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1、第三节 废气涡轮增压与增压系统,柴油机增压概述 柴油机废气能量分析 废气涡轮增压的两种基本方法 两种增压方式的比较 其它增压方法 废 气 涡 轮 增 压 系 统,一、柴油机增压概述,提高柴油机有效功率的途径 增压与中冷 增压方式 根据驱动增压器的能量不同 机械增压 废气涡轮增压 复合增压 按照b的高低 目前柴油机的增压情况,提高柴油机有效功率的途径,根据有效功率Pe的计算公式：Pe D2Spenmi 可知提高柴油机有效功率的途径是： 改变柴油机的结构参数i.D.s.m 提高柴油机的转速n。 柴油机转速增加可以增大柴油机作功频率，提高功率，但磨损增加，柴油机寿命及可靠性降低。 提高平均有效压力p
2、e（燃油量-负荷和燃烧的质量） 方法是提高柴油机进气密度，可以增加气缸充气量，使更多的燃油完全燃烧，从而大幅度提高柴油机的功率。 进气密度的增加可以通过提高进气压力和降低进气温度来实现。,增压与中冷,增压的定义：就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力和柴油机的平均有效压力。 增压度的定义：柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。它表示增压后功率增加的程度。 增压比的定义：b= pk / po 中冷的作用：由于空气在增压器中被压缩时压力和温度同时升高，影响了空气密度的增加和增压效果。因此，在增压器后
3、都设有中冷器。 降低空气温度，提高空气密度。 降低柴油机平均循环温度。 降低柴油机指示耗油率。 降低NOx等有害物质的排量displacement 新型柴油机采用了两级冷却（高温淡水冷却第一级，低温淡水冷却第二级，能有效地利用废热，还可在低负荷或湿热航区时旁通第二级冷却以增加进气温度-防止凝水产生，保证柴油机的良好工作）,机械增压,增压器(压气机)由柴油机直接驱动的增压方式 随着增压压力的提高，增压器所消耗的功率也随之增大。当增压压力达到某一值时，增压器消耗的功率有可能大于柴油机增压的增益功率，此时柴油机的有效功率反而下降。因此机械增压只适于增压压力pk(0.150.17)MPa的低增压柴油机
4、。,废气涡轮增压,即利用柴油机排出的废气来吹动涡轮，从而带动增压器向气缸供气的增压方式 废气涡轮增压的优点 一般功率可提高20%50%，高增压时为100% 废气能量利用好，柴油机的机械效率、热效率可提高，经济性好 降低排气噪声和烟度，减少环境污染 缺点 加速性能差； 热负荷较高 对大气温度和排气背压比较敏感,复合增压,既采用涡轮增压器，又采用机械驱动式增压器，称为复合增压方式,按照增压比b的高低, b l.5； pk 0.15MPa b =1.52.5； pk = 0.150.25MPa b =2.53.5； pk = 0.250.35MPa b 3.5 ； pk 0.35MPa,目前柴油机的
5、增压情况,船舶大型低速二冲程柴油机： pk = 0.250.30MPa，pe 1.5MPa； 大型中速柴油机 pk = 0.300.35MPa，pe =2.02.5MPa。,二、柴油机废气能量分析,废气能量可分为两部分： 一部分是废气由排出压力pb膨胀到涡轮前pT的膨胀能E1 ，称为脉冲能。为一种脉动的速度能，在排气管中以压力波的形式出现； 另一部分是废气由压力pT膨胀到大气压力p的膨胀能为定压能E2。 结论：增压压力越低，脉冲动能所占比重越大；增压压力越高，定压能越大。即能量E1与E2的比值随增压压力ps的不同而不同。ps越高，其比值越低。,三、废气涡轮增压的两种基本方式,等压涡轮增压系统
