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1、第八章 涡轮增压器与内燃机的匹配 涡轮增压器：旋转式机械 发动机：往复式机械 q 1.与内燃机匹配的涡轮增压器要求： （1）满足内燃机所需的增压压力和空气流量； （2）稳定工作，不发生喘振或堵塞 （3）联合运行线穿过压气机高效区（平行）； （4）涡轮增压器可靠工作，不超速，不超温。 q 2. 内燃机与涡轮增压的匹配内容 内燃机与压气机； 内燃机与涡轮； 压气机与涡轮 2.1 压气机与内燃机的匹配 v 发动机与压气机良好匹配特征： 效率：内燃机特性线穿过压气机的高效区，且最好使 内燃机运行线与压气机等效线相平行， 喘振裕度：应防止内燃机耗气特性线处于压气机的低 效区或过于接近喘振线，甚至穿过喘振
2、线，一般要求内 燃机低转速时的耗气特性线离开喘振线的距离约为10% 的喘振流量。 良好匹配的MAP图是什么样子？ 2.2 涡轮与内燃机的匹配 v 涡轮功率与发动机排气温度、压力直接相关 v 内燃机与涡轮匹配是否良好主要看涡轮流通能 力的选择是否合适： 涡轮流通特性线上标上内燃机工作特性线，如果内燃 机工作线偏离该型号涡轮的流通特性线，则选择较大型号 或较小型号的涡轮；如果内燃机和涡轮二者流通特性相差 不大，则可变换涡轮喷嘴环面积来改变涡轮的流通能力， 2.3 压气机与涡轮的匹配 流量守恒： 转速相等： 功率平衡： q 3. 涡轮增压器与柴油机配合运行点的确定 问题：如何根据发动机工况以及涡轮增
3、压器几何确定 两者的配合运行点？ 功率平衡: 式中，脉冲涡轮功率放大系数 通过涡轮的流量： 式中，T脉冲系统流量缩小系数；Tm涡轮前平均 燃气密度；T通流函数。 涡轮流量涡轮膨胀比 压气机压比 q 4. 涡轮增压器与内燃机配合特性分析 v 涡轮增压器与柴油机的配合特性曲线指的是二者联合 运行的工作线。 v 分析匹配优劣的主要方法： 将内燃机耗气特性线叠合到离心式压气机特性线上 去，根据两组特性线的相对位置来进行分析研究。 什么是内燃机耗气特性线？ 涡轮增压器与柴油机的配合特性线 1柴油机标定转速运转的等转速线；2柴油机最低转速运行线； 3柴油机外特性线；4柴油机按螺旋桨特性工作的运行线 曲线1
4、是柴油机以标定转速运转的等转速线。柴油机 在这个标定转速下，随着负荷的增大，废气能量增加 nTkkpz；柴油机在标定转速时的pemax受 到nTkmax、pz和TTmax的限制。 曲线2是柴油机最低转速运行线。这时废气能量很小 ，所以k和mk都较小。Pe受到排气冒烟极限的限制，而且 pe运行线愈接近喘振线，此时应防止其穿过喘振线而 落入不稳定工作区。 曲线3是柴油机外特性线。这时保持喷油量为最大值， 随着nmTk、pk，循环供油量仍保持最大值，故排 温TT较高，nTk和pk下降相对地较缓慢，故nmk。此时 运行线易穿过喘振线。 曲线4是按螺旋桨特性工作的运行线。它处于外特性运 行线3和等转速运
5、行线1之间。 涡轮增压柴油机的“伞形”运行范围 p一个好的匹配需要满足以下要求 n性能 好的低速转矩 好的外特性油耗（BSFC） 排烟小 排放好 加速性好 n高海拔裕量 增压器不超速 增压器不过热 n满足机械方面的要求 满足所有工况下的转速、叶轮效率和温度限制 满足增压度要求和整体密封性要求 性能 转速 v 匹配结果评价 q 5. 涡轮增压器与柴油机配合特性线的调整 (1) 压气机喘振的调整 增压器和柴油机的流量不匹配，增压器的流量偏大： 可选小一点型号的涡轮增压器，使运行线脱离喘振线； 压气机和涡轮不匹配，压气机通流能力过大或涡轮 通流能力过小，致使压气机的运行点进入喘振区： a. 加大涡轮
