第四章柴油机的换气与增压
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• 一、废气涡轮增压器的构造
• 涡轮机——废气涡轮：轴流式、径流式 • 压气机——离心式压气机：低、中、高、超高
• 废气涡轮增压器实例：
• 涡轮机：喷嘴环、工作叶轮 • 压气机：导风轮、工作叶轮、扩压器、蜗壳 • 转子与转子轴：止推轴承 • 密封与润滑、冷却装置：平衡室
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 1、换气过程
• 1）自由排气阶段 • 2）扫气阶段 • 3）过后排气阶段
• 2、特点
• 1）时间短； • 2）掺混严重；
§4-1 柴油机的换气过程
•三、二冲程柴油机的换气形式
•1、弯流扫气 • 1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线
的两侧。
• 2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同
一侧且排气口在扫气口上方。
• 二、废气涡轮增压器的工作原理
• 1、离心式压气机的基本工作原理
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 2、单级式涡轮机的工作原理
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 三、离心式压气机的工作特性及喘振
机理
• （一）离心式压气机的工作特性 • 1、压气机的主要参数 • 1）空气流量Gk
• 2）增压比πk • 3）压气机转速nk • 4）压气机绝热效率ηk
变形。
• 4）阀杆和阀头断裂：撞击、热应力过大。 • 5）气阀弹簧断裂：共振、材料缺陷。 • 6）阀壳裂纹：安装应力。
§4-2 换气机构
• 2、气阀间隙检查与调整： • 气阀关闭（滚轮在基圆上） • 3、气阀定时的检查与调整： • 气阀间隙正确或为零 • 4、气阀与阀座的修铰与研磨
§4-3 废气涡轮增压
§4-2 换气机构
• 换气机构——保证柴油机按规定顺序和时刻完
成柴油机的进、排气过程的机构。
• 型式： 气阀式换气机构
•
气口式换气机构
•
气口－气阀式换气机构
• 气阀式换气机构：
•
气阀机构
•
气阀传动机构
•
凸轮及凸轮轴
§4-2 换气机构
•一、气阀机构
•1、型式
•带阀壳式
不带阀壳式
•2、组成
• （阀壳）、气阀、
•阀座、导管、气阀
•弹簧、弹簧衬盘、
•卡块、卡簧和转阀
•机构。
§4-2 换气机构
• 阀面锥角——气阀锥面与底面的夹角。锥角大，对中好，
密封好，但磨损严重；反之亦反。
• 阀线——气阀阀盘与阀座相接触的很窄的一圈接触线。
阀线宽度应适当，过窄则密封虽好，但磨损严重，连续且位
置正确。连续、宽度、位置。
§4-2 换气机构
•气阀旋转机构
• 旋转帽式旋阀器 • 推进器式旋阀器
§4-2 换气机构
•二、气阀传动机构
•1、型式
• 机械式和液压式
•2、机械式传动机构
• 组成：顶头、顶杆和摇臂 • 气阀间隙——柴油机冷态下，
气阀关闭时阀杆顶端与摇臂之间的 间隙。目的是留有气阀受热膨胀空 间。
• 间隙↓→早开迟关，关闭不严
§4-2 换气机构
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（三）增压器与柴油机的
配合
• 标定工况、低负荷工况、全
工况。
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（四）产生增压器喘振的几种工
况
• 1、气道阻塞 • 2、环境温度过高 • 3、突增或突卸负荷 • 4、主机超负荷运转 • 5、脉冲增压柴油机一缸熄火
或各缸负荷严重不均
•3、液压式传动机构
• 开阀靠油压，关阀靠空气弹
簧
•实船
§4-2 换气机构
• 三、凸轮轴及传动机构
• 1、凸轮轴 • 2、凸轮轴的传动机构
• 1）齿轮传动机构 • 2）链传动机构
§4-2 换气机构
• 四、换气机构的常见故障和管理
• 1、气阀机构的常见故障
• 1）阀面与阀座的磨损和腐蚀：撞击、高温腐蚀。 • 2）阀面与阀座的烧损：密封不好串气。 • 3）阀杆卡紧：气阀导管间隙过大、过小；对中、
• 6、气阀关闭不严
§4-5 增压系统的维护和管理
• 一、增压系统的维护管理 • 二、增压系统的故障与应急处理
