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1、内燃机增压技术4 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University课程主要内容提纲：课程主要内容提纲：一、绪论（国内外内燃机增压技术现状及发展趋势）一、绪论（国内外内燃机增压技术现状及发展趋势）二、涡轮增压器和中冷器二、涡轮增压器和中冷器三、排气能量的利用与基本增压系统三、排气能量的利用与基本增压系统四、增压对发动机热力性能参数的影响四、增压对发动机热
2、力性能参数的影响课程主要内容提纲：课程主要内容提纲：五、发动机与涡轮增压器的匹配五、发动机与涡轮增压器的匹配六、增压系统六、增压系统七、车用发动机（汽油机与柴油机）增压技术七、车用发动机（汽油机与柴油机）增压技术八、船用柴油机涡轮增压技术八、船用柴油机涡轮增压技术九、排放法规对内燃机增压技术提出的挑战九、排放法规对内燃机增压技术提出的挑战增压系统主要热力参数的内在联系增压系统主要热力参数的内在联系:四冲程增压柴油机排气具有较高的温度，一般在四冲程增压柴油机排气具有较高的温度，一般在500-650c左右。涡轮从排气中回收的能量用于驱动压气机向发左右。涡轮从排气中回收的能量用于驱动压气机向发动机提
3、供一定压力、温度、流量的新鲜空气。经过压缩的空动机提供一定压力、温度、流量的新鲜空气。经过压缩的空气密度增大，增加了发动机的充量。对于中增压以上的增压气密度增大，增加了发动机的充量。对于中增压以上的增压系统，中间冷却是必不可少的。系统，中间冷却是必不可少的。由于发动机压缩始点压力升高，将会导致最高爆发压由于发动机压缩始点压力升高，将会导致最高爆发压力变大、机械负荷加重，进气温度升高，以及循环供油量增力变大、机械负荷加重，进气温度升高，以及循环供油量增加，最高燃烧温度提高，发动机热负荷增大。发动机机械负加，最高燃烧温度提高，发动机热负荷增大。发动机机械负荷和热负荷的增加往往受到材料的许用应力等条
4、件限制，这荷和热负荷的增加往往受到材料的许用应力等条件限制，这是限制增压度进一步提高的重要因素。是限制增压度进一步提高的重要因素。增压系统热力参数之问存在着十分复杂的关系，它们之增压系统热力参数之问存在着十分复杂的关系，它们之间相互影响，彼此牵制。不过它们之间严格遵守质量守恒定间相互影响，彼此牵制。不过它们之间严格遵守质量守恒定律和能量守恒定律。其内在联系，目前已比较清楚。律和能量守恒定律。其内在联系，目前已比较清楚。增压对柴油机工作过程主要参数的影响：增压对柴油机工作过程主要参数的影响：在进气惯性作用下，压缩始压在进气惯性作用下，压缩始压 甚至有可能大于甚至有可能大于 。对。对四冲程增压柴油
5、机，一般四冲程增压柴油机，一般对机械应力有关参致的影响对机械应力有关参致的影响:由此可见增压后，最高爆发压力显著升高，导致发动机的由此可见增压后，最高爆发压力显著升高，导致发动机的机械负荷增加很多。机械负荷增加很多。缸内最高爆发压力：缸内最高爆发压力：缸内压缩终压：缸内压缩终压：对热应力有关参数的影响：对热应力有关参数的影响：在无中冷器的情况，增压后，发动机进气温度为压气机在无中冷器的情况，增压后，发动机进气温度为压气机出口温度出口温度 ，即，即 如果增压系统中有中冷器，则发动机进气温度应为中冷如果增压系统中有中冷器，则发动机进气温度应为中冷器出口的气体温度。器出口的气体温度。缸内压缩始温：缸
6、内压缩始温：缸内压缩终温：缸内压缩终温：增压后热负荷增大，对发动机工作可靠性带来不利影响。增压后热负荷增大，对发动机工作可靠性带来不利影响。平均有效压力平均有效压力Pme：作用于活塞顶上的假想的大小不变的压力。它使作用于活塞顶上的假想的大小不变的压力。它使活活 塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效功。功。Ne=iVhPmen/(30)Kw 四冲程四冲程=4，二冲程，二冲程=2 i=气缸数气缸数 Vh=气缸工作容积气缸工作容积(L)Pme=平均有效压力平均有效压力(Mpa)N=发动机转速发动机转速(r/min)=发动机冲程数发动机冲程数 Pme
