发动机与涡轮增压器的匹配

1、1 第六章 发动机与涡轮增压器的匹配 涡轮增压技术涡轮增压技术 2 发动机与涡轮增压器的匹配发动机与涡轮增压器的匹配 n 引言 n 柴油机与涡轮增压器的流量特性 n 发动机与涡轮增压器匹配的基本算法 n 发动机与涡轮增压器匹配的试验法 n 增压中冷 n 增压器的调节 3 引言引言 n由于往复式机械的空气质量流量的范围很宽，故非 增压柴油发动机有效速度范围也是很宽的。 n而涡轮机械的只有在设计流量时，气流角度才能与 涡轮机械各部分叶片结构角度相适应。如果流量偏 离设计点，就会出现由于气流的分离所造成的倾角 损失。这些损失将随着倾角偏差的增大而增长，因 此，涡轮机械不可能充分适应柴油机宽流量范围运

2、 行的要求。但是另一方面，涡轮机械的设计参考点 效率较高，小的结构尺寸下却可通过较高质量比流 量的流体，所以把它们用作增压器。 -柴油机与增压器的流动特点柴油机与增压器的流动特点 4 引言引言 n特性曲线形状完全不同的涡轮机械和往复式机械联 合起来运行，必须要进行非常周密细致的工作。 n对于几何参数不可变的增压器来说，涡轮增压器仅 和发动机在运行范围内的某个特定参考点有最优匹 配。如果发动机要求在很宽的转速和负荷范围内运 行，在匹配涡轮增压器时，就要选择一种折衷的方 案，该方案应能使发动机在最重要的点达到最优匹 配，在其它点达到比较合适的匹配。 -柴油机与增压器的匹配特点柴油机与增压器的匹配特

3、点(1)(1) 5 引言引言 n为了改善匹配性能，除优化增压器的设计参数外， 还要改变发动机的设计。这类改变包括燃油喷射系 统的调整、气门流通面积及配气正时的改变等。 n一般而言，转速范围窄且增压程度低的柴油机与废 气涡轮增压器匹配良好相对容易些，但是对于高转 速发动机和增压程度较高的发动机，匹配问题就比 较复杂。有时为获得良好的匹配，不得不采用较为 复杂的结构如旁通放气阀、可变喷嘴涡轮等。 -柴油机与增压器的匹配特点柴油机与增压器的匹配特点(2)(2) 6 引言引言 n涡轮增压器基本尺寸的大小由发动机要求的进气量决 定。进气量又是各种参数，如气缸排量、转速、进气 管中的空气密度，容积效率以及

4、扫气流量等的函数。 n在不考虑扫气的情况下，四冲程发动机的进气流量的 计算公式如下所示。 n从上述公式可以清楚地看出，通过增压或者增压中冷， 增加发动机的进气密度是增加发动机进气量的有效办 法。 -柴油机与增压器的匹配特点柴油机与增压器的匹配特点(3)(3) vhmV n m 2 7 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n如果发动机在定转速下运 行并平稳地增加负荷，那 么，空气质量流量将近似 地随着充气密度的增加而 增加。进入发动机的气流 特性曲线可以与涡轮增压 器的压气机特性曲线叠绘 在一起，曲线的斜率取决 于气流密度。 -(1)-(1) 8 柴油机与涡轮增压器的流量特

5、性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n随着发动机转速的增加，空气流速随着增加，而涡轮 增压器的涡轮有效流通面积几乎保持不变，所以涡轮 的进气压力将上升，涡轮功增加，增压器转速增加， 压气机的出口压力也随着增加了。这样一来，发动机 的等负荷线将不处于压气机特性曲线图中的水平位置， 而是随着发动机转速的提高而向上倾斜。 n类似的道理等转速线向右倾斜。 -(2)-(2) 9 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n如果要了解发动机在整个转速和负荷范围内运行的 情况，那么可将发动机运行范围的等速和等负荷线 绘制在压气机特性曲线中。发动机的整个特性曲线 必须处在压气机的喘振边界、低效率边

