增壓系統(tǒng)熱力參數(shù)及其調(diào)節(jié)2.1排氣能量的利用

2.1.1排氣最大可用能壓氣機

1－2壓氣機進氣

2－a壓氣機絕熱壓縮

a－3壓氣機排氣

1－2－a－3－1壓氣機耗功8－2－a－6－8進入發(fā)動機氣缸并留在氣缸內(nèi)的空氣壓縮耗功1－8－6－3－1掃氣空氣的壓縮功Es：掃氣空氣所具有的能量Es’：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量Es’’：5－7－6－3－5，掃氣空氣節(jié)流損失柴油機

3－a柴油機進氣a－c柴油機絕熱c－z柴油機等容燃燒z－z’柴油機等壓燃燒z’－b柴油機絕熱膨脹b－4柴油機等容排氣4－5柴油機等壓排氣

柴油機指示功Wia－c－z－z’－b－a柴油機缸內(nèi)氣體膨脹功6－7－4－a－6柴油機泵吸正功b－9－K’－b柴油機排氣門打開時排氣等熵膨脹至大氣壓力pa時所能作的功(Eb)b－4－T’－b排氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣歧管中自由膨脹所損失的能量，E14－9－K’－T’－4排氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量，ET渦輪

5－4－T’渦輪進氣T’－K’渦輪絕熱膨脹K’－2－1渦輪排氣

1－K－T－5－1：渦輪排氣總能量E21－8－7－5－1：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量Es’8－9－4－7－8：活塞推出排氣使排氣增加的能量Ec4－9－K’－T’－4：排氣在渦輪中的膨脹功，ETT’－K’－K－T－T’：E1中的一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗訜崤艢馐蛊湓黾拥哪芰縀q排氣的最大可用能E由三部分組成：排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力所作的功Eb活塞推出排氣，排氣得到的能量Ec掃氣空氣所具有的能量Es

2.能量傳遞中的損失及減少措施

總能量損失△E：△E=△Ev+△EC+△ED+△EM+△EF+△Eh△Ev---流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失；△EC---流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；△ED---管道面積突擴時的流動損失；△EM---不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失；△EF---由于氣體的粘性而形成的摩擦損失；△Eh---氣流向外界散熱所形成的能量損失。(1)△Ev：流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失約占總損失的60％～70％

①在設(shè)計中，使排氣門開啟后的通流面積盡可能大。②排氣門開啟速度盡可能快。③排氣管容積不應(yīng)太大，排氣管要細而短。減少△Ev的措施：(2)△EC：流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失

減少措施：光順管道、減少縮口。圖2-2排氣管內(nèi)的壓力變化(3)△ED：管道面積突擴時的流動損失減少措施：避免突擴。

（4）

△EM：

不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失減少措施：避免氣流撞擊。歧管用順著氣流的斜向接頭，不用T形接頭/十字接頭。（5）△EF：摩擦損失

減少措施：光滑管壁，減少摩擦。（6）△Eh：向外界散熱形成的損失減少措施：隔熱能量傳遞效率：式中，ET－渦輪進口處氣體的可用能量；

Ec－排氣門前氣體的可用能量。

2.1.3排氣能量利用方式定壓增壓系統(tǒng):

不利用脈沖能量E1，排氣管較大，部分脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能Eq，渦輪前排溫高。能量回收率：式中：－渦輪出口壓力，－渦輪入口壓力，－渦輪中氣體的等熵指數(shù).定壓增壓系統(tǒng)優(yōu)點：

1）可采用渦輪全進氣，壓力波動小，渦輪效率高。2）多缸時，排氣管結(jié)構(gòu)簡單。3）渦輪增壓器布置較自由。4）不會由于壓力波的干擾而使柴油機的轉(zhuǎn)速上限受到限。5）對低增壓相同功率的柴油機而言，渦輪通流面積較脈沖的小，可用小一號渦輪增壓器。定壓增壓系統(tǒng)缺點：

1）加速性較差，低負荷性能較差。2）掃氣空氣量較脈沖的少。3）部分負荷時，有時掃氣倒流，弄污進氣系統(tǒng)及增壓器。4）在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩時，增壓壓力下降較大。5）在缸數(shù)少時，顯得排氣管容積過大。定壓增壓系統(tǒng)應(yīng)用：

