第四节  内燃机的增压
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第四节 内燃机的增压. SUPERCHARGING. 主要学习内容. 内燃机增压技术概述. 涡轮增压器的工作特性. 排气涡轮增压系统简介. 涡轮增压器与发动机的匹配. 汽油机增压技术. 内燃机增压概述 INTRODUTION. 一、内燃机的增压定义 Definition. 增压:通过增加充量压力的方法,提高进入内燃机气缸的充量的密度,从而达到提高功率和改善经济性的目的。. Supercharging refers to increase the air or fuel-air mixture density

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第四节 内燃机的增压

SUPERCHARGING

主要学习内容

  • 内燃机增压技术概述

  • 涡轮增压器的工作特性

  • 排气涡轮增压系统简介

  • 涡轮增压器与发动机的匹配

  • 汽油机增压技术


内燃机增压概述 INTRODUTION

一、内燃机的增压定义 Definition

增压:通过增加充量压力的方法,提高进入内燃机气缸的充量的密度,从而达到提高功率和改善经济性的目的。

  • Supercharging refers to

    • increase the air or fuel-air mixture density

    • by increasing its pressure

    • prior to entering the engine cylinder


Development
二、内燃机增压的历史 Development

  • 1907 美国 路易斯•雷诺(Louis Renault)

    机械增压发动机

  • 1915 瑞士 阿尔弗雷德•波希(Alfred Buchi )

    排气涡轮增压发动机

    现代内燃机增压技术:

    • 增压压力、温度、流量

    • 排气温度、涡轮转速

    • 增压器电子控制技术


三、内燃机增压的方式Supercharging Technologies

  • 机械增压 (Mechanical supercharging)

    • 发动机输出轴直接驱动机械增压装置,实现对进气压缩。

    • 螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等

    • 特点:消耗有效功率、噪音大、响应快、低速转矩好

      应用于小排量汽油机


Compressor
机械增压器 (COMPRESSOR)

Roots supercharger

罗茨泵

Twin-screw supercharger

螺杆泵


Compressor1
机械增压器(COMPRESSOR)

Spiral Supercharger

螺旋式

Sliding Vane Compressor

滑片式


Compressor2
机械增压器(COMPRESSOR)

离心式


  • 排气涡轮增压 (Turbocharging)

    排气推动涡轮旋转,涡轮带动压气机工作, 实现进气增压。

    • 压气机与涡轮同轴相连,构成涡轮增压器。

    • 定压和脉冲涡轮增压

    • 径流涡轮和轴流涡轮

    • 特点:不消耗功率、高速性能优越大低速性能差、加速性能差、体积小、噪音低

      单机功率大于35kW的场合


Turbocharger

压气机出口

排气涡轮增压 (TURBOCHARGER)


3 comprex

利用排气系统中的波动效应来压缩进气

特点:消耗功率<1%、低速转矩大、效率低、尺寸大、噪音大。

应用:概念型,增压压力较小

3. 气波增压 (COMPREX)

wave rotors

Wave Supercharging


4 combined supercharging

由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。

特点:串联、并联,综合了各自长处

4. 复合增压 (Combined Supercharging)

Supercharger-Assisted Turbocharger

Sequential Turbocharging


Electric turbo compounding
Electric Turbo-Compounding由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。


Turbo compounding
涡轮复合 由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。( Turbo-compounding)


BOOSTING THE ENGINE POWER由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。

四、增压对内燃机动力性和经济性的影响

目的:提高动力性,改善经济性,并降低排放。

  • 若增压前后n,φa不变

  • 增压,换气过程泵气功为正,Pi增加,ηit,ηm增加

  • 进气密度增加,PL增加

  • 扫气作用,残余废气系数降低,充量系数增加


Advantages and disadvantages由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。

五、发动机增压技术的优势与代价


涡轮增压器的工作特性由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。(turbocharging)


Turbochargor
一、排气涡轮增压器 (由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。TURBOCHARGOR)


二、离心式压气机的工作特性由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。

Centrifugal Compressor Peformance

1、工作过程

  • 进气道:空气沿截面收缩的轴向进气道进入,压力,温度略有↓,速度↑;

