柴油机与涡轮增压器的匹配

可变几何喷结构
第二十三页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
有叶喷嘴变截面涡轮示意图
第二十四页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
➢ (3) 涡轮前燃气温度的调整TT 涡轮前的燃气温度TT是废气能量大小的重要标志，若TT过
低，则能量不足；若TT过高，会烧坏涡轮叶片。
① 减小涡轮喷嘴环截面积； ② 减少扫气重叠角，降低扫气效果；
a. 加大涡轮喷嘴环喉口面积或动叶喉口面积 b. 减小压气机喘振流量
涡轮喷嘴变化
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③ 柴油机方面的原因引起压气机喘振。 如扫气箱容积过小，其中压力波动过大；压气机输气管、 中冷器、柴油机通流部分或涡轮进气管的阻力过大等等，都可 能引起运行线穿越喘振线。
第十八页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
喘振流量。
良好匹配的MAP图是什么样子？
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➢ 2.2 涡轮与内燃机的匹配
❖ 涡轮功率与发动机排气温度、压力直接相关
WT CpT0 (1
1
k 1
) Tad
k
❖ 内燃机与涡轮匹配是否良好主要看涡轮流通能力
的选择是否合适：
✓ 涡轮流通特性线上标上内燃机工作特性线，如果内燃机 工作线偏离该型号涡轮的流通特性线，则选择较大型号或较 小型号的涡轮；如果内燃机和涡轮二者流通特性相差不大， 则可变换涡轮喷嘴环面积来改变涡轮的流通能力，
i 60
c
103
c
pc p0
c RTc 0 RT0
Pressure ratio
4.200
4.000
3.800 3.600
200000rpm
3.400 3.200
180000
3.000
2.800 2.600
160000
2.400
2.200 2.000
140000
1.800 120000
1.600 100000 1.400
c. (ps－pT)↓, pT↓, TT↓,发生喘振的原因可能是柴油机通流部分阻
力过大或有漏泄。
d. (pk－ps)↑, pT↓, TT↑，喘振可能是中冷器阻力过大引起的
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➢ （2）涡轮增压器转速和增压压力的调整 pk∝nTk，因此，nk和pk的调整方法一致：
k
k
pk p0
1 K1 '
mTm mk
1
pT0 pTm
kT 1 k 1
kT
通过涡轮的流量：
mTm T FT T Tm
2RTTTm T FTT
pTm • TTm
2 RT
式中，αT——脉冲系统流量缩小系数；ρTm——涡轮前平均燃气密
度；ψT——通流函数。
T
2
kT 1
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e. 气缸数的影响 同一系列的发动机，12缸机比8缸机的扭矩特性好，6缸机的比
4缸机的Jm要高些，这是3缸连接一根排气管时，脉冲能量利用较好
的缘故。
f. 增压方式 一般来说，脉冲增压比定压增压的扭矩特性要好些，这是因
➢ 目前，一般车用柴油机涡轮增压后，其最大扭矩点转 速要比非增压时有所增加，也即转速储备系数降低
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➢ (2) 影响扭矩特性的主要因素
a.平均有效压力pe
在同一台增压发动机上，pe值低，即强化水平低，则α值 高时，Jm值增加；反之，pe增加，α下降，Jm值减小。
压缩始温的增加，造成柴油机工作循环各特征点温度提高，排
温升高，缸盖“鼻梁”区开裂，活塞环烧结，卡死、活塞热裂 、涡轮转子热负荷过大损坏等
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➢（2）降低热负荷的主要措施 a. 适当增大进、排气门重叠角 b. 增大叠开期内的进、排气压差： c. 合理设计配气凸轮；扩大进排气门面积； d. 增压中冷； e. 强化冷却系统： 改善冷却系统工作条件：水泵流量、转速；散热器散热面积
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➢ 2.3 压气机与涡轮的匹配
➢ 流量守恒：
mT
mc
me
mc
1
L0
mc
➢ 转速相等： nc nT
➢ 功率平衡：
kc 1
mcC
T
pc 1
(
c
kc
1)
mT
C
T
pT 3
(1
1
kT
1
) c
T
m
kT T
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3. 涡轮增压器与柴油机配合运行点的确定
