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1、Harbin Engineering University,哈尔滨工程大学本科生专业任意选修课程 内燃机增压技术 课程主讲：冯永明副教授 办公地点：动力与能源工程学院动力楼903办公室 联系方式：,Harbin Engineering University,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） 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 四、增压对发动机热力性能参数的影响,课程主要内容提纲： 五、发动机与涡轮增压器的匹配 六、增压系统 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 九、排放法规对内燃机增压技术提出的挑战,柴油机
2、理论示功图,柴油机实际示功图,柴油机热力循环分析:,四冲程压燃式内燃机即柴油机的实际示功图: 线段0-1为进气过程，由于进气管路的阻力，气缸内气体的压力稍低于环境压力；线段1-2为压缩过程，随着活塞推进，气缸容积减小，气体压力提高；线段2-3-4为燃烧过程，其中线段2-3表示活塞处于上死点附近时，燃料在气缸中的燃烧过程，此时由于气缸容积无显著变化，而燃料燃烧使得气缸中气体压力急剧升高；线段3-4表示活塞开始向下死点移动，而燃料继续在气缸中燃烧的过程，此阶段气缸中气体的压力变化不大；线段4-5为膨胀过程，高温高压燃气推动活塞移动而作功；线段5-0为排气过程，开始时活塞处于下死点附近，容积变化较慢
3、，而废气压力较高，故容积尚无显著变化时，废气已大量排入大气而气缸内压力迅速下降至接近大气压力，然后随着活塞移动容积减小，继续把缸内废气排至大气中。,如果忽略实际过程中的摩擦阻力、扰动等损失，燃烧所需时间以及散热损失等因素的影响，则可由实际示功图理想化为理论示功图：线段0-1为在大气压力下的定压进气过程；线段1-2为绝热的压缩过程；线段2-3为定容的燃烧过程；线段3-4为定压燃烧过程；线段4-5为绝热膨胀过程；线段5-1为定容下气缸排气而气缸中压力下降的过程；线段1-0为在大气压力下的定压排气过程。 根据活塞式内燃机的理论示功图，就可确定相应的理想热力循环。按不可逆过程的性质分别取相应的可逆过程
4、并且由于定压进气过程与定压排气过程的功量相互抵消而对整个循环没有影响，可不考虑，于是就得到柴油机工作循环的理想热力循环:由五个可逆过程所组成：绝热压缩过程1-2；定容加热过程2-3；定压加热过程3-4；绝热膨胀4-5及定容放热过程5-1。这个循环称为混合加热循环。,混合加热循环的 p-v 图与 T-s 图,柴油机工作循环的理想热力循环:,四冲程增压柴油机理论示功图,废气的最大可用能由三部分组成： 1）排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作的功； 2）活塞推出排气，排气得到的能量； 3）扫气空气所具有的能量。 排气能量传递中的损失： 排气门前排气具有的能量在流经排气门、气缸盖排气道、排气
5、歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失包括如下几个方面： 1) 流经排气门处的节流损失; 2 ) 流经各种缩口处的节流损失；3 ) 管道面积突扩时的流动损失；4 ) 不同参数气流渗混和撞击形成的损失；5 ) 由于气体的粘性而形成的靡擦损失：6 ) 气流向外界散热所形成的能量损失。,提高废气最大可用能和能量传递效率的途径有： 1）应使排气门的通流面积尽可能大，开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气后的压力很快升高，从而减少节流损失，排气容积不应太大，排气管要短而 细； 2）应力求管道光顺、没有缩口；3）排气总管内径做的与歧管内径一样大，以避免突扩损失； 4）使用顺着气流
