渦輪增壓技術(shù)在船用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

渦輪增壓技術(shù)在船用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

1徑流式齒輪增壓系統(tǒng)100年前，有人提議通過壓縮氣體提高空氣的密度。1926年，瑞士奧爾德j.buchi博士設(shè)計(jì)了第一種帶沼氣渦壓的減壓電機(jī)。然而，由于當(dāng)時(shí)的制造工藝和材料的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)無法獲得足夠的壓縮壓力，因此該技術(shù)無法迅速普及。到了20世紀(jì)40年代末,車用徑流式渦輪增壓器被研制成功,經(jīng)過30多年的發(fā)展,渦輪增壓器的性能有了很大的改善,開始大量被應(yīng)用到車用發(fā)動(dòng)機(jī)上。近些年來,由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用和加工水平的飛速發(fā)展,尤其是前傾后彎葉片的應(yīng)用使壓氣機(jī)效率提高了7~10%,發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性都得到大幅提高。目前,中、重型車輛已經(jīng)普遍選用增壓柴油機(jī)作為動(dòng)力,渦輪增壓技術(shù)已成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低廢氣、噪聲排放的最有效措施之一,特別是為了應(yīng)對(duì)新的發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī),增壓技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,增壓技術(shù)進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期。2當(dāng)前收割機(jī)渦旋壓技術(shù)2.1渦輪增壓系統(tǒng)的應(yīng)用由于傳統(tǒng)增壓器流量范圍窄,難以兼顧與發(fā)動(dòng)機(jī)高低工況點(diǎn)的合理匹配,而增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配是保障燃油經(jīng)濟(jì)性以及柴油機(jī)具有良好排放性能的關(guān)鍵,因此近幾年來采用各種不同設(shè)計(jì)概念的新型渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。2.1.1mtu公司的增壓技術(shù)相繼增壓系統(tǒng)的基本工作原理是采用多個(gè)小型渦輪增壓器,隨著柴油機(jī)工況的提高,按次序地投入運(yùn)行,改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)由于排氣能量減少而使渦輪轉(zhuǎn)速下降,增壓壓力不足,從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。在標(biāo)定工況,柴油機(jī)的每臺(tái)增壓器都在高效區(qū)工作,燃油消耗率低;在部分工況,減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量,使得投入使用的增壓器仍然在高效率區(qū)附近工作,最大限度地增加了氣缸的進(jìn)氣量,從而改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。MTU公司首先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于該公司的956/1163雙系列船用柴油機(jī)上。目前,相繼增壓技術(shù)也應(yīng)用到卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)(沃爾沃)、跑車的發(fā)動(dòng)機(jī)(保時(shí)捷)和轎車發(fā)動(dòng)機(jī)(奧迪)等車上。2.1.2渦輪增壓與柴油匹配可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面,來提高發(fā)動(dòng)機(jī)低工況時(shí)的過量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^渦輪噴嘴葉片時(shí),根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度,使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化,從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配。變截面渦輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是渦輪增壓器的成本較高,而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,需要專門的控制機(jī)構(gòu)。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面渦輪增壓器,而且為了達(dá)到嚴(yán)格的排放法規(guī),在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),歐美采用可變截面渦輪增壓器已成主流。2.1.3空氣余熱加熱發(fā)電低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)的原理是當(dāng)柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí),增壓空氣繞過氣缸,直接進(jìn)入渦輪前的排氣管,從而增大氣體流量,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓壓力,以避免發(fā)動(dòng)機(jī)低工況的喘振,改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況性能。如果利用廢氣余熱對(duì)旁通的空氣加熱,效果會(huì)更好。MTU公司396柴油機(jī)就采用了進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)來改善低速工況性能,但該系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)部分較為復(fù)雜,因此主要應(yīng)用于大功率高增壓柴油機(jī)。2.1.4提高油壓的質(zhì)量及效率廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)匹配點(diǎn),對(duì)無法兼顧的高負(fù)荷區(qū),通過打開渦輪殼上與大氣連通的一個(gè)可調(diào)節(jié)閥,釋放多余廢氣能量。這種增壓器的好處是通過設(shè)計(jì)較小的渦輪殼截面,迅速建立起低速壓力,改善低速時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放指標(biāo)及瞬態(tài)響應(yīng)性,將柴油機(jī)在高速區(qū)所需要的進(jìn)氣壓力由旁通閥調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài),解決了因較小的渦輪殼截面導(dǎo)致的高速高負(fù)荷區(qū)過高的增壓壓力而造成柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力大幅升高、可靠性降低、性能指標(biāo)惡化等問題。帶廢氣旁通閥的增壓器目前在車用柴油機(jī)上應(yīng)用較為普遍,不足之處是由于釋放了一部分廢氣,造成了能量損失,因此柴油機(jī)高工況的燃油消耗有一定增加。此外,還有超高增壓系統(tǒng)、電動(dòng)放氣渦輪增壓系統(tǒng)以及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等多種型式的增壓系統(tǒng),它們正在逐步得到發(fā)展和應(yīng)用,使增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷有新的提高。2.2-d粘度流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的建立在渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方法上,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓氣機(jī)和渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在國(guó)外已開展多年。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)60年代中后期就已開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行徑流渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)與三元流場(chǎng)分析,隨后又利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離心式壓氣機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、三元流場(chǎng)分析、葉輪及葉型設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析等。目前,國(guó)外主要增壓器生產(chǎn)廠家都已擁有先進(jìn)的CAD/CAM和CAT系統(tǒng),并采用FEM和先進(jìn)的激光測(cè)試技術(shù)來進(jìn)行3-D粘性流動(dòng)的建模和驗(yàn)證分析。增壓器的加工制造技術(shù)近年來也發(fā)展很快,國(guó)外于20世紀(jì)70年代末成功地將“硅橡膠”技術(shù)用于鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪,到20世紀(jì)80年代初期,世界各大增壓器公司相繼推出了帶后彎壓氣機(jī)葉輪的新型增壓器。KKK公司采用五軸數(shù)控銑床,銑削加工鍛鋁后彎葉輪,強(qiáng)度比鑄鋁好,且在輪盤通道上保留銑削刀痕,可以減少二次流,有利于改善性能。2.3增壓產(chǎn)品鈦鋁合金材料具有密度小、高溫強(qiáng)度及抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于渦輪增壓器可以降低渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,改善響應(yīng)特性,消除增壓柴油機(jī)在加速瞬間冒黑煙現(xiàn)象,目前其它一些新的輕質(zhì)合金材料也在研制中。另外,在增壓器上也開發(fā)使用了陶瓷渦輪,由于陶瓷渦輪的質(zhì)量較輕,渦輪箱的壁厚能被設(shè)計(jì)得很薄,在保持包容性不變的前提下可以使增壓器的質(zhì)量減輕。目前,采用陶瓷渦輪的技術(shù)難點(diǎn)主要是陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接。3增壓系統(tǒng)的匹配和控制渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來發(fā)展的要求密切相關(guān),主要是滿足不斷嚴(yán)格的排放法