③ 增加循环供油量，延长供油持续时间，减小 供油提前角增加后燃持续期；
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6. 增压柴油机的热负荷及解决途径
➢（1）增压柴油机的热负荷问题 增压后，压气机出口温度升高：
增压比为1.6~1.7时，约为100℃ 增压比为2.5时，约为140℃~160℃
试估算压缩温度：压比为2.5，效率为0.8，环境温度为约27度
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涡轮增压柴油机的“伞形”运行范围
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❖ 匹配结果评价
一个好的匹配需要满足以下要求
性能
好的低速转矩
好的外特性油耗（BSFC）
排烟小 排放好 加速性好
高海拔裕量
增压器不超速
增压器不过热
满足机械方面的要求
80000 1.20060000
80%
78%
76% 74% 70% 68% 64% 60% 56%
1.000 0.000
0.050
0.100
0.150
Corrected air flow(kg/s)
0.200
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❖ 发动机与压气机良好匹配特征：
✓ 效率：内燃机特性线穿过压气机的高效区，且最好使 内燃机运行线与压气机等效线相平行， ✓ 喘振裕度：应防止内燃机耗气特性线处于压气机的低 效区或过于接近喘振线，甚至穿过喘振线，一般要求内 燃机低转速时的耗气特性线离开喘振线的距离约为10%的
b. 调整涡轮增压器：
c. 适当减小供油提前角： d. 优化供油系统：
pemax=λεn pb
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8. 涡轮增压发动机的扭矩特性
(1)扭矩系数Jm是发动机最大扭矩Me,max和额定扭矩Me的比值，即： Jm=Me,max/ Me
目前增压机Jm=1.15～1.30左右，和非增压机大致相当。 (2) 转速储备系数Jn：发动机额定转速ne和最大扭矩转速nme,max
0111011ttkkkktktmkktmppmkpmp??????????????????????????????????22tmtmttttmttmtttttmpmfrtfrt????????120021tttkkkttttttmtmppkkpp???????????????????????????专业资料涡轮流量涡轮膨胀比压气机压比专业资料?4
的比值，即 Jn = ne / nme,max。
(3) 扭矩适应性系数J是扭矩系数Jm与转速储备系数Jn的乘积，即： J = Jm * Jn，
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➢ 扭矩适应系数值愈高，范围内具有良好的扭矩特性，提高了车辆的 机动性能；
第二页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
2. 内燃机与涡轮增压的匹配内容
✓ 内燃机与压气机； ✓ 内燃机与涡轮；
✓ 压气机与涡轮
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➢ 2.1 压气机与内燃机的匹配
Compressor type JEF7-3B
m Ne ges L0 103
3600
m
2Vhnvs
发动机额定转速作为设计点，则在发动机最大扭矩处的pk值会
下降过多，扭矩特性显著变坏； 如选择低速配合，即选择发动机最大扭矩时的转速为设计点
，则可保证低速时具有较高pk值，但发动机额定转速时pk过高，增 压器将出现超速。
实际选择的设计点往往是在上述二者之间，一般推荐的设计点
转速为nD=(0.6～0.8)ne(额定转速)。
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曲线1是柴油机以标定转速运转的等转速线。柴油机在这
个标定转速下，随着负荷的增大，废气能量增加
→ nTk↑↑→πk↑↑→pz↑ ； 柴 油 机 在 标 定 转 速 时 的 pemax 受 到 nTkmax、pz和TTmax的限制。
曲线2是柴油机最低转速运行线。这时废气能量很小， 所 以 πk 和 mk 都 较 小 。 Pe 受 到 排 气 冒 烟 极 限 的 限 制 ， 而 且 pe↑→运行线愈接近喘振线，此时应防止其穿过喘振线而落入不
将内燃机耗气特性线叠合到离心式压气机特性线上去， 根据两组特性线的相对位置来进行分析研究。
什么是内燃机耗气特性线？
第十一页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
涡轮增压器与柴油机的配合特性线