6、的斜向接头，以避免撞击损失； 5）力求管壁光滑，减少摩擦；6）排气管使用绝热材料包裹以隔热。 排气门处的节流损失是能量传递中的主要损失，约占总损失的60%-70%。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。,Comparison of the Cylinder Diagrams of a 4-Stroke Engines with and without Turbocharging,Comparison of the Cylinder Diagrams of a 4-Stroke Engines wi
7、th and without Turbocharging,(a) An exhaust system of the turbocharged engine; and (b) the most important processes,The turbocharged diesel engines,对排气中可用能的利用情况，增压系统可分为两种基本形式：脉冲增压系统与定压增压系统。 若要利用排气的“脉冲能”，即 b-4-T-b 面积所代表的能量，则排气管的容积要小，排气管中的压力就有波动。这种增压系统称为脉冲增压系统，又称变压增压系统。 若不利用排气脉冲能，则用较大的排气管容积，这样脉冲能便转化为热
8、能，提高了涡轮前的排气温度，所以进人涡轮前回收了一块面积T-K-K-T-T的能量，这就是从损失掉的“脉冲能”中回收的一部分，这种系统称为定压增压系统。,排气涡轮增压系统的基本形式：,根据能量平衡：,式中： 涡轮前排气温度的升高值， 为燃气流量， 为定压比热容。,涡轮作功能力的增加值为：,能量回收率为：,式中： 为涡轮出口排气压力， 为涡轮进口压力。,脉冲能量利用系致与增压比的关系：,脉冲能量利用系数：,在实际柴油机中，脉冲能量最多只能利用 40%-50%。 在定压涡轮增压系统中，能量回收率随膨胀比的增加而增大。实际上，脉冲能量随着膨胀比的增大而减少，即能量回收更多。 脉冲增压系统在低增压时是有
9、利的，在高增压时则得益不多，而且在脉冲增压系统下止作的涡轮由于压力波动及部分进气等原因，其涡轮平均效率比在定压增压系统工作时低。 当增压比增高到一定程度以后，脉冲能量利用系数保持为一较小值，这时采用脉冲增压系统就没有多少效果了。,影响脉冲能量利用的主要因素有：1）排气门开启定时；2）排气门通流面积；3）排气门开启规律；4）排气管通流面积；5）排气管长度；6）涡轮通流面积。 脉冲增压系统就是要尽可能地利用脉冲能量，而脉冲能量的利用又主要取决于排气管中压力波形的合理组织。这与气缸内的压力排气歧管的粗细、长短以及喷嘴环喉部面积大小等均有密切的关系。 为了充分利用排气脉冲能量，要求：1）排气门打开后，
10、排气歧管内的压力应尽快建立起来，以减少流动损失；2）排气自排气门逸出应迅速，阻力尽可能地小； 3）柴油机扫气过程中，排气管中的压力要尽可能低，以利于扫气进行。,脉冲增压系统与定压增压系统相比，脉冲增压系统的优点如下： 1）排气能量利用系数高，低工况性能好； 2）扫气时压差大，易于组织，对二冲程更有利； 3）低速时能保证较高的增压压力和低速转矩大，涡轮增压器转速上升快； 4）压力波瞬变反应快，加速性能好。 缺点是： 1）在两缸一歧管时，排气管抽真空。在增压压力高时，当排气门刚开启时节流损失大，使涡轮鼓风损失大，涡轮效率降低； 2）当排气管太长时，反射压力波对扫气会产生干扰；,3）对同样功率的柴油
11、机，涡轮通流面积较定压增压系统的大，常常要用大一型 号的涡轮增压器来配机，成本较高； 4）缸数多时，为了利用压力波谷进行燃烧室扫气，排气管要分支，从而使排气 管结构复杂。 5）脉冲波使涡轮叶片的应力增大 定压增压系统的优点是： 1）可采用涡轮全进气，压力波动小，涡轮叶片所受激振力小、涡轮效率高； 2）排气管系结构简单，易于设计制造和维修； 3）不会由于压力波的干扰而使柴油机的转速上限受到限制；,4）对低增压相同功率的柴油机而言，涡轮通流面积较脉冲的小，可用小一号的涡轮增压器。 定压增压系统的缺点是： 1）加速性较差，低负荷性能较差； 2）扫气空气量较脉冲的少； 3）部分负荷时，有时扫气倒流，能