高增壓而大部分時間在高負荷運轉(zhuǎn)的柴油機。如發(fā)電機組、氣缸數(shù)為7缸、14缸的柴油機等。脈沖增壓系統(tǒng):

利用脈沖能量E1，排氣管容積小，壓力有波動。E1實際利用40～50%.脈沖能量利用系數(shù)：脈沖增壓系統(tǒng)中利用的脈沖能量占總能量中的份數(shù)。利用E1的50％時脈沖增壓系統(tǒng)優(yōu)點：

1）排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好。2）掃氣易于組織。3）加速性能較好。脈沖增壓系統(tǒng)缺點:

l）增壓壓力高時，排氣門節(jié)流損失大。2）排氣管太長時，反射壓力波對掃氣會產(chǎn)生干擾。3）同樣功率的柴油機，常常要大一號的增壓器，成本較高。4）缸數(shù)多時，排氣管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

脈沖增壓系統(tǒng)應(yīng)用:

用于車用、船用等變速、變負荷運行較多的場合。2.1.4影響脈沖能量利用的因素（1）排氣門開啟定時：排氣門開啟時相對瞬時壓力系數(shù)pc－缸內(nèi)瞬時壓力pa－渦輪背壓（2）排氣門通流面積氣缸排空速率－流量系數(shù)；－排氣門最大有效流通面積；－排氣門開啟時的氣流音速；－一個氣缸的工作容積。四沖程柴油機一般不小于12

（3）排氣門開啟規(guī)律排氣門開啟規(guī)律影響系數(shù)排氣門瞬時開啟面積排氣門最大開啟面積（4）排氣管通流面積排氣管截面積影響系數(shù)

排氣管通流面積排氣管最大有效通流截面積中、低增壓柴油機，

＝1.1～1.3高增壓柴油機，＝1左右(5)排氣管長度排氣管內(nèi)壓力波形狀的主要影響因素：

1）排氣管長度；

2）渦輪通流面積和排氣管通流面積之比；

3）排氣門開啟瞬時通流面積和排氣管通流面積之比。排氣管長度影響系數(shù)

一般(6)渦輪通流面積渦輪通流特性系數(shù)

渦輪當量通流面積；－排氣管中一個循環(huán)的氣體平均聲速一般10～122.1.5脈沖增壓排氣管方案設(shè)計1.排氣管分歧一般增壓柴油機排氣門開啟持續(xù)角為240～320℃A，一根四沖程柴油機的排氣管最多聯(lián)接三個氣缸。圖2-5四沖程柴油機排氣管分歧圖例2.排氣管設(shè)計

定壓增壓排氣管

排氣管容積較大，一般為發(fā)動機總氣缸容積的兩倍左右。排氣在排氣管中平均流速不超過50m/s排氣壓力穩(wěn)定排氣管截面積

的確定

i為排氣管所連的氣缸數(shù)。為排氣管中的排氣密度；為發(fā)動機排氣的質(zhì)量流量；脈沖增壓排氣管分歧排氣歧管容積的確定：排氣歧管的容積一個氣缸工作容積經(jīng)驗公式式中，－排氣門最大開啟面積；dr－排氣歧管直徑；D－氣缸直徑。3.脈沖轉(zhuǎn)換器

優(yōu)點：兼顧了脈沖增壓和定壓增壓的優(yōu)點，對于能量傳遞來講，接近于脈沖系統(tǒng)；對于渦輪效率而言，接近于定壓系統(tǒng)。燃燒室掃氣量大，柴油機低工況性能改善，流通面積可以減小，葉片振動應(yīng)力降低等。應(yīng)用：對4、8、16缸機，脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)于脈沖增壓系統(tǒng)。4．多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

優(yōu)點：（1）排氣能量傳遞效率高；（2）渦輪前參數(shù)穩(wěn)定，渦輪效率高；（3）柴油機掃氣過程能順利進行，泵氣功損失?。唬?）在寬廣的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持較高的排氣能量傳遞效率，使柴油機油耗率be曲線變化平坦；（5）加速性能好。缺點：排氣管結(jié)構(gòu)仍比定壓系統(tǒng)復(fù)雜，且布置不便。5.MSEM（ModularSingleExhaustManifold）系統(tǒng)內(nèi)燃機廢氣溫度四沖程柴油機：500～650oC