6、界和增压器 的超速边界之间。 -(3)-(3) 10 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n压气机的喘振边界与发动机运行线最接近点间的间隔 余量的确定必须充分考虑下面三个因素： 1)虽然平均流量的位置并不接触特定的喘振线，但由 于进气系统中的脉动，很可能诱发喘振。 2)如果空气滤清器在使用中严重阻塞，流入发动机的 空气流量将减少，混合气变浓，涡轮前温度升高，所 以增压压力不可能下降，因此，发动机运行线就会向 喘振线方向少许移动。 3)如果发动机在高原运行，由于高原运行时，压气机 压比代偿性上升，其运行线将向喘振线方向作较多的 移动。 -(4)-(4) 11 柴油机与涡轮增

7、压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n就一般情况而言，压气机喘振线与发动机运行线最近 点的间隔余量最少应为10%。对气缸数较少的发动机， 某些时刻要求此间隔余量为20%。 -(5)-(5) 12 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n涡轮增压器的涡轮能有效地在比压气机宽得多的质量 流量范围下运行。所以一般不将发动机的耗气特性绘 在涡轮流量特性上。 n还有另外一个问题就是，如果涡轮运行在气流极不稳 定的脉冲系统中，那么把发动机气流的“平均”流量 绘制在涡轮特性曲线图上将不能反映真实的情况，会 使人产生很大的误解。而要精确的测定发动机在涡轮 特性曲线图上的运行区域，就

8、要求在发动机运行条件 下的整个范围内绘制废气流量和膨胀比的瞬时值曲线， 而要想精确的测量这些瞬时数据是非常困难的。 -(6)-(6) 13 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n涡轮的喷嘴环或涡壳控制 着涡轮的有效流通面积。 因此，涡轮的有效流通面 积的改变是可以通过调整 上述的元件来实现的。 -(7)-(7) 14 柴油机与涡轮增压器的流量特性柴油机与涡轮增压器的流量特性 n如果减小涡轮的流通面积，那么压气机的出口压力和质 量比流量将增大，由于充气温度也跟着上升，所以增压 压力上升的比例较空气质量比流量上升比例要大。 n当然，如果涡轮流通面积本来就比较小，那么继续减小

9、流通面积会造成堵塞，会使空气流量反而下降。 -(8)-(8) 15 柴油机与涡轮增压器匹配柴油机与涡轮增压器匹配 步骤： n从考虑柴油机的燃烧和热负荷出发，定下涡轮前的废气 温度TT，根据能量平衡式，即输入的能量和输出的能量 相等，列出进气量和排气温度的关系。根据TT定出空气 流量Gs。 n在进气流量确定后，根据充气系数、扫气系数、发动机 转速及气缸容积确定增压压力的大小Ps。 n进气流量和增压压力确定后，根据涡轮增压器的功率平 衡，可以确定涡轮前压力Pt。 -基本算法基本算法(1)(1) 目的：估计增压器的空气流量和增压压力等参数，初选 涡轮增压器，为试验选型做好准备。 16 柴油机与涡轮增

10、压器匹配柴油机与涡轮增压器匹配 n在废气流量、涡轮前废气压力和涡轮前温度都确定后， 就可以估算出涡轮的通流面积。到此为止，也就完成了 整个增压器的估算过程。 -基本算法基本算法(2)(2) 17 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n将发动机的耗气特性与压 气机特性重合起来，方可 判断压气机是否经常在最 高效率区内运转。 n重型车用发动机与压气机 匹配的要求是： 1)发动机最大扭矩点处在 压气机的最高效率区。 2)发动机的外特性处在压 气机效率较高的区域。 3)在发动机部分负荷工作 时，压气机的工作区域绝 大部分其绝热效率高于65%。 -试验法试验法(1)(1) 18 发动机与涡轮增