• 1、轴承烧损：润滑质量 • 2、增压器强烈振动：动平衡、碰擦、轴承
损坏
• 3、增压压力下降：
• 转速下降：废气能量不足 • 转速不变：进气道阻塞、漏气
§4-5 增压系统的维护和管理
•三、废气涡轮增压器检查与调校 •1、惰转性能检查 •2、K值检查与调整 • K值——转子轴前端面与内蜗壳
§4-1 柴油机的换气过程
• 一、四冲程柴油机的换气过程
§4-1 柴油机的换气过程
•1、排气过程
• 自由排气——压差 • 强制排气——推动功 • 过后排气——惯性
•2、进气过程
• 准备进气阶段——创造压差、开度条件 • 主要进气阶段——压差 • 补充进气阶段——惯性
• 循环进气量对应于气缸工作容积Vs
增压的两种基本型式及其特点，增压器的结 构特点。
• 四、增压器的通流特性与压气机的喘振的
谢谢各位的聆听
第四章柴油机的换气与增压
§4-1 柴油机的换气过程
• 换气过程——每完成一个工作循环，把废气排
出气缸，并把新鲜空气吸入气缸的工质更换的过程。
• 要求：①排气——干净——进气多
•
②进气——多——烧的油多、作功能力大；
燃烧完全，经济性好，排放性好；热负荷低。
•
③空气消耗量小，耗功少。
• 每循环的最大供油量，完全取决于各 循环的充气量。
§4-1 柴油机的换气过程
•3、 气阀重叠和燃烧室扫气
• 气阀重叠角——进排气上止点前后，进排气阀同时开
启的现象。排气滞后角与进气提前角之和。
• 扫气作用： 1）使排气更干净；
•
2）降低热负荷。
• 重叠角高速机大于低速机，增压机大于非增压机。
§4-1 柴油机的换气过程
•二、二冲程柴油机的换气
过程
• 2、压气机的通流特性与特性曲线
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（二）压气机的喘振 • 喘振——在某一转速下，当压气机流量下降到一定
程度时，压气机工作开始不稳定，排出压力波动，并伴 随强烈振动和噪音的现象。
• 喘振的机理：低流量、高背压
工 作 叶 轮
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
带 叶 片 式 扩 压 器
前端面的轴向距离。
• K↑→L↑、M↓ • K↓→L↓、M↑
§4-5 增压系统的维护和管理
• K值的调整
第四章 小结
• 一、柴油机换气过程、要求和评定参数及
其影响换气过程的主要因素。
• 二、气阀式换气机构的组成与结构特点，
气阀重叠角、气阀锥角、阀线、气阀间隙的 概念与意义。
• 三、增压的目的，废气能量分析、柴油机
• 中冷——增压器与柴油机进气管之间对增压空气进行冷
却，降低温度，提高空气目的的方法。
•2、增压方式
• 机械增压 • 废气涡轮增压 • 复合增压
§4-3 废气涡轮增压
•二、废气能量分析
• 废气能量E= •脉冲能E1 +定压能E2 • E= E1 + E2
§4-3 废气涡轮增压
• 三、废气涡轮增压的两种基本形式
• 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。
• 特点：扫气流动路线长（2S）、新气与废气易
掺混、死角、气流短路，换气质量差；气缸下部受
§4-1 柴油机的换气过程
•2、直流扫气
• 气口－气阀式、气口－气口式
• 特点：气流流动路线短、不易掺混，质量好；气缸下部
受热均匀；机构复杂，管理不便；易于长行程（S/D＞2.5） 和超长行程（S/D＞3）柴油机。
缸的新鲜空气量之比。
•2、充量系数
•γr=Gr/G0
•——每以循环进入气缸的实际充气量与在进气状态下 充满气缸工作容积的理论空气量之比。
•ηV=G0/Gs＜1 V1 1T Ta 0(p pa 0p p0 r)
§4-1 柴油机的换气过程
•3、影响充量系数（换气质量）的因素
•1）进排气道流动阻力的影响 •2）柴油机转速的影响 • n↑→流速↑→流动阻力↑→pa↓，pr↑→ Φc↓ • n↑→时面值↓ →G ↓ •3）柴油机负荷的影响 • Pe↑→气缸温度上升→Ta↑→ Φc↓ •4）气阀间隙的影响——时面值 •5）气阀定时的影响——时面值、工作紊乱
§4-1 柴油机的换气过程
•4、扫气效率、扫气系数和给气比 • 扫气效率ηs——换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量
与气缸内总气量之比。
• 扫气系数Φs——在一个循环中通过扫气口的全部扫气
空气量与换气过程结束后留在气缸内的新鲜空气量之比。