汽油機：600～800oC排氣熱焓值較大2.2增壓對柴油機工作過程主要參數(shù)的影響2.2.1增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系?如何有效利用熱焓排氣門早開→廢氣熱焓大→增壓壓力高→發(fā)動機功率增加多；指示功減少合理設(shè)計排氣管→有效合理利用廢氣能量，尤其是脈沖能量；排氣管復(fù)雜提高渦輪增壓器效率→有效合理利用廢氣能量減少膨脹功的損失：中、低增壓系統(tǒng)中，損失較?。桓咴鰤合到y(tǒng)，剩余膨脹功可通過齒輪傳遞到曲軸。增壓帶來參數(shù)的變化

↑，充量↑↑，充量↓中增壓以上的系統(tǒng)必須采用中冷↑，→

↑機械負荷↑（為了可靠，往往需降低壓縮比）↑，→排溫↑熱負荷↑（機油溫度、冷卻水溫度↑）相對壓縮始壓四沖程增壓柴油機，一般＝0.85～1.1。2.2.2對機械應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響壓縮始壓升高，會給最高爆發(fā)壓力帶來影響

2.2.3對熱應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響1.進氣溫度

無中冷器時，發(fā)動機進氣溫度為壓氣機出口溫度

－大氣溫度（K）；－壓氣機絕熱壓縮功（kJ）；－定壓比熱，kJ／（kg·K）；－壓氣機絕熱效率。2.缸內(nèi)壓縮始溫－殘余排氣溫度

－殘余排氣系數(shù)

－新鮮充量進入氣缸后的溫升增壓四沖程機：非增壓四沖程機：四沖程汽油機：3.缸內(nèi)壓縮終溫

4.其余溫度內(nèi)燃機各特征點溫度均升高，熱負荷增大。2.2.4、對動力性有關(guān)參數(shù)的影響

增壓后進氣密度2.進氣量

在工作容積不變的情況下：3.動力性

例：高速四沖程增壓柴油機＝1.4～2.5＝1.0～1.4MPa＝2.5～3.4＝1.4～2.0MPa2.2.5增壓對柴油機經(jīng)濟性的影響1．掃氣系數(shù)增壓后一般增壓四沖程柴油機2．充量系數(shù)增壓后例如：非增壓高速四沖程機增壓高速四沖程機（有掃氣時）↑3．殘余廢氣系數(shù)在有掃氣的情況下，增壓機的殘余廢氣系數(shù)↓例如：非增壓柴油機＝3％～6％；＝0～2％

增壓柴油機4．過量空氣系數(shù)增壓柴油機對過量空氣系數(shù)的要求為：為了降低熱負荷及照顧低工況性能，一般要求較非增壓機大10％～30％

如：非增壓高速四沖程柴油機直噴式燃燒室：

＝1.6～1.9分隔式燃燒室增壓高速四沖程柴油機直噴式燃燒室：＝1.3～1.6＝1.7～2.2分隔式燃燒室＝1.4～1.65．指示熱效率1）以凈化排氣為主要目的的增壓系統(tǒng)：增壓后循環(huán)供油量不變，過量空氣系數(shù)增大，燃燒更完善，2）以增加動力為主要目的的增壓系統(tǒng)：增壓后循環(huán)供油量↑，若供油速率不變，則供油時間拉長，后燃現(xiàn)象加重，排溫↑，熱損失↑，↓。3）以增加動力為主要目的，但是在增壓后循環(huán)供油量增加的同時，調(diào)整供油規(guī)律，更加完善燃燒過程，則↑?！?，NOx↓，↑。6．機械效率

7.燃油消耗率↑↓

↑

2.3增壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的確定增壓壓力空氣流量燃氣流量渦輪進口壓力渦輪進口溫度壓氣機效率渦輪效率

JTK方法2.3.1確定參數(shù)的總體依據(jù)空氣流量:保證所噴入氣缸中的柴油完善燃燒、柴油機熱負荷適中。渦輪前的排氣溫度:反映出柴油機的熱負荷。參考數(shù)據(jù)：