7、 代表了单位气缸工作容积所发出的有效功率。代表了单位气缸工作容积所发出的有效功率。对动力性有关参数的影响：对动力性有关参数的影响：Power is basically a function of three things:1、Air density-boosting 2、Swept volume3、Engine speed对其他有关参数的影响：对其他有关参数的影响：扫气系数扫气系数充量系数充量系数残余排气系数残余排气系数过量空气系数过量空气系数指示热效率指示热效率机械效率机械效率燃油消耗率燃油消耗率涡轮增压器与柴油机配合运行的基本要求：涡轮增压器与柴油机配合运行的基本要求：1）在标定工况需达到
8、预期的增压压力，但不能太高）在标定工况需达到预期的增压压力，但不能太高以免最大爆发压力超过允许值，机械负荷太大以免最大爆发压力超过允许值，机械负荷太大；2）需达到预期的空气流量，有足够的燃烧过量空气）需达到预期的空气流量，有足够的燃烧过量空气系数，使燃烧完善，燃油消耗率满足要求系数，使燃烧完善，燃油消耗率满足要求；3）涡轮前排气温度不超过预定值，以保证气缸热负）涡轮前排气温度不超过预定值，以保证气缸热负荷不能过高；涡轮增压器转速必须低于允许值，以保证涡荷不能过高；涡轮增压器转速必须低于允许值，以保证涡轮增压器转子的强度负荷安全的要求；涡轮增压器的总效轮增压器转子的强度负荷安全的要求；涡轮增压器
9、的总效率要高，扫气系数也具有适当的大小率要高，扫气系数也具有适当的大小；4）在低工况时，也必须保证有一定的空气量，以满）在低工况时，也必须保证有一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求足燃烧及降低热负荷的要求。5）要求在整个运转范围内不发生增压器喘振与阻塞）要求在整个运转范围内不发生增压器喘振与阻塞。涡轮增压涡轮增压器和柴油器和柴油机的联合机的联合运行线运行线 发动机工况：有效功率发动机工况：有效功率Ne和转速和转速n 决定了发动机的决定了发动机的工作运行情况。发动机的工况分为点工况、线工况和面工作运行情况。发动机的工况分为点工况、线工况和面工况。工况。发动机速度特性：发动机节气门开度发动机
10、速度特性：发动机节气门开度(或油门开度或油门开度)不变，发动机性能指标随转速不变，发动机性能指标随转速n变化的关系。变化的关系。汽油机的速度特性汽油机的速度特性:汽油机节气门开度固定不变，汽油机性能指标随转汽油机节气门开度固定不变，汽油机性能指标随转速速n变化的关系。变化的关系。外特性外特性(全负荷的速度特性全负荷的速度特性)节气门全开节气门全开(100%),测得的速度特性。测得的速度特性。部分速度特性部分速度特性 节气门固定在部分开启位置节气门固定在部分开启位置,测得测得的速度特性。的速度特性。柴油机的速度特性柴油机的速度特性 油量调节机械油量调节机械（油门拉杆或齿条油门拉杆或齿条）位置固定
11、不动位置固定不动,柴油机性能指标随转速柴油机性能指标随转速n变化的关系。变化的关系。外特性外特性（全负荷的速度特性全负荷的速度特性）油量调节机构固油量调节机构固定在标定功率循环油量位置时定在标定功率循环油量位置时,测得的速度特性。测得的速度特性。部分速度特性部分速度特性 油调节机构固定在小于标定功率循油调节机构固定在小于标定功率循环供油位置时环供油位置时,测得的速度特性。测得的速度特性。国家规定：国家规定：车用柴油机车用柴油机,除作外特性外除作外特性外,还应作标定功率的还应作标定功率的90%,75%,50%,25%的部分速度特性实验。的部分速度特性实验。如：汽车爬坡或阻力变化时如：汽车爬坡或阻
12、力变化时,节气门节气门(或油门或油门)开度开度不变不变,n随外界负荷的变化而变化。外界负荷大随外界负荷的变化而变化。外界负荷大,n,外外界负荷小界负荷小,n,这时发动机沿速度特性工作。这时发动机沿速度特性工作。柴油机外特性曲线柴油机外特性曲线 g n g （油泵速度特性）外特性的意义外特性的意义 A、B发动机的最大扭矩相同，但发动机的最大扭矩相同，但 A 机对应的转速机对应的转速比比 B 机低当机低当外界阻力矩外界阻力矩为为R1时时，A、B两机均在两机均在n1下下稳稳定运定运转转。当外界阻力矩。当外界阻力矩增大至增大至R2时时，B机机发发出最大扭矩在出最大扭矩在n2B下下稳稳定运定运转转，此，