• 给气比β——每循环通过扫气口的新鲜空气量与在进气
状态下充满气缸工作容积的理论空气量之比。
• 1、定压增压
2、脉冲增压
§4-3 废气涡轮增压
• 3、两种增压方式比较
定压增压
脉冲增压
废气能量利用 涡轮机效率
E2+E’1 高
E2+E1 低
增压系统布置 排气管大，简单 排气管小，分支
管理上的要求 涡轮机叶片易损坏 涡轮机叶片不易损坏
加速性和低负荷 性能
差
好
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
??vvgg00ggss111tv????进气状态下下?1000pppptraa???4411柴油机的换气过程柴油机的换气过程??33影响充量系数换气质量的因素影响充量系数换气质量的因素??11进排气道流动阻力的影响进排气道流动阻力的影响??22柴油机转速的影响柴油机转速的影响机转机转??nn流速流速流动阻力流动阻力??nn时面值时面值gg??33柴油机负荷的影响柴油机负荷的影响??ppee气缸温度上升气缸温度上升??44气阀间隙的影响气阀间隙的影响时面值??55气阀定时的影响气阀定时的影响时面值工作紊乱ppaapprrccttaa时面值时面值工作紊乱cc4411柴油机的换气过程柴油机的换气过程??44扫气效率扫气系数和给气比扫气效率扫气系数和给气比??扫气效率扫气效率ss换气过程结束后气缸内的新鲜空气换气过程结束后气缸内的新鲜空气量与气缸内总气量之比
• 柴油机的气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控
制气流方向。
§4-1 柴油机的换气过程
•四、时面图和时面值 • 设通路流通面积为，则在时间微元内，流
过通路的气体数量为：
G •d G=fωdfdtt
f dt—时面值
§4-1 柴油机的换气过程
•五、评定换气过程质量的参数
•1、残余废气系数
• ——换气过程结束时，气缸内残存的废气量与充入气
•一、柴油机增压概述
•1、柴油机增压的目的 •Pe∝iD2smnpe
C1 1T Ta 0(p pa 0p p0 r)
• 柴油机的增压：通过提高进气压力，来增大循
环充气量，以使更多燃油能充分燃烧，提高平均指 示压力和平均有效压力，进而提高Байду номын сангаас油机功率的一 种方法。
§4-3 废气涡轮增压
• 增压度——增压后与增压前柴油机功率之比。
• 涡轮机——废气涡轮：轴流式、径流式 • 压气机——离心式压气机：低、中、高、超高
• 废气涡轮增压器实例：
• 涡轮机：喷嘴环、工作叶轮 • 压气机：导风轮、工作叶轮、扩压器、蜗壳 • 转子与转子轴：止推轴承 • 密封与润滑、冷却装置：平衡室
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 1、换气过程
• 1）自由排气阶段 • 2）扫气阶段 • 3）过后排气阶段
• 2、特点
• 1）时间短； • 2）掺混严重；
§4-1 柴油机的换气过程
•三、二冲程柴油机的换气形式
•1、弯流扫气 • 1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线
的两侧。
• 2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同
一侧且排气口在扫气口上方。
• 二、废气涡轮增压器的工作原理
• 1、离心式压气机的基本工作原理
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 2、单级式涡轮机的工作原理
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
• 三、离心式压气机的工作特性及喘振
机理
• （一）离心式压气机的工作特性 • 1、压气机的主要参数 • 1）空气流量Gk
• 2）增压比πk • 3）压气机转速nk • 4）压气机绝热效率ηk
变形。
• 4）阀杆和阀头断裂：撞击、热应力过大。 • 5）气阀弹簧断裂：共振、材料缺陷。 • 6）阀壳裂纹：安装应力。
§4-2 换气机构
• 2、气阀间隙检查与调整： • 气阀关闭（滚轮在基圆上） • 3、气阀定时的检查与调整： • 气阀间隙正确或为零 • 4、气阀与阀座的修铰与研磨
§4-3 废气涡轮增压
§4-2 换气机构
• 换气机构——保证柴油机按规定顺序和时刻完
成柴油机的进、排气过程的机构。
• 型式： 气阀式换气机构
•
气口式换气机构
•