  • 工作轮:气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流通道内,吸收叶轮的机械能,气体的压力、速度和温度均↑。

  • 扩压器:通道流通截面积↑,气体动能→压力能,压力、温度↑,速度↓

  • 出气蜗壳:收集气体输向内燃机进气管,截面积↑,压力、温度↑,速度↓


离心式压气机参数由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。

  • 四个工作参数

    • 压气机转速,nb

    • 压气机流量

      • 体积流量,m3/s

      • 质量流量qmb,kg/s

    • 压气机的进口滞止压力,p01

    • 压气机的进口滞止温度,T01

  • 两个特性参数

    • 增压比,πb

      • 压气机出口滞止压力p02与进口滞止压力p01之比

      • πb= p02/ p01≈pb/ p0

    • 等熵效率,ηb


2 compressor efficiency
2由上述各种方式组合而成,如机械增压与涡轮增压的结合等。、压气机中的能量转换 COMPRESSOR EFFICIENCY

压气机的等熵效率为:

Enthalpy-entropy diagram

压气机消耗的机械功率为:


以流量为横坐标,压比为纵坐标,把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起,其中效率以等值线的形式表示,称为压气机的以流量为横坐标,压比为纵坐标,把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起,其中效率以等值线的形式表示,称为压气机的万有特性。

Performance of Compressor

3、离心式压气机的特性

1)流量特性

在同一转速下,压气机πb和ηb随压气机流量qmb的变化关系简称为压气机的(流量)特性。

  • 当nb→,qmb↓:πb和ηb先↑,到达某值后↓;呈抛物线状,在设计工况点达到最大

  • 当nb→ ,低流量:出现喘振

  • 当nb→ ,高流量:ηb急剧↓,堵塞


Analysis of Efficiency以流量为横坐标,压比为纵坐标,把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起,其中效率以等值线的形式表示,称为压气机的

压气机损失分析图

摩擦损失

  • 气流内部及气流与工作轮叶片表面、扩压器叶片表面等发生摩擦而产生。

  • 转速一定,流量增加,气流速度增大,摩擦加剧,摩擦损失增大而增加。

撞击损失

  • 气流与叶片撞击造成。

  • 设计工况下最小,偏离设计工况撞击损失增加


某一转速,低流量发生喘振,高流量发生堵塞以流量为横坐标,压比为纵坐标,把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起,其中效率以等值线的形式表示,称为压气机的

2)压气机的喘振和堵塞

喘振(surge)

现象:气流振荡和倒流,叶片相应振动,噪音很大,进气压力降低并波动

危害:不断达到预期增压比,造成损坏

原因:因为流量小,气流减弱,边界层分离,扩展至叶轮及扩压器

喘 振 线

各种转速下出现喘振的工作点联在一起。

喘振流量

出现喘振的流量。

堵塞(CHOKING)

  • 现象:πb降低qmb增大,当πb降到某值, qmb不再增加时的流动

  • 危害:限制了压气机的应用范围

  • 原因:某一截面Ma=1

  • 当ηb <55%后就认为压气机发生堵塞。

  • 增加转速才能继续增加流量


3 universal performance map

采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

3)压气机的通用特性(UNIVERSAL PERFORMANCE MAP)

  • 根据相似理论,不管压气机进口条件如何,只要马赫数相同,在压气机内的气体流动就相似,流动损失也相似。

  • 两相似参数:

  • 马赫数表示流动相似不直观,采用与上述相似参数成正比的折合参数来表示。折合参数分别是 :

折合流量:

折合转速:

进口轴向流度

叶轮进口外径处圆周速度


压气机的通用特性曲线 采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

  • 高效区范围

  • 的评定

  • 匹配是否满足

  • 的依据


进气涡壳采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

喷嘴环

出气口

工作轮

三、径流式涡轮机的工作原理 RADIAL TURBINE

1、径流式涡轮机的工作原理

  • 喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成,叶片之间形成渐缩通道。

  • 工作过程:内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速,压力、温度下降,速度大大增加,一部分排气能量转化为气流的动能,进入工作叶轮后继续膨胀,将动能及压力能转化为推动叶轮旋转的轴功。