13、此时时A机机则则在在n2A下下稳稳定运定运转转。当外界阻力矩再增大至。当外界阻力矩再增大至R3时时，A机机发发出最大扭矩出最大扭矩在在n3A下下稳稳定运定运转转，而，而B机无法克服外界阻力矩，只能熄火。机无法克服外界阻力矩，只能熄火。汽油机的负荷特性汽油机的负荷特性 转速转速n不变，汽油机的经济性指标随负荷不变，汽油机的经济性指标随负荷 节气门开节气门开度变化的关系。度变化的关系。如如:在不换档情况下，汽车上坡时加大油门，下坡时在不换档情况下，汽车上坡时加大油门，下坡时关小油门，而维持发动机转速关小油门，而维持发动机转速n不变，这时发动机沿负荷特不变，这时发动机沿负荷特性工作。性工作。柴油机的
14、负荷特性柴油机的负荷特性 转速转速n不变，柴油机的经济性指标随负荷不变，柴油机的经济性指标随负荷 油门开度油门开度变化的关系。变化的关系。柴油机的负荷特性曲线柴油机的负荷特性曲线 选择气道、燃烧室结构选择气道、燃烧室结构,调整燃料供给系统调整燃料供给系统,常以负荷常以负荷特性作为标准。特性作为标准。一般按负荷特性一般按负荷特性或螺旋桨推进特或螺旋桨推进特性运行时标定工性运行时标定工况的流量为相同况的流量为相同压比下喘振流量压比下喘振流量的的 110%-115。若按外特性，如若按外特性，如拖船、渔船、车拖船、渔船、车用等，则要高些，用等，则要高些，可达可达120%。增压器与柴油机匹配运行时，进气
15、管气体压力会有波动增压器与柴油机匹配运行时，进气管气体压力会有波动即增压器出口压力波动；或在变负荷时柴油机转速下降太快即增压器出口压力波动；或在变负荷时柴油机转速下降太快等，都会使增压器发生喘振，所以配合点不能离喘振线太近等，都会使增压器发生喘振，所以配合点不能离喘振线太近但离喘振线太远，则将在低效区域运转，并接近阻塞区域。但离喘振线太远，则将在低效区域运转，并接近阻塞区域。在发动机设计时，联合运行线通常离喘振边界有一定的距在发动机设计时，联合运行线通常离喘振边界有一定的距离，即预留一定的喘振裕度。离，即预留一定的喘振裕度。1.1.压比；压比；2.2.流流量；量；3.3.带有内带有内部气流再循
16、环部气流再循环装置；装置；4.4.不带不带内部气流再循内部气流再循环装置；环装置；5.5.带带有内部气流再有内部气流再循环装置的柴循环装置的柴油机的运行特油机的运行特性曲线；性曲线；6.6.不不带内部气流再带内部气流再循环装置的柴循环装置的柴油机的运行特油机的运行特性曲线。性曲线。ABB TPS-F33 Turbochargers Compressor Wheel with the Recirculation Device Compressor map with and without internal re-circulation(IRC)MAN TCR&TCA turbochargers
17、with the IRC system(internal re-circulation)联合运行线的调节联合运行线的调节:调节涡轮喷嘴环出口通流面积调节涡轮喷嘴环出口通流面积联合运行线的调节联合运行线的调节:改变压气机扩压器的进口角改变压气机扩压器的进口角改变压气机改变压气机特性线的办特性线的办法很多，如法很多，如改变扩压器改变扩压器进口角、改进口角、改变叶轮出口变叶轮出口及扩压器进及扩压器进口宽度或改口宽度或改变导风轮进变导风轮进口外径等。口外径等。调整柴油机与增压器联合运行线的方法有：调整柴油机与增压器联合运行线的方法有：1）调整涡轮喷嘴环出口通流面积：减小喷嘴环通）调整涡轮喷嘴环出口通流
18、面积：减小喷嘴环通流面积，可使发动机的运行线向喘振线移动，也就是流面积，可使发动机的运行线向喘振线移动，也就是把运行线从压气机的低效率区移向高效率区。把运行线从压气机的低效率区移向高效率区。2）移动喘振线的位置，包括：）移动喘振线的位置，包括：a）改变扩压器叶）改变扩压器叶片进口构造角：增加构造角，会使喘振线向增大流量片进口构造角：增加构造角，会使喘振线向增大流量的方向移动；反之亦然。的方向移动；反之亦然。b）改变扩压器叶片宽度等于）改变扩压器叶片宽度等于改变扩压器进口喉部面积：增加扩压器喉部面积，喘改变扩压器进口喉部面积：增加扩压器喉部面积，喘振线向右移动；反之亦然。振线向右移动；反之亦然。