12、污进气系统及增压器； 4）在低转速高转矩时，增压压力下降较大，低速转矩特性较差； 5）在缸数少时，显得排气管容积过大。,涡轮增压柴油机排气管的方案设计： 定压增压的排气管力求排气压力稳定，以提高涡轮效率；排气管容积较大，一般为发动机总气缸容积的两倍左右。排气在排气管中流速较慢通常平均流速不超过50 m/s。 为了充分利用脉冲能量，各缸排气压力波应互不干扰。一般增压柴油机排气门开启持续角为 24-32(CA）故一根四冲程柴油机的排气管最多联接三个气缸，当联结两个气缸时，为避免排气抽真空，在涡轮进口可再联结一个脉冲转换器进涡轮。 对脉冲增压的排气管，为充分利用脉冲能量。排气管应首先按上述分歧原则确
13、定分歧方案：然后根据动力装置的需要，确定增压器安装位置。每个排气歧管的容积矶与一个气缸工作容积的比在1.3-1.5之间。脉冲增压的排气歧 管在设计时要注意圆滑过渡，并避免互相干扰。,通过脉冲转换器进涡轮, 可避免3、4、5、6缸排气抽真空。,脉冲转换器,A 和 B两根排气管通过喷管与混合管相接，再与增压器涡轮相连。当联接A管的某一气缸的排气门开启，排气脉冲到达喷管，加速流人混合管，此时正是联接B管的另一气缸的扫气时期，它在喷管处的气流速度已经降低，但这一减弱的气流得到由A管气流的引射而加强，从而对扫气有利。,既能保证良好的扫气，又能充分利用排气脉冲能量，还由于涡轮前的排气压刀接近恒定而使涡轮效
14、率得以提高。,脉冲转换器系统的优点是兼顾了脉冲增压与定压增压系统的优点，即对于能量传递效率来说，接近脉冲系统，但对涡轮效率来说，接近定压系统、而且燃烧室扫气量大，柴油机低工况性能得到改善，涡抡的通流面积又可减小。涡轮有可能全进气，使涡轮效率提高，同时也可使叶片的振动应力降低。对4, 8, 16缸机来说，脉冲转换系统比脉冲增压系统好。因此，目前一般不用二缸一歧管的脉冲增压系统，而大多采用脉冲转换系统来代替它。,多脉冲转换系统,多脉冲转换系统：排气管系把各歧管接人一个较大的带有缩口的混合管中再由混合管把排气 引人涡轮。,多脉冲转换系统：排气管系把各歧管接人一个较大的带有缩口的混合管中再由混合管把排
15、气引人涡轮。它主要的特点是使排气歧管中的压力波传至涡轮后基本上不反射这就不会影响各缸的扫气。在高工况时近于定压系统，低工况时近于脉冲系统。 多脉冲转换系统具有下述优点：有效地传播能量，排气能量传递效率高；涡轮前参数稳定，涡轮效率高；柴油机扫气过程能顺利进行，泵气功损失小；在宽广的运转范围内保持较高的排气能量传递效率，使柴油机油耗率曲线变化平坦；加速性能好。 多脉冲转换系统基本能满足对增压系统的要求，适用于5、7、14缸机， 也推广到了4、8、16缸机，甚至6、9、12、18机也有应用。但是，与定压增压系统相比，其排气管结构仍显复杂，且布置不便。,MSEM (Modular Single Exh
16、aust Manifold) 系统，即模件式单排气总管增压系统、主要包括MPC、长歧管、旋流、扩压、组合式五种不同形式。比较而言，应用较多的当属MPC形式。该系统结构比较简单，不论缸数多少，均只有一根单一的排气总管，且管径比定压系统小，排气管系尺寸小、质量轻、便于布置，适用于各种缸数的柴油机。 MSEM系统兼顾脉冲增压系统和定压增压系统的优点，涡轮前的压力波动小，近于定压系统，因此涡轮效率较高。排气总管直径较定压系统小，且各缸排气歧管顺着总管气流方向进人，使部分脉冲能量以速度能形式进人总管及涡轮，排气能量传递效率较高，在约60%负荷以下的低工况性能近于脉冲增压系统而优于定压系统，高工况性能则优
17、于脉冲而近于定压系统。,MSEM (Modular Single Exhaust Manifold) 系统,MPC ( Modular PulseConverter )系统又称模件式脉冲转换系统，是在脉冲转换器基础上的进一步发展。每个气缸排气口上都安装了一个脉冲转换串接件，排气总管只有一个。其外形非常像定压系统，但排气总管的直径小，只有气缸直径的 60%-70 %。串接件中缩口面积只有排气门最大开启面积的40%左右。歧管向涡轮方向倾斜30度左右。 从排气门出来的最初气体脉冲被喷口堵留在气缸盖上小容积的排气道内，通过喷口时转换成速度。这个速度传给了截面较小的排气总管内有一定速度的气体。因此，在排气总管里不会发生强的脉冲波，由于气缸出口脉冲势能的作用，使排气总管里的燃气不断加速，燃气的速度在排气总管出口部分转换成压力能，所以这种方法可以降低排气总管内的静压。因此气缸扫气时压差大，排气总管内的压力波动小，扫气量大，涡轮前压力基本不变，效率高。,