涡轮工作参数采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

  • 涡轮机转速,nT

  • 涡轮机流量

    • 体积流量,m3/s

    • 质量流量qmT,kg/s

  • 膨胀比,πT

    • 涡轮机进口滞止压力p03与出口滞止压力p04之比

    • πT= p03/ p04≈ p3/ p0

  • 涡轮等熵效率,ηT


2 turbine efficiency
2采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响、涡轮机中的能量转换(TURBINE EFFICIENCY)

涡轮等熵效率:

涡轮机发出的功率为:


3 universal turbine map
3采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响、径流涡轮通用特性 (UNIVERSAL TURBINE MAP)

涡轮特性是指涡轮在不同工况下运行时,表征涡轮性能的各工作参数之间的变化关系。

  • 在一定转速下,随着流量的增加,涡轮机也存在一个堵塞流量。

    • 堵塞发生意味着在涡轮的内部某处气流速已达到当地音速。

    • 堵塞一般易发生在喷嘴出口截面。可采用可变喷嘴截面。

  • ηT随qmT变化呈抛物线形状,在设计工况点最大。此时,流动损失、撞击损失和余项损失最小。

折合转速

折合流量


Turbocharging system
排气涡轮增压系统简介采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响TURBOCHARGING SYSTEM

两种基本形式

定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统

发火顺序:1-5-3-6-2-4


定压增压采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内,然后再引入涡轮。由于排气管的稳压作用,涡轮入口处的压力基本不变,故称为定压增压。

特 点

涡轮在定压下全周进气,涡轮效率较高

气流引起的激振和冲击小,工作稳定

排气系统简单,成本较低,易于布置和维护

缺 点

脉冲能量的利用率较低,低速转矩特性加速性能差。

CONSTANT PRESSURE TURBOCHARGING SYSTEM

一、定压涡轮增压系统


Energy analysis

增加采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响pT,5-b-e-5减小,

能量利用率提高

涡轮对外做功=i-g-e’-f‘-i ×ηT

压气机耗功= i-g‘-a-0-i/(ηbηm)

增压器综合效率ηTb=ηTηbηm

定压涡轮增压系统:涡轮与压气机之间能量平衡困难

定压涡轮增压系统能量平衡 Energy Analysis

a-c-z’-z-b-a: 压缩、燃烧、膨胀获得的有用功

a-5-4-3-a: 泵气正功

2-3-a-0-2: 压缩进入气缸内空气所需能量

i-g’-3-2-i: 压缩扫气空气所需能量

压气机消耗的总能量为:i-g‘-a-0-i

1-b-f-1: 排气门开启时缸内燃气所具有的可用能

b点等熵膨胀到大气压力f所能做的最大功

实际上缸内燃气膨胀到pT(e点)才对涡轮做功 ,损失5-b-e-5,并加热排气,回收e-e’-f’-f-e

因此,涡轮取自燃气的能量为1-5-e‘-f’-1

排气涡轮的可用能包括:

1)扫气空气提供的能量i-g-4-2-i

2)活塞推出排气所做功2-4-5-1-2

3)取自燃气的能量为1-5-e‘-f’-1

总计:i-g-e’-f’-i


Pulse Turbocharging System采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

旨在提高在定压系统中损失能量(面积5-b-e-5)的利用率

二、脉冲涡轮增压系统

脉冲增压

排气管短而细,排气系统容积小,排气过程造成涡轮进口压力的周期性脉动。涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的,所以称为脉冲涡轮增压。