6、脉冲涡轮增压系统,等压涡轮增压系统,等压涡轮增压的特点：是把柴油机的所有气缸的排气管都接到一根容量很大的总管上，总管能起稳压箱的作用，尽管各气缸轮流排气，但进入涡轮时气体压力的波动不大，基本上保持一恒定值，故又称恒压涡轮增压或定压涡轮增压 能量利用特点：定压增压只利用了废气能量中的定压能，而极少利用废气中的脉冲动能。 缺点：当柴油机处于低负荷或起动时性能差。须另设辅助风机来满足低负荷时的需要。,但是随着增压压力的提高，脉冲动能所占的比例越来越小，而且由于涡轮前废气压力恒等，涡轮的效率较高，因而等压增压在增压压力较高的柴油机中得到广泛应用。,脉冲涡轮增压系统,脉冲涡轮增压特点：是把涡轮增压器尽量
7、靠近气缸，排气管短而细并进行分组，排气管中(涡轮前)的压力是波动的 能量利用特点：脉冲增压利用了部分的脉冲动能E1(可利用40%50% E1)和定压能E2，故废气能量利用增高。尤其在增压压力较低时，脉冲动能所占比例增大，此时采用脉冲增压可使废气能量得到更充分的利用。缺点是涡轮工况不稳定，效率较低 排气管分组,脉冲增压分组原因,在多缸柴油机的脉冲增压系统中，如果各缸的排气管均排入一根排气管，则会产生扫、排气的相互干扰。 当某缸进行扫气而相邻缸正好排气时，排气压力波就会传到扫气缸的排气口处，使该缸排气背压升高，从而影响该扫气的正常进行。 如果每缸各自向单独的排气管排气，虽然消除了各缸的排气干扰，但
8、涡轮供气间断，效率降低。 结论：脉冲涡轮增压柴油机为避免各缸扫排气的互相干扰，排气管必须进行分组,同组排气管所连各缸的扫排气时期不相重叠(或重叠较小) 脉冲增压适用于气缸数为3的倍数的柴油机,分组的原则,四、两种增压方式的比较,废气能量的利用 涡轮的工作性能 增压系统的布置 管理上的要求 结论,废气能量的利用,在总的废气可用能E1+ E2中，它们所占比例随增压压力的提高E1降低，总的来讲，脉冲增压所利用的能量中脉冲能少于定压能。 因而在高增压时采用等压增压较为有利，但在低负荷时性能差，即在变工况运行时的动态响应能力差（由于排气管容积较大，低负荷时排气管中压力低，能量少）。 等压增压：只利用了废
9、气的定压能E2。废气的脉冲动能E1在传递过程中损失掉了（变为很少的热能加热了废气）。 脉冲增压：利用了废气的E1+ E2 。在涡轮增压器和排气系统设计正确的情况下，脉冲动能中有40%50%可以得到利用。所以，采用脉冲增压的柴油机从废气中获得的总能量较多，工作能力较大。但随着增压压力逐渐升高这种优势逐渐下降。,涡轮的工作性能,脉冲增压：进入涡轮的废气的压力和流速是变化的且不稳定，使得进入涡轮的气体对叶片产生冲击，增加了损失，故涡轮的效率低。 等压增压：由于废气是在等压下进入涡轮的，气流的压力和速度不变，涡轮的转速比较稳定，故效率高。显然，从这方面来看，采用定压增压是有利的。,增压系统的布置,脉冲
10、增压：为了有效地利用废气的脉冲动能E1，对排气系统的布置、构造和加工等方面都有较严格的要求。如要求排气管尽量短而细，光滑且弯头少，排气管、床垫、排气口要对齐，增压器应尽量靠近排气口处等。这就给系统的布置带来困难，排气管的拆装检修也不方便。 定压增压：排气系统的布置比较简单，只需装设容积足够大的排气总管，增压器的布置不受限制，增压器的数量也可以减少。在这方面，脉冲增压就不如定压增压。,管理上的要求,脉冲增压：由于布置上的要求，脉冲增压的增压器离排气口(阀)很近，涡轮叶片易污损，活塞环的碎片以及燃气中的炭粒等容易损伤涡轮中的零件。此外脉冲增压对气口(阀)正时和气口的清洁程度较敏感，而定压增压则不敏
11、感。,结论,在不同的增压压力情况下应采用不同的增压方式 低、中增压中绝大多数机型均采用脉冲增压 当pk介于0.130.20MPa之间时，采用脉冲增压能更多地利用废气能量。虽然在结构、涡轮效率等方面有缺点，但与其优点相比还是属于第二位的。 高增压时均采用等压增压 当pk介于0.200.25MPa时，由于脉冲增压在废气能量利用方面的优点不突出了，而在其结构布置、效率等方面的缺点突出了。如苏尔寿公司的RND型以后的新机型、曼恩公司的KSZ型以后的新机型等均采用定压涡轮增压。当前，增压系统向定压增压发展。,五、其它增压形式,脉冲转换增压 多脉冲增压 单管模件式(Modular Pulse Conver