11、压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n有时为达到特殊的 目的，也会对上述 原则进行调整。 n左图所示为照顾低 速性能的匹配方法。 n需要确定 -试验法试验法(2)(2) 19 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n一般很少将发动机耗气特 性画在涡轮特性上。 n如果要叠画在一起，判断 的准则是：涡轮最高效率 区处于发动机的低速工作 区；涡轮特性线在等膨胀 比下比较平坦；自循环工 作线贯穿涡轮的高效率区； 发动机整个运转区域，都 在涡轮无因次转速1.0以 下。 -试验法试验法(3)(3) 20 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n匹配实例 n发动机与压气机匹配 不合适。 -试验法

12、试验法(4)(4) 21 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n如左所示的2、3两种叶 轮都是在叶轮1的基础上 修改得到的，匹配的是 同一种无叶扩压器和集 气器。 n 1 2 3 叶轮进口直径 43 39 35 叶轮出口宽度 4.3 3.6 3.0 单位：mm -试验法试验法(5)(5) 22 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n如果发动机的外特性线处于压气机 特性线图中偏低的位置，则可用改 变涡轮喷嘴环的最小截面积的方法 来改善两者的配合。当截面积变小 时，发动机的排气压力增高，可驱 使涡轮更快带动压气机运转。这就 使得压气机的压比增加，从而增加 了进气密度、流量。 n

13、还应注意：若涡轮的最小截面积原 来就较小，再进一步减小其最小截 面积，即使涡轮的效率基本不变， 仍会由于发动机的排气阻力有明显 的增加，使得压气机的匹配流量减 少。 -试验法试验法(6)(6) 23 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n修改涡轮喷嘴环最小截面积 后，涡轮特性线也会有相应 变化。图中虚线表示减小无 叶喷嘴的涡壳流通截面后， 所得到的涡轮特性曲线。 n在同样膨胀比下，小截面的 折合转速要高很多，而折合 流量要小很多。 -试验法试验法(7)(7) 24 发动机与涡轮增压器匹配发动机与涡轮增压器匹配 n任何废气涡轮增压器，都可以在原设计型号的基础上 进行修改，发展成为具有不

14、同适用范围的变型。将不 同变型的压气机与不同变型的涡轮组合起来，可成为 在一种基型废气涡轮增压器的基础上得到的一系列变 型。 n应该特别指出：无论修改压气机任何部位的尺寸，都 只能改变压气机本身的特性曲线形状，对涡轮的特性 曲线毫无影响；反之亦然。压气机或者涡轮特性曲线 形状的改变，彼此都会影响它们与发动机共同工作时 的匹配区域。 -试验法试验法(8)(8) 25 增压中冷增压中冷 n采用中冷技术是进一步提高增压发动机功率， 改善发动机性能的一种有效措施。当发动机 的增压压比较高时，压气机出口温度增加， 这一方面导致发动机进气密度下降，影响了 发动机功率的进一步提高，另一方面将导致 排气温度升

15、高，热负荷增加，同时会导致NOx 排放增加。 n解决这一问题的最有效办法是在压气机出口 设置一个中冷器，将压气机出口的气体冷却， 冷却后的气体再进入发动机气缸。 -(1)-(1) 26 增压中冷增压中冷 增压发动机采用中冷后，有如下优点： n进气密度进一步提高，可使发动机达到比较 高的平均有效压力。 n可降低发动机的热负荷。这是因为增压空气 经中冷温度降低后，可使发动机的最高燃烧 温度和排气温度下降。试验数据表明，发动 机的进气温度每下降10，排气温度可下降 20-30，从而改善了发动机受热零件的工作 条件。 -(2)-(2) 27 增压中冷增压中冷 n可降低发动机的燃油消耗率。增压中冷后，