1――柴油机标定转速运转的等转速线；2――柴油机最低转速运行线； 3――柴油机外特性线；4――柴油机按螺旋桨特性工作的运行线
• 减小涡轮喷嘴环面积，使涡轮前燃气能量在涡轮中的焓降增 加；
• 废气旁通阀； • 在压气机出口旁通高压气体。
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废气旁通阀结构
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调节器空气压力
废气压力
spring force
弹力
排气歧管或涡壳进 气通道
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用箭头符号表示比正常值偏高(↑)或偏低(↓)。 a. nTk、pk、pT、pT0、TT值均正常，如发生喘振，可能是压气机
和涡轮匹配不当，即压气机喘振流量太大或涡轮的通流能力太小
。测取mk值，利用压气机特性线即可区分是压气机还是涡轮 方面的原因造成喘振。
b. pk↓, ps↓, pT↓, TT↓,喘振可能是压气机污染、结垢后，流动 阻力增加等引起的。
稳定工作区。
第十三页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
曲线3是柴油机外特性线。这时保持喷油量为最大值，随着 n↓→mT↓→πk、pk↓，循环供油量仍保持最大值，故排温TT较高 ，nTk和pk下降相对地较缓慢，故n↓→mk↓。此时运行线易穿过 喘振线。
曲线4是按螺旋桨特性工作的运行线。它处于外特性运行线3 和等转速运行线1之间。
b.增压压力pk 在pe相同的情况下，选择的pk值愈高，α增加，则Jm的值也
愈大。
c.涡轮增压器效率ηTk 涡轮增压效率ηTk愈高，则Jm的值也愈高。因为ηTk高时
，在发动机低速时可得到较高的pk值和较大的发动机进排气压 差，从而可保证较高的扭矩。
第三十二页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
d.设计点的选择 涡轮增压器与发动机匹配时，如选择高速配合，即选择
满足所有工况下的转速、叶轮效率和温度限制
满足增压度要求和整体密封性要求
转速
第十六页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
性能
5. 涡轮增压器与柴油机配合特性线的调整
➢ (1) 压气机喘振的调整
① 增压器和柴油机的流量不匹配，增压器的流量偏大：可
选小一点型号的涡轮增压器，使运行线脱离喘振线；
② 压气机和涡轮不匹配，压气机通流能力过大或涡轮通 流能力过小，致使压气机的运行点进入喘振区：
第八章 涡轮增压器与内燃机的匹配
涡轮增压器：旋转式机械 发动机：往复式机械
第一页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
1.与内燃机匹配的涡轮增压器要求：
（1）满足内燃机所需的增压压力和空气流量； （2）稳定工作，不发生喘振或堵塞 （3）联合运行线穿过压气机高效区（平行）；
（4）涡轮增压器可靠工作，不超速，不超温。
；风扇直径、转速；风扇叶片角等；
f. 改善供油系统及燃烧系统，保证燃烧在上止点附近完成，使 燃烧效率较高，后燃较少，排气温度低
第二十七页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
7. 增压柴油机的机械负荷及解决途径
➢（1） 增压柴油机的机械负荷问题 柴油机的机械负荷是由最高燃烧压力pemax和最大压力升
高比λ来反映
最高燃烧压力pemax和压气机出口压力关系式： pemax=λεn pb
λ为压力升高比，一般λ＝1.3～2.2，如果取λ=2，ε＝16，n ＝1.36，则pmax≈86.8 pb
增压后最高燃烧压力将显著增大!
第二十八页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
➢（2） 降低机械负荷的途径： a. 适当降低压缩比；
问题：如何根据发动机工况以及涡轮增压器几何确定
两者的配合运行点？
功率平衡:
mk
k
k 1
RT0
k 1
k k
1
1
k
mTm
kT kT
1
RT TTm
1
pT0 pTm
kT 1
kT
Tm'
式中，β——脉冲涡轮功率放大系数
K1
kT kT 1
k 1 k
RT R
'
kTm'
TTm T0
第八页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
2kT kT
1
pT 0 pTm
kT
pT 0 pTm
kT
第九页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
压气机压比 涡轮流量
涡轮膨胀比
第十页，编辑于星期六：十二点 三十二分。
4. 涡轮增压器与内燃机配合特性分析
❖ 涡轮增压器与柴油机的配合特性曲线指的是二者联合运 行的工作线。 ❖ 分析匹配优劣的主要方法：