6、喷嘴环喉口面积或动叶喉口面积 b. 减小压气机喘振流量 涡轮喷嘴变化 柴油机方面的原因引起压气机喘振。 如扫气箱容积过小，其中压力波动过大；压气机输气管 、中冷器、柴油机通流部分或涡轮进气管的阻力过大等等， 都可能引起运行线穿越喘振线。 用箭头符号表示比正常值偏高()或偏低()。 a. nTk、pk、pT、pT0、TT值均正常，如发生喘振，可能是压 气机和涡轮匹配不当，即压气机喘振流量太大或涡轮的通流 能力太小。测取mk值，利用压气机特性线即可区分是压气机 还是涡轮方面的原因造成喘振。 b. pk, ps, pT, TT,喘振可能是压气机污染、结垢后，流 动阻力增加等引起的。 c. (pspT
7、), pT, TT,发生喘振的原因可能是柴油机通流 部分阻力过大或有漏泄。 d. (pkps), pT, TT，喘振可能是中冷器阻力过大引起的 （2）涡轮增压器转速和增压压力的调整 pknTk，因此，nk和pk的调整方法一致： a. 减小涡轮喷嘴环面积，使涡轮前燃气能量在涡轮中的焓 降增加； b. 废气旁通阀； c. 在压气机出口旁通高压气体。 废气旁通阀结构 spring force 弹力 调节器空气压力废气压力 排气歧管或涡 壳进气通道 可变几何喷结构 有叶喷嘴变截面涡轮示意图 (3) 涡轮前燃气温度的调整TT 涡轮前的燃气温度TT是废气能量大小的重要标志，若TT 过低，则能量不足；若TT
8、过高，会烧坏涡轮叶片。 减小涡轮喷嘴环截面积； 减少扫气重叠角，降低扫气效果； 增加循环供油量，延长供油持续时间，减小 供油提前角增加后燃持续期； q 6. 增压柴油机的热负荷及解决途径 （1）增压柴油机的热负荷问题 增压后，压气机出口温度升高： 增压比为1.61.7时，约为100 增压比为2.5时，约为140160 压缩始温的增加，造成柴油机工作循环各特征点温度 提高，排温升高，缸盖“鼻梁”区开裂，活塞环烧结，卡死 、活塞热裂、涡轮转子热负荷过大损坏等 试估算压缩温度：压比为2.5，效率为0.8，环境温度为约27度 （2）降低热负荷的主要措施 a. 适当增大进、排气门重叠角 b. 增大叠开期
9、内的进、排气压差： c. 合理设计配气凸轮；扩大进排气门面积； d. 增压中冷； e. 强化冷却系统： 改善冷却系统工作条件：水泵流量、转速；散热器散 热面积；风扇直径、转速；风扇叶片角等； f. 改善供油系统及燃烧系统，保证燃烧在上止点附近完成 ，使燃烧效率较高，后燃较少，排气温度低 q 7. 增压柴油机的机械负荷及解决途径 （1） 增压柴油机的机械负荷问题 柴油机的机械负荷是由最高燃烧压力pemax和最大压力 升高比来反映 最高燃烧压力pemax和压气机出口压力关系式： pemax=n pb 为压力升高比，一般1.32.2，如果取=2，16 ，n1.36，则pmax86.8 pb 增压后最
10、高燃烧压力将显著增大! （2） 降低机械负荷的途径： a. 适当降低压缩比； b. 调整涡轮增压器： c. 适当减小供油提前角： d. 优化供油系统： pemax=n pb q 8. 涡轮增压发动机的扭矩特性 (1)扭矩系数Jm是发动机最大扭矩Me,max和额定扭矩Me的比值 ，即： Jm=Me,max/ Me 目前增压机Jm=1.151.30左右，和非增压机大致相当。 (2) 转速储备系数Jn：发动机额定转速ne和最大扭矩转速nme,max 的比值，即 Jn = ne / nme,max。 (3) 扭矩适应性系数J是扭矩系数Jm与转速储备系数Jn的乘积， 即： J = Jm * Jn， 扭矩