特 点

  • 排气系统容积小,涡轮是在进口压力脉动。

  • 节流损失减小,排气能量利用率提高。

  • 加速响应快

缺 点

  • 排气系统结构复杂,布置较困难。

  • 涡轮受冲击较大,对寿命有一定影响。


复习采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

  • 增压如何影响内燃机的动力性和经济性

  • 涡轮增压器的工作特性

    • 离心式压气机:工作过程、特征参数、工作特性

    • 径流式涡轮机:工作过程、特征参数、工作特性

  • 排气涡轮增压系统两种基本形式

    • 定压涡轮增压系统

    • 脉冲涡轮增压系统


三、定压增压与脉冲增压系统的比较采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

COMPARISON OF TURBO-SYSTEM

脉冲增压:排气节流损失小;

排气脉冲能量利用高:

增压比提高,两系统差距减小

脉冲增压扫气压力差(pb-pT)大

脉冲系统排气管容积小,对负荷改变响应快;

低转速时定压系统涡轮膨胀比减小,输入涡轮能量减小,低速扭矩较小

定压系统的涡轮前压力恒定,且涡轮喷嘴环全周期进气

脉冲系统的尺寸较大,排气管结构复杂

总之:低增压采用脉冲增压较好,高增压二者各有所长,

需综合考虑。


Scavenging performance
排气脉冲与发动机的扫气 采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响Scavenging Performance


涡轮增压器与发动机的匹配采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响Engine & Turbo Matching

内燃机与涡轮增压器之间通过气动联系,要使增压发动机有良好的性能,就必须使涡轮与压气机的联合运行工作特性在宽广的范围内与内燃机的有良好的配合,彼此适应,即涡轮增压器与发动机的“匹配”

  • 匹配要求:

  • 发动机达到预定指标

  • 增压器可靠工作,无堵塞和喘振、超速

  • 高效率,联合运行线要穿过压气机的高效区

  • 变工况无异常(如增压器超速、排温过高)

  • 存在问题:

  • 内燃机与增压器的运行特性不同:内燃机变工况,流量范围大;增压器,喘振、堵塞,流量范围窄。

  • 变工况:增压器损失增大,效率降低


  • 匹配计基于采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响涡轮与压气机的联合运行条件

一、内燃机与涡轮增压器的匹配计算(了解)

  • 涡轮增压器自由平衡运转时应满足的条件

    1.涡轮机和压气机同轴安装:转速相等nT=nb。

    2.扣除机械效率,涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等:能量平衡Pb=ηmPT。

    3.通过压气机和涡轮机的气体质量流量有如下关系:

  • 推导建立定压涡轮增压器的基本方程

  • 利用已知特性参数进行匹配计算

质量平衡(无放气)


Operating Point on a Compressor Map采用相似参数绘制的特性曲线。不受环境条件变化的影响

3.8

Rated

Speed

3.6

3.4

3.2

3.0

2.8

Pressure Ratio

2.6

2.4

Estimate of Operation

Pe= x

be= y

Air/Fuel = z

Fuel = x * y

Air = Fuel * z

qmbnp = Air * sqrt(Tin)/Pin

πb, qmbnp=> Operating Point

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0

25

50

75

100

125

150

175

200

Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]

于是,在压气机特性图上可找出发动机所有运行点,以便判断是否匹配


二、柴油机与涡轮增压器联合运行特性的调整

  • 要求:

  • 1、运行在高效区

  • 2、不能穿越喘振线

  • 调整方法

  • 1、发动机参数改变

  • 2、增压器改变,如

  • 喷嘴环截面积

  • 压气机扩压器叶片安装角

1—nmin 2— nmax 3—外特性 4—螺旋桨特性线

5—喘振边界 6—最高转速线 7—最高排温线 8—最低效率线


二、柴油机与涡轮增压器联合运行特性的调整

流量范围的选择(链接):通常是指从喘振线至某一效率等值线或堵塞线所包括的区域。

联合运行线的调整(链接):调整涡轮增压器的某些结构参数,如增大涡轮喷嘴环出口截面积等,将发动机的联合运行线向右移动,使其离开喘振线而进入正常的工作区域。

喘振线位置的调整:采用改变叶片扩压器喉口面积的办法来控制喘振线的左右移动。

压气机堵塞的控制:适当增大叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积,可以提高压气机的堵塞流量。

