系統(tǒng)為宜，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體情況，例如用途，氣缸數(shù)目等綜合考慮。n對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)先采用脈沖增壓，可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性，發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性。-(7)-(7)21渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算n渦輪熱力計(jì)算

8、的目的是，為了合理地確定渦輪通流部分的幾何尺寸和各通流元件進(jìn)出口的氣流參數(shù)，使渦輪達(dá)到給定的輸出功率時(shí)獲得較高的效率。n目前車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)有兩種基本的型式：等壓增壓系統(tǒng)和脈沖增壓系統(tǒng)。在這兩種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，壓氣機(jī)的計(jì)算是相同的，但是渦輪的計(jì)算有所不同。22渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算n渦輪前燃?xì)馄骄鶞囟萒T的確定:-等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(1)(1)n可以根據(jù)能量平衡進(jìn)行計(jì)算：n進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的能量有：1)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。2)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸增壓空氣的熱量。n發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量有：1)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功。 2)傳給冷卻水的熱量。 3)廢氣帶走的熱量。n按照進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的能量

9、和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量相等，列出方程式，可以求出渦輪前的排氣溫度。但由于冷卻水帶走的熱量不容易精確估計(jì)，所以渦輪前排氣溫度也難以計(jì)算精確。23渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(2)(2)n可以通過參考相似發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度TT與總過量空氣系數(shù)和增壓后空氣溫度Tc的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做參考，對(duì)TT進(jìn)行取值。n在 “增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配”中，將講述排氣溫度TT的理論計(jì)算。24渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(3)(3)n渦輪前燃?xì)獾膲毫T，可由渦輪增壓器的渦輪和壓氣機(jī)功率平衡求得。n如果T0，TT，Tc等參數(shù)為已知，所需增壓壓力pc也已經(jīng)確定，則

10、渦輪前壓力pT可以求得。cadkkccccccccppTRkkMN111100TMTadkkTTTTTTTTTppTRkkMN1111*2*25渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(1)(1)n在進(jìn)行脈沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其主要特點(diǎn)：1)渦輪前的壓力和溫度隨時(shí)間做周期性的大幅變化，由于時(shí)間周期較短，同時(shí)由于增壓器的慣性，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速可以認(rèn)為是不變的。其結(jié)果是渦輪在每瞬時(shí)都以不同的u1/cad工作，導(dǎo)致渦輪效率下降。2)隨著渦輪前壓力和溫度的不斷變化，瞬時(shí)的渦輪效率和通流能力都是不斷變化的。渦輪在脈沖條件下進(jìn)氣，所通過的流量要比以脈沖壓力的時(shí)間平均值作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)

11、的所通過的流量小。n因此，在確定脈沖渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，不能和等壓系統(tǒng)一樣用排氣壓力、溫度、流量的時(shí)間平均值做設(shè)計(jì)參數(shù)。26渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(2)(2)焓降脈沖修正系數(shù)KH，表示脈沖渦輪計(jì)算焓降與可用平均焓降之比。流量脈沖修正系數(shù)KM，表示脈沖渦輪計(jì)算流量與通過渦輪的時(shí)間平均流量之比。效率脈沖修正系數(shù)K，表示脈沖渦輪效率與其對(duì)應(yīng)的等壓增壓系統(tǒng)中渦輪的有效效率之比。n常用的脈沖渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法，是采用三個(gè)修正系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來估算脈沖波的影響。27渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(3)(3)nKH，KM主要與增壓壓力以及每根排氣管所接氣缸數(shù)目有關(guān)。0pppcc28渦輪的熱力計(jì)算渦輪的熱力計(jì)算-脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(4)(4)n效率脈沖修正