气口－气阀式换气机构
• 气阀式换气机构：
•
气阀机构
•
气阀传动机构
•
凸轮及凸轮轴
§4-2 换气机构
•一、气阀机构
•1、型式
•带阀壳式
不带阀壳式
•2、组成
• （阀壳）、气阀、
•阀座、导管、气阀
•弹簧、弹簧衬盘、
•卡块、卡簧和转阀
•机构。
§4-2 换气机构
• 阀面锥角——气阀锥面与底面的夹角。锥角大，对中好，
密封好，但磨损严重；反之亦反。
• 阀线——气阀阀盘与阀座相接触的很窄的一圈接触线。
阀线宽度应适当，过窄则密封虽好，但磨损严重，连续且位
置正确。连续、宽度、位置。
§4-2 换气机构
•气阀旋转机构
• 旋转帽式旋阀器 • 推进器式旋阀器
§4-2 换气机构
•二、气阀传动机构
•1、型式
• 机械式和液压式
•2、机械式传动机构
• 组成：顶头、顶杆和摇臂 • 气阀间隙——柴油机冷态下，
气阀关闭时阀杆顶端与摇臂之间的 间隙。目的是留有气阀受热膨胀空 间。
• 间隙↓→早开迟关，关闭不严
§4-2 换气机构
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（三）增压器与柴油机的
配合
• 标定工况、低负荷工况、全
工况。
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（四）产生增压器喘振的几种工
况
• 1、气道阻塞 • 2、环境温度过高 • 3、突增或突卸负荷 • 4、主机超负荷运转 • 5、脉冲增压柴油机一缸熄火
或各缸负荷严重不均
•3、液压式传动机构
• 开阀靠油压，关阀靠空气弹
簧
•实船
§4-2 换气机构
• 三、凸轮轴及传动机构
• 1、凸轮轴 • 2、凸轮轴的传动机构
• 1）齿轮传动机构 • 2）链传动机构
§4-2 换气机构
• 四、换气机构的常见故障和管理
• 1、气阀机构的常见故障
• 1）阀面与阀座的磨损和腐蚀：撞击、高温腐蚀。 • 2）阀面与阀座的烧损：密封不好串气。 • 3）阀杆卡紧：气阀导管间隙过大、过小；对中、
• 6、气阀关闭不严
§4-5 增压系统的维护和管理
• 一、增压系统的维护管理 • 二、增压系统的故障与应急处理
• 1、轴承烧损：润滑质量 • 2、增压器强烈振动：动平衡、碰擦、轴承
损坏
• 3、增压压力下降：
• 转速下降：废气能量不足 • 转速不变：进气道阻塞、漏气
§4-5 增压系统的维护和管理
•三、废气涡轮增压器检查与调校 •1、惰转性能检查 •2、K值检查与调整 • K值——转子轴前端面与内蜗壳
§4-1 柴油机的换气过程
• 一、四冲程柴油机的换气过程
§4-1 柴油机的换气过程
•1、排气过程
• 自由排气——压差 • 强制排气——推动功 • 过后排气——惯性
•2、进气过程
• 准备进气阶段——创造压差、开度条件 • 主要进气阶段——压差 • 补充进气阶段——惯性
• 循环进气量对应于气缸工作容积Vs
增压的两种基本型式及其特点，增压器的结 构特点。
• 四、增压器的通流特性与压气机的喘振的
谢谢各位的聆听
第四章柴油机的换气与增压
§4-1 柴油机的换气过程
• 换气过程——每完成一个工作循环，把废气排
出气缸，并把新鲜空气吸入气缸的工质更换的过程。
• 要求：①排气——干净——进气多
•
②进气——多——烧的油多、作功能力大；
燃烧完全，经济性好，排放性好；热负荷低。
•
③空气消耗量小，耗功少。
• 每循环的最大供油量，完全取决于各 循环的充气量。
§4-1 柴油机的换气过程
•3、 气阀重叠和燃烧室扫气
• 气阀重叠角——进排气上止点前后，进排气阀同时开
启的现象。排气滞后角与进气提前角之和。
• 扫气作用： 1）使排气更干净；
•
2）降低热负荷。
• 重叠角高速机大于低速机，增压机大于非增压机。
§4-1 柴油机的换气过程
•二、二冲程柴油机的换气
过程
• 2、压气机的通流特性与特性曲线
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
•（二）压气机的喘振 • 喘振——在某一转速下，当压气机流量下降到一定
程度时，压气机工作开始不稳定，排出压力波动，并伴 随强烈振动和噪音的现象。
• 喘振的机理：低流量、高背压
工 作 叶 轮
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
带 叶 片 式 扩 压 器
前端面的轴向距离。
• K↑→L↑、M↓ • K↓→L↓、M↑
§4-5 增压系统的维护和管理
• K值的调整
第四章 小结