12、ter)脉冲转换增压系统 系统布置 特点,作业,作业,试从柴油机结构参数、柴油机转速或活塞平均速度、平均有效压力等三个方面分析提高柴油机功率的措施。 增压系统中的空冷器有什么作用？ 脉冲增压的排气管为什么要进行分组？分组有何原则？ 试分析比较脉冲增压与定压增压两种涡轮增压形式的优缺点是什么?（定压涡轮增压和脉冲涡轮增压的特点各是什么？） 当代新型船用柴油机为什么均采用定压涡轮增压?,脉冲转换增压,应用：气缸数为4的整倍数的柴油机 优点：可避免扫排气的相互干扰又使涡轮的供气稳定而连续，不仅利用了脉冲动能，而且涡轮的效率也较高。 要求： 共管两缸发火间隔角对四冲程机应大于240，对二冲程机应大于1
13、20 为了提高两支管间的引射作用，接于两支管的各缸之间的发火间隔角对四冲程机要大于180，对二冲程机要大于90,18,63,27,45,多脉冲增压,应用：缸数为8的整倍数的柴油机 优点：涡轮的效率及柴油机性能更接近定压涡轮增压柴油机 要求：将排气不重迭的气缸连接到一根细的共用排气支管上，再在每根排气支管后接一个收缩喷管，然后将它连接到一个短的混合管，最后通到涡轮增压器。,MPC系统布置,与定压增压系统相似 各缸排气支管中的缩口面积只有排气阀最大开启面积的40%左右，且支管向涡轮方向倾斜30，以便减少总管内压力波动对支管内压力的影响，有利于扫气过程的进行。流出支管时，排气流速增高压力下降，部分利
14、用了排气中的脉冲能量。 排气总管的直径小，只有气缸直径的50%60%，使总管中气体的流速较高，对其他各缸的排气产生引射作用。 总管再经一个扩压器与涡轮的入口相连。,MPC特点,兼顾脉冲和定压的优点 排气管布置简单、不需要分组，又不受柴油机缸数限制 废气涡轮效率较高，工作性能较好 成本低、可靠性好、维修方便、结构紧凑等 柴油机工作性能优于多脉冲转换增压系统。,六、增 压 系 统,单独增压系统 定义 应用 串联增压系统 定义 应用特点,串联旁通增压系统 定义 特点 并联增压系统 定义 特点 现代新型二冲程船舶柴油机采用增压器特点,采用复合增压的目的,现代新型二冲程船舶柴油机采用增压器特点,现代新型
15、二冲程船舶柴油机普遍采用直流扫气，新鲜空气和废气掺混少，气流路线短；并且由于废气涡轮增压器的效率不断提高，目前大型轴流式涡轮增压器效率可达68%76%。一般认为达到64%时，能完全满足增压的要求，因此复合增压已很少使用。 使用TCS动力涡轮系统可提高柴油机总效率，但系统比较复杂，并造成废气锅炉可用能下降，出现几年后不再使用,TCS动力涡轮,采用复合增压的目的,解决二冲程柴油机实现废气涡轮增压时废气涡轮与压气机之间功率不平衡问题。 原因： 过量空气系数大。 靠新气和废气的压差进行扫气 废气能量低，故使涡轮发出功率远小于压气机所需功率。 解决的方法： 尽可能多地利用废气能量。 改善换气质量，减少新
16、气与废气的掺混。 提高增压器效率。 采用复合增压。,定义,只利用废气涡轮增压器来实现增压，而不增设其他辅助机械的增压系统 由于完全由废气驱动涡轮旋转，无需消耗柴油机的有效功，所以该增压系统能够最有效地提高柴油机的功率，同时还能改善柴油机的经济性。,柴油机废气涡轮增压系统由柴油机、压气机、废气涡轮机、空气冷却器和辅助扫气泵等基本元件组成，其主要任务是提供足够的空气，保证柴油机扫气和燃烧的需要。,应用,船用四冲程柴油机：可采用等压增压和脉冲增压的单独增压系统，主要原因有： 四冲程柴油机的换气质量好； 活塞具有推挤废气和抽吸新气的能力，增压压力变化对进、排气的影响较小。 在四冲程机上，得到广泛应用，不设其它辅助泵，就可以满足起动、低速、全速工作的需要 直流扫气柴油机（排气规律易控制、换气质量好，排气管布置方便、紧凑） ：只采用脉冲增压，需另设辅助风机在低负荷时或在增压器损坏时保证柴油机能够继续运转。特别是单独增压系统在高增压时，低负荷性能较差。 MAN B&W公司和Warts