涡轮增压器超速和增压压力的调整:采用增大涡轮喷嘴面积的方法,减小涡轮前的排气能量,可克服增压器的超速问题。

可变几何参数涡轮和旁通放气阀(链接)

(Variable Geometry Turbocharger,缩写VGT或Variable Nozzle Turbocharger,缩写VNT)


流量范围的选择

Compressor Map Too "Small"

Rated

Speed

Peak Torque

Speed

Pressure Ratio

1.0

0

Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]


流量范围的选择

Compressor Map Too "Large"

Rated

Speed

Peak Torque

Speed

Pressure Ratio

1.0

0

Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]


Breathing Lines on a Compressor Map

Excess

Rotor

Speed

Peak Torque

Speed

Rated

Speed

Surge

Pressure Ratio

Heart

Choke

1.0

0

Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]

流量范围的选择


联合运行线的调整

调整涡轮增压器的某些结构参数,如增大涡轮喷嘴环出口截面积等,将发动机的联合运行线向右下移动,使其离开喘振线而进入正常的工作区域。

增大涡轮喷嘴环出口截面积


FG (Fixed Geometry)

WG (Wastegate)

VGT (Variable Geometry Turbocharger)

Engine Speed

可变几何参数涡轮和旁通放气阀

  • 大尺寸涡轮机在发动机高速工况下可以有很好表现,但不能满足发动机低速性能。

  • 小尺寸涡轮在低速工况下有很好表现,但在高速工况下会导致增压压力及压气机转速过高。


FG (Fixed Geometry)

WG (Wastegate)

VG (Variable Geometry)

增压比

空气流量

  • 采用放气阀调节的涡轮增压柴油机把匹配点选在最大扭矩点附近, 优先满足最大扭矩所需的供气量。随着柴油机转速的增加,涡轮的燃气流量和膨胀比也提高, 使涡轮的做功能力增强, 增压器的转速和增压压力也提高。为了防止增压器超速运转和控制增压压力, 在增压压力的作用下, 推开放气阀, 放掉一部分废气, 使柴油机能够正常工作

  • VGT 的设计点选在标定点。随着柴油机转速的下降, 喷嘴环截面被关小, 使增压器转速和压气机出口压力提高, 柴油机低速性能的改善。


Vnt or vgt
可变喷嘴环增压器( VNT or VGT)

各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上,再经传动杆3与喷嘴控制盘4相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。

通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮流通截面。

  • 低速时,喷嘴角度小,流通截面小;高速时喷嘴角度大,流通截面能保证涡轮从废气中获取足够能量达到压气机的需求。


可变喷嘴环增压器特性

  • 左图中①~④是喷嘴环角度依次减小的情况。随着内燃机转速下降,压气机的增压压力不但没有下降,反而提升到高转速水平,从而保证增压内燃机的低速性能。

  • 可调喷嘴环用于增压器与内燃机的高速匹配。通过可调喷嘴环改善低速性能。


旁通放气阀

Boost pressure control


Engine retrofit for boosting
三、内燃机的增压改造 Engine Retrofit for Boosting

应适当降低压缩比,以降低pz

  • 压缩比

  • 过量空气系数

  • 供油系统

  • 配气相位

  • 进排气系统

  • 增压空气冷却

为降低热负荷和改善经济性,可适当加大过量空气系数。

为了适应增压后功率增大的要求,需要增加每循环的供油量;滞燃期缩短,适当减小喷油提前角

应合理地加大配气系统的气门叠开角,以增加气缸扫气,降低热负荷

脉冲系统,排气不互相干扰;

增压内燃机进气系统容积尽可能大,减少进气压力脉动

增加进气密度;

降低压缩始点温度及整个循环平均温度


Gasoline engine turbocharging
汽油机的增压技术 Gasoline Engine Turbocharging

  • 爆燃控制:降低压缩比、推迟点火时刻、进气中冷、缸内直喷等技术。

  • 热负荷:采用涡轮前放气的调节方案,来抑制发动机高速高负荷时增压压力的过度增长。

  • 增压器:增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小,同时效率也要保证在一定的范围内,还要求有增压调节装置。


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