• 一、柴油机换气过程、要求和评定参数及
其影响换气过程的主要因素。
• 二、气阀式换气机构的组成与结构特点，
气阀重叠角、气阀锥角、阀线、气阀间隙的 概念与意义。
• 三、增压的目的，废气能量分析、柴油机
• 中冷——增压器与柴油机进气管之间对增压空气进行冷
却，降低温度，提高空气目的的方法。
•2、增压方式
• 机械增压 • 废气涡轮增压 • 复合增压
§4-3 废气涡轮增压
•二、废气能量分析
• 废气能量E= •脉冲能E1 +定压能E2 • E= E1 + E2
§4-3 废气涡轮增压
• 三、废气涡轮增压的两种基本形式
• 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。
• 特点：扫气流动路线长（2S）、新气与废气易
掺混、死角、气流短路，换气质量差；气缸下部受
§4-1 柴油机的换气过程
•2、直流扫气
• 气口－气阀式、气口－气口式
• 特点：气流流动路线短、不易掺混，质量好；气缸下部
受热均匀；机构复杂，管理不便；易于长行程（S/D＞2.5） 和超长行程（S/D＞3）柴油机。
缸的新鲜空气量之比。
•2、充量系数
•γr=Gr/G0
•——每以循环进入气缸的实际充气量与在进气状态下 充满气缸工作容积的理论空气量之比。
•ηV=G0/Gs＜1 V1 1T Ta 0(p pa 0p p0 r)
§4-1 柴油机的换气过程
•3、影响充量系数（换气质量）的因素
•1）进排气道流动阻力的影响 •2）柴油机转速的影响 • n↑→流速↑→流动阻力↑→pa↓，pr↑→ Φc↓ • n↑→时面值↓ →G ↓ •3）柴油机负荷的影响 • Pe↑→气缸温度上升→Ta↑→ Φc↓ •4）气阀间隙的影响——时面值 •5）气阀定时的影响——时面值、工作紊乱
§4-1 柴油机的换气过程
•4、扫气效率、扫气系数和给气比 • 扫气效率ηs——换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量
与气缸内总气量之比。
• 扫气系数Φs——在一个循环中通过扫气口的全部扫气
空气量与换气过程结束后留在气缸内的新鲜空气量之比。
• 给气比β——每循环通过扫气口的新鲜空气量与在进气
状态下充满气缸工作容积的理论空气量之比。
• 1、定压增压
2、脉冲增压
§4-3 废气涡轮增压
• 3、两种增压方式比较
定压增压
脉冲增压
废气能量利用 涡轮机效率
E2+E’1 高
E2+E1 低
增压系统布置 排气管大，简单 排气管小，分支
管理上的要求 涡轮机叶片易损坏 涡轮机叶片不易损坏
加速性和低负荷 性能
差
好
§4-4 废气涡轮增压器与增压系统
??vvgg00ggss111tv????进气状态下下?1000pppptraa???4411柴油机的换气过程柴油机的换气过程??33影响充量系数换气质量的因素影响充量系数换气质量的因素??11进排气道流动阻力的影响进排气道流动阻力的影响??22柴油机转速的影响柴油机转速的影响机转机转??nn流速流速流动阻力流动阻力??nn时面值时面值gg??33柴油机负荷的影响柴油机负荷的影响??ppee气缸温度上升气缸温度上升??44气阀间隙的影响气阀间隙的影响时面值??55气阀定时的影响气阀定时的影响时面值工作紊乱ppaapprrccttaa时面值时面值工作紊乱cc4411柴油机的换气过程柴油机的换气过程??44扫气效率扫气系数和给气比扫气效率扫气系数和给气比??扫气效率扫气效率ss换气过程结束后气缸内的新鲜空气换气过程结束后气缸内的新鲜空气量与气缸内总气量之比
• 柴油机的气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控
制气流方向。
§4-1 柴油机的换气过程
•四、时面图和时面值 • 设通路流通面积为，则在时间微元内，流
过通路的气体数量为：
G •d G=fωdfdtt
f dt—时面值
§4-1 柴油机的换气过程
•五、评定换气过程质量的参数
•1、残余废气系数
• ——换气过程结束时，气缸内残存的废气量与充入气
•一、柴油机增压概述
•1、柴油机增压的目的 •Pe∝iD2smnpe
C1 1T Ta 0(p pa 0p p0 r)
• 柴油机的增压：通过提高进气压力，来增大循
环充气量，以使更多燃油能充分燃烧，提高平均指 示压力和平均有效压力，进而提高Байду номын сангаас油机功率的一 种方法。
§4-3 废气涡轮增压
• 增压度——增压后与增压前柴油机功率之比。