19、调整涡轮喷嘴环出口通流面积的办法，是通过改调整涡轮喷嘴环出口通流面积的办法，是通过改变运行线来适应压气机特性，而调整扩压器进口角的变运行线来适应压气机特性，而调整扩压器进口角的方法则是通过改变压气机特性线来适应运行线。方法则是通过改变压气机特性线来适应运行线。大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：大气环境变化对柴油机与增压器联合运行线的影响：增压柴油机的热负荷及解决途径：增压柴油机的热负荷及解决途径：增压
20、柴油机的热负荷表现形式很多，但比较集中地反映在增压柴油机的热负荷表现形式很多，但比较集中地反映在排气温度上，一般以排气温度来表征增压柴油机的热负荷。排气温度上，一般以排气温度来表征增压柴油机的热负荷。降低柴油机热负荷应当增加扫气系数、降低压气机出降低柴油机热负荷应当增加扫气系数、降低压气机出口温度、合理组织工作过程，具体措施有：口温度、合理组织工作过程，具体措施有：1）适当增大进、排气门叠开角；）适当增大进、排气门叠开角；2）增大叠开期内的进、排气管压力差，包括合理设计）增大叠开期内的进、排气管压力差，包括合理设计进气管，合理设计排气管；进气管，合理设计排气管；3）增大进、排气门的时间）增大进
21、、排气门的时间截面，包括合理设计配气截面，包括合理设计配气凸轮，尽量扩大近排气门的面积，增加摇臂比；凸轮，尽量扩大近排气门的面积，增加摇臂比；4）增压中冷；）增压中冷；5）强化冷却系统，包括改善机油冷却条件，改善冷却）强化冷却系统，包括改善机油冷却条件，改善冷却系统工作条件，中速机钻孔冷却缸套上部及缸盖；系统工作条件，中速机钻孔冷却缸套上部及缸盖；6）改善供油系统及燃烧系统，包括调整供油规律，促）改善供油系统及燃烧系统，包括调整供油规律，促进燃烧室中的油气混合，合理调整供油提前角，增加过量进燃烧室中的油气混合，合理调整供油提前角，增加过量空气系数。空气系数。增压柴油机的机械负荷及解决途径增压柴
22、油机的机械负荷及解决途径降低机械负荷的主要措施：降低机械负荷的主要措施：1）适当降低柴油机的压缩比；）适当降低柴油机的压缩比；2）适当减小供油提前角；）适当减小供油提前角；3）调整涡轮增压器；）调整涡轮增压器；4）优化供）优化供油系统。油系统。柴油机的机械负荷是由最高燃烧压力柴油机的机械负荷是由最高燃烧压力 和最大压力升高和最大压力升高比比 来反映的。由于压力升高比不便测量，故来反映的。由于压力升高比不便测量，故通常以最高燃烧压力力表征。通常以最高燃烧压力力表征。改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径增压增压柴油柴油机低机低工况工况性能性能分析分析根据柴油机的
23、工作性能指标可得到如下关系：根据柴油机的工作性能指标可得到如下关系：改善增压柴油机低工况性能的措施：改善增压柴油机低工况性能的措施：随着增压柴油机强化程度的不断提高，增压柴油机低随着增压柴油机强化程度的不断提高，增压柴油机低工况燃烧过量空气不足的问题愈加突出。由于低工况时排工况燃烧过量空气不足的问题愈加突出。由于低工况时排气能量不足，涡轮增压器工作效率较低，使得整机效率不气能量不足，涡轮增压器工作效率较低，使得整机效率不高，进气量不足，燃烧不充分，从而使得高增压柴油机的高，进气量不足，燃烧不充分，从而使得高增压柴油机的低工况性能不好，使发动机低速时的输出转矩受到影响。低工况性能不好，使发动机低
24、速时的输出转矩受到影响。1）采用脉冲增压系统或）采用脉冲增压系统或MPC系统；系统；2）采用高工况放气；）采用高工况放气；3）采用低工况进、排气旁通；）采用低工况进、排气旁通；4）采用变截面涡轮增压器；）采用变截面涡轮增压器；5）采用复合谐振增压系统。）采用复合谐振增压系统。此外，还有其他一些措施如：相继增压系统、此外，还有其他一些措施如：相继增压系统、hyperbar系系统、统、miller系统、顾氏系统等。系统、顾氏系统等。定压与脉定压与脉冲增压系冲增压系统的比较统的比较6 L 20/27柴油机由柴油机由定压系统定压系统改为改为MPC系统后稳系统后稳态性能的态性能的比较比较采用高工况放气采用高工况放气车用涡轮增压柴油机放气系统车用涡轮增压柴油机放气系统采用高工况放气采用高工况放气带放气阀的涡轮增压器带放气阀的涡轮增压器进、排气旁通系统示意图进、排气旁通系统示意图采用低工况进、排气旁通采用低工况进、排气旁通8ZA40S柴柴油机采用油机采用进、排气进、排气旁通，高旁通，高工况放气工况放气系统后性系统后性能的改善能的改善