11、适应系数值愈高，则发动机扭矩特性愈好，表示 发动机在宽广的转速范围内具有良好的扭矩特性，提高 了车辆的机动性能； 目前，一般车用柴油机涡轮增压后，其最大扭矩点转 速要比非增压时有所增加，也即转速储备系数降低 (2) 影响扭矩特性的主要因素 a.平均有效压力pe 在同一台增压发动机上，pe值低，即强化水平低，则 值高时，Jm值增加；反之，pe增加，下降，Jm值减小。 b.增压压力pk 在pe相同的情况下，选择的pk值愈高，增加，则Jm的 值也愈大。 c.涡轮增压器效率Tk 涡轮增压效率Tk愈高，则Jm的值也愈高。因为Tk高时 ，在发动机低速时可得到较高的pk值和较大的发动机进排 气压差，从而可保
12、证较高的扭矩。 d.设计点的选择 涡轮增压器与发动机匹配时，如选择高速配合，即选择 发动机额定转速作为设计点，则在发动机最大扭矩处的pk值 会下降过多，扭矩特性显著变坏； 如选择低速配合，即选择发动机最大扭矩时的转速为设 计点，则可保证低速时具有较高pk值，但发动机额定转速时 pk过高，增压器将出现超速。 实际选择的设计点往往是在上述二者之间，一般推荐的 设计点转速为nD=(0.60.8)ne(额定转速)。 e. 气缸数的影响 同一系列的发动机，12缸机比8缸机的扭矩特性好，6缸 机的比4缸机的Jm要高些，这是3缸连接一根排气管时，脉冲 能量利用较好的缘故。 f. 增压方式 一般来说，脉冲增压
13、比定压增压的扭矩特性要好些，这 是因发动机转速下降，脉冲能量的利用程度提高。 g. 燃烧室型式 涡轮增压柴油机采用直喷式燃烧室的扭矩特性较好，半 开式燃烧室次之，而球形燃烧室的较差。 (4) 提高涡轮增压发动机扭矩的途径 采用脉冲增压系统或MPC系统； 采用小型高效率的径流涡轮增压器，以最大扭矩点 作为增压器的设计点，使最大扭矩点落在压气机高效区内； 采用涡轮增压器的调节方法，可有效地提高发动机 的扭矩性能。一般在柴油机上采用可变截面喷嘴环的涡轮， 而在汽油机上普遍采用排气旁通放气方法，高工况放气。 改进供油特性：使柴油机从额定点到最大扭矩点之 间，随转速的降低而加大每循环的供油量； q 9.
14、 涡轮增压发动机的加速性 (1) 发动机的加速性 涡轮增压发动机加速性较差的原因： 涡轮增压器与发动机之间仅存在气路联系而无机械联 接，使发动机在加速过程中涡轮增压器的响应不可避免地 存在一定的滞后 (2) 改善增压发动机加速性能的途径 改善加速性能除了上述4点外，还有： 1） 采用可调涡轮增压器 可变截面涡轮(包括可调喷嘴环)，有利于改善发动 机加速性和经济性； 2） 向压气机叶轮喷射压缩空气 利用车上的高压气源，在加速时通过压气机蜗壳上 均匀分布的喷嘴向压气机叶轮喷射压缩空气； 3） 减小涡轮增压器转动惯量 q 10. 车用汽油机涡轮增压 (一) 汽油机涡轮增压的主要技术障碍 1）汽油机增压后爆燃倾向增加 2）增压后汽油机和涡轮增压器热负荷大 3）汽油机，转速和功率范围宽广，致使涡 轮增压器与汽油机的匹配相当困难 4）涡轮增压汽油机的加速性较差 pk 转速 极限 Gk 喘振线 载重车用柴油机轿车用柴油机轿车用汽油机 2500 rpm 1000 rpm 1000 rpm 4200 rpm 10006500 rpm 虽压比要求降低，但稳定运行范围及效率 要求大大增加！ (二) 解决汽油机增压困难的措施 2）电喷汽油机增压，克服了化油器式发动 机与涡轮增压器匹配的困难 4）应用点火提前角自适应控制，来克服由 于增压而增