確定增壓參數(shù)的合理順序：

2.根據(jù)－空氣流量3.根據(jù)柴油機的通流特性－增壓壓力4.根據(jù)渦輪增壓器的總效率－渦輪前的平均排氣壓力5.確定渦輪的通流面積

考慮柴油機可靠性及壽命（熱負荷）－渦輪前的排氣溫度2.3.2確定空氣流量

－渦輪前的熱量利用系數(shù)

為氣體在氣缸、氣缸蓋中及排氣管中散失熱量的份數(shù)

四沖程增壓柴油機二沖程直流掃氣十字頭式增壓柴油機

－活塞平均速度

－進氣管參數(shù)

－總的過量空氣系數(shù)

－為化學計量空燃比

－柴油機進氣管內(nèi)空氣在熱力學溫度時的摩爾定壓熱容－理論分子變更系數(shù)

－渦輪進口處燃氣平均溫度為時的摩爾定壓熱容

－柴油低熱值

－設(shè)計柴油機時預(yù)計的指標值

－機械效率四沖程機二沖程機

有中冷器時中、高速四沖程及二沖程柴油機：低速二沖程柴油機無中冷器時－柴油機進氣管內(nèi)的空氣溫度。

2.3.3增壓壓力

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估算通過單缸機試驗獲得參照其他類似機型一般＝1～1.2MPa

2.3.4渦輪前排氣平均壓力與渦輪當且噴嘴面積的估算定壓增壓系統(tǒng)和單排氣總管系統(tǒng)－絕熱指數(shù)

2.3.5渦輪當量通流面積－流量系數(shù)，的關(guān)系式或曲線一般由渦輪增壓器廠提供或參照相似渦輪。

2.3.6增壓系統(tǒng)主要參數(shù)估算實例計算12V240Z渦輪增壓中冷柴油機渦輪增壓器參數(shù)。

（1）已知條件及要求指標

＝2205kW＝1100r/min＝0.24m＝0.26m=1.69MPa=9.53m/s=0.205kg/（kW·h）=560℃

標定功率標定轉(zhuǎn)速缸徑行程平均有效壓力活塞平均速度有效油耗率渦輪前排氣溫度

（2）柴油機熱力參數(shù)選擇

＝0.10lMPa=303K=0.105MPa=335K=l.00=1.14=0.56大氣壓力大氣溫度渦輪后背壓中冷器后空氣溫度氣缸充量系數(shù)渦輪增壓器效率

（3）渦輪增壓器主要性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)估算初步選定一個進氣管中氣體壓力與前面的初選值相近，不再重算；否則，重新選，重算。

選用2臺渦輪增壓器每臺流量（或由）每臺渦輪燃氣流量由經(jīng)驗選定2.4柴油機與渦輪增壓器的匹配2.4.1聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié)1.聯(lián)合運行線2、調(diào)節(jié)聯(lián)合運行線的基本要求1）在標定工況下，須達到預(yù)期的增壓壓力及空氣流量，有足夠的燃燒過量空氣系數(shù)，使燃燒完善，燃油消耗率滿足要求；渦輪前排氣溫度不超過預(yù)定值，以保證氣缸熱負荷不致過高；增壓壓力不能過高，以免最大爆發(fā)壓力超過允許值，使機械負荷太大；渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速必須低于允許值，以保證渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的強度符合安全可靠的要求；在標定工況時，希望渦輪增壓器的總效率要高，掃氣系數(shù)能具有適當?shù)拇笮　?）在低工況時，也必須保證有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求。3）要求在整個運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振與阻塞。調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)出口面積的大小

↓，柴油機排氣阻力↑，柴油機使用特性線向小流量方向移動，移向喘振線和高效區(qū)。

3、聯(lián)合運行線的調(diào)節(jié)（2）改變壓氣機擴壓器的進口角

2.4.2降低熱負荷的調(diào)節(jié)1.增壓柴油機的熱負荷問題柴油機進氣溫度↑

熱負荷↑氣缸蓋“鼻梁區(qū)”斷裂、燃燒室鑲塊燒結(jié)、活塞環(huán)燒結(jié)、卡死、活塞燒裂等；渦輪會發(fā)生葉片變形、密封環(huán)燒結(jié)等。

增壓以后壓縮始溫↑柴油機工作循環(huán)各特征點溫度↑2、熱負荷的一種表達式?jīng)]有與掃氣空氣混合時的排氣溫度T。―壓縮始溫－壓力升高比

－預(yù)膨脹比

B－