16、一方面由于进气量充足，燃烧过程更为完善， 另一方面由于中冷后发动机的平均循环温度 有所下降，相对散热损失减少，同时发动机 的相对机械损失也会减少，因此发动机的燃 油消耗率有所降低。 n可降低发动机排气中有害成分的排放量。由 于中冷降低了最高燃烧温度，所以可使NOX排 放显著降低。对于达到欧洲二号排放标准的 柴油机，一般都采用增压中冷。 -(3)-(3) 28 增压中冷增压中冷 n对于车用发动机来说， 一般采用空-空中冷器， 这种系统结构简单可靠， 冷却介质温度较低，流 量大，冷却效果很好。 左图为空空中冷器的结 构。 n在有些系统中不便于利 用空-空中冷的，也有 利用水作为冷却介质的。 如船用

17、发动机。 -(4)-(4) 29 增压中冷增压中冷 n中冷系统的性能主要取决于中冷器的效率和压降。 中冷器的效率是指增压空气通过中冷器后所降低的 温度与理论上最大可能降低的温度之比。 ntAi，中冷器进口空气温度 ntAo，中冷器出口空气温度 ntci，冷却介质进口温度 n一般中冷器的效率可达0.75-0.85。 n中冷器的压降表示增压空气通过中冷器后的压力损 失，空空中冷器的最大压降在5KPa-8KPa之间，水空 中冷器的压降一般要求在5KPa以内。 -(5)-(5) ciAi AAi A tt tt 0 30 增压器的调节增压器的调节 n采用涡轮增压器调节的目的在于既保证发动机在低 速时有

18、较高的增压压力pc，从而有较高的扭矩，又能 保证发动机在额定点附近pc不致过高，以避免发动机 过高的机械负荷和涡轮增压器的超速。通过涡轮增 压器的调节可改善增压器与发动机的匹配，从而达 到改善车用增压发动机扭矩特性的目的。可调增压 器与电子控制技术相结合，可实现全工况范围内发 动机与增压器的最佳匹配，从而达到发动机性能的 全面优化。 -目的目的 31 增压器的调节增压器的调节 n增压器的调节对于车用柴油机来说非常必要。有些 轻型车柴油机的转速甚至达到4000rpm以上。由于转 速范围宽，固定截面涡轮增压器就难于实现与发动 机的良好匹配。如果保证发动机在最大扭矩点时有 足够的增压压力，则在发动机

19、额定转速时就要出现 过高的增压压力，这就带来发动机过高的机械负荷 和涡轮增压器的严重超速，这是不允许的。若只考 虑发动机额定转速时所需要的增压压力，则在发动 机低速时增压压力值下降过多不能保证足够的扭矩。 所以在这种情况下只能求助于涡轮增压器的调节。 -必要性必要性 32 增压器的调节增压器的调节 n增压器的调节中，最重要的是涡轮的调节，目前涡 轮调节的主要方式包括：旁通放气和变截面涡轮。 左图为带旁通放气的涡轮增压器 -旁通放气旁通放气(1)(1) 33 增压器的调节增压器的调节 n旁通放气的原理是，放气 阀由一个膜片阀驱动，膜 片阀的一端是压气机扩压 器处或出口处的压力，当 压气机出口压力

20、达到一定 值时，膜片阀开始移动， 放气阀打开，这时一部分 排气不通过涡轮，直接排 入排气管。由于一部分排 气没有经过涡轮，所以使 得涡轮功减少，这样调节 的结果就是使得增压压力 在达到一定数值后不再升 高。 -旁通放气旁通放气(2)(2) 34 增压器的调节增压器的调节 n旁通放气的增压器 结构简单，但排气 旁通必然损失一部 分能量，致使发动 机在额定点附近性 能恶化。 -旁通放气旁通放气(3)(3) 35 增压器的调节增压器的调节 n放气阀的结构 -旁通放气旁通放气(4)(4) 36 增压器的调节增压器的调节 n带放气阀的增压器 的增压压力。可根 据弹簧的预紧力设 定增压器的放气点。 -旁通放气旁通放气(5)(5) 37 n为了满足将来越来越严格的排放规定，普通 的放气调节可能达不到要求，而且放气调节 会导致油耗比较高。 n所以为了满足排放法规要求，很多研究机构 推荐使用可变几何涡轮增压器，甚至面对未 来，可变几何涡轮增压器成为一