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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,增压系
2、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500-650c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。 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
3、恒定律和能量守恒定律。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：,在进气惯性作用下，压缩始压 甚至有可能大于 。对四冲程增压柴油机，一般,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，导致发动机的机械负荷增加很多。,缸内最高爆发压力：,缸内压缩终压：,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出口温度 ，即,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。,缸内压缩始温：,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。,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
4、使活 塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效功。 Ne=iVhPmen/(30)Kw 四冲程=4，二冲程=2 i=气缸数 Vh=气缸工作容积(L) Pme=平均有效压力(Mpa) N=发动机转速(r/min) =发动机冲程数 Pme 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：,Power is basically a function of three things: 1、Air density - boosting 2、Swept volume 3、Engine speed,对其他有关参数的影响：,扫气系数,充量系数,残余排气系数,过量空气系数,指示热效率,机械
5、效率,燃油消耗率,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 ； 2）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 ； 3）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，以保证涡轮增压器转子的强度负荷安全的要求；涡轮增压器的总效率要高，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 。,涡轮增压器和柴油机的联合运行线,发动机工况：有效功
6、率Ne和转速n 决定了发动机的工作运行情况。发动机的工况分为点工况、线工况和面工况。 发动机速度特性：发动机节气门开度( 或油门开度 )不变，发动机性能指标随转速n变化的关系。 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速n变化的关系。 外特性(全负荷的速度特性) 节气门全开(100%) , 测得的速度特性。 部分速度特性 节气门固定在部分开启位置, 测得的速度特性。,柴油机的速度特性 油量调节机械 （ 油门拉杆或齿条 ） 位置固定不动, 柴油机性能指标随转速n变化的关系。 外特性 （ 全负荷的速度特性 ） 油量调节机构固定在标定功率循环油量位置时, 测得的速度特性。 部
7、分速度特性 油调节机构固定在小于标定功率循环供油位置时, 测得的速度特性。 国家规定： 车用柴油机, 除作外特性外, 还应作标定功率的90%, 75%, 50%, 25%的部分速度特性实验。 如：汽车爬坡或阻力变化时, 节气门( 或油门 )开度不变, n随外界负荷的变化而变化。外界负荷大, n, 外界负荷小, n, 这时发动机沿速度特性工作。,柴油机外特性曲线,g n g （ 油泵速度特性 ）,外特性的意义,A、B发动机的最大扭矩相同，但 A 机对应的转速比 B 机低当外界阻力矩为R1时，A、B两机均在n1下稳定运转。当外界阻力矩增大至R2时，B机发出最大扭矩在n2B下稳定运转，此时A机则在n
8、2A下稳定运转。当外界阻力矩再增大至R3时，A机发出最大扭矩在n3A下稳定运转，而B机无法克服外界阻力矩，只能熄火。,汽油机的负荷特性 转速n不变，汽油机的经济性指标随负荷 节气门开度变化的关系。 如: 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n不变，这时发动机沿负荷特性工作。 柴油机的负荷特性 转速n不变，柴油机的经济性指标随负荷 油门开度变化的关系。,柴油机的负荷特性曲线,选择气道、燃烧室结构, 调整燃料供给系统, 常以负荷特性作为标准。,一般按负荷特性或螺旋桨推进特性运行时标定工况的流量为相同压比下喘振流量的 110%-115。若按外特性，如拖船、渔船、车用等
9、，则要高些，可达120%。,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。,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。,1.压比；2.流量；3.带有内部气流再循环装置；4.不带内部气流再循环装置；5.带有内部气流再循环装置的柴油机的运行特性曲线；6.不带内部气流再循环装置的柴油机的运行特性曲线。,ABB TPS-F33 Turbochargers Compressor Wheel with the Rec
10、irculation Device,Compressor map with and without internal re-circulation (IRC),MAN TCR & TCA turbochargers with the IRC system (internal re-circulation),联合运行线的调节:调节涡轮喷嘴环出口通流面积,联合运行线的调节: 改变压气机扩压器的进口角,改变压气机特性线的办法很多，如改变扩压器进口角、改变叶轮出口及扩压器进口宽度或改变导风轮进口外径等。,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：减小喷嘴环通流面积，可使发
11、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。 2）移动喘振线的位置，包括：a）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。 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：,增压柴油机的热负荷及解决途径：,增压柴油
12、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。,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： 1）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，包括合理设计进气管，合理设计排气管； 3）增大进、排气门的时间截面，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； 4）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。,增
13、压柴油机的机械负荷及解决途径,降低机械负荷的主要措施：1）适当降低柴油机的压缩比；2）适当减小供油提前角；3）调整涡轮增压器；4）优化供油系统。,柴油机的机械负荷是由最高燃烧压力 和最大压力升高比 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。,改善增压柴油机低工况及瞬态特性的途径,增压柴油机低工况性能分析,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： 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低工况性能不好，使发动机低速时的输出转矩受到影响。 1）采用脉冲增压系统或MPC系统； 2）采用高工况放气； 3）采用低工况进、排气旁通； 4）采用变截面涡轮增压器； 5）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、hyperbar系统、miller系统、顾氏系统等。,定压与脉冲增压系统的比较,6 L 20/27 柴油机由定压系统改为MPC系统后稳态性能的比较,采用高工况放气,车用涡轮增压柴油机放气系统,采用高工况放气,带放气阀的涡轮增压器,进、排气旁通系统示意图,采用低工况进、排气旁通,8ZA40S柴油机采用进、排气旁通，高工况放气系统后性能的改善,