【课件】发动机原理 第二十次课 §6-3废气

二、增压发动机在结构上的变动
• 对于多数车用增压发动机的增压度不高，在基本结构方面 与非增压同属一个系列，为了适应增压后功率增长的要求， 降低机械负荷和热负荷，需要做必要的改动。 • 1. 增大供油量、调整供油系。 • 因为循环供油量增大，势必供油持续角增加，燃烧拉长， 经济性变坏，因此要增大柱塞直径、增加供油速率、加大 喷孔直径；提高喷油压力和加大喷孔直径以提高穿透能力。 • 为限制最大爆发压力，适当减小供油提前角。 • 2. 改变配气相位。 • 合理增加气阀重叠角，加强扫气，降低热负荷。 • 3. 减小压缩比、增大过量空气系数。 • 减小压缩比可以降低爆发压力；增大过量空气系数可以降 低热负荷，改善经济性。
2 1 1 E 2 2
• 2. 脉冲系统对气缸扫气有明显好处；而在恒压系 统中，由于排气压力波动小，扫气压力差就大为 减少，所以不易保证气缸的扫气。 • 3. 脉冲系统的加速性能较好；在柴油机低转速时， 脉冲系统的可用能增大，扭矩特性好。 • 4. 从废气涡轮的效率看，脉冲系统涡轮的平均效 率略低。原因：流动损失；废气压力和温度周期 性变化造成撞击损失；进气损失。 • 5. 脉冲系统的尺寸较大，排气管结构复杂，甚至 要安装几个增压器。
结论：
• 1. 在低增压时采用脉冲增压较为有利；而 在高增压时采用恒压增压比较有利。 • 2. 车用柴油机大部分时间在部分负荷下工 作，增压压力较低，对其扭矩特性、加速 性能要求比较高，所以即使在高增压车用 柴油机上仍常采用脉冲增压系统。
§6-4车用增压内燃机性能
• 一、涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点 • 在涡轮增压器与柴油机联合工作时，彼此没有机械联系， 它们是通过空气流或燃气流来传递能量的。 • 发动机不同工况要求压气机有不同的供气能力，涡轮机做 功的能力来源于发动机排出废气的合理组织，而涡轮机的 功率则全部为压气机所消耗，即发动机发出一定功率所需 要的空气流量与压比，正好是压气机所应提供的。 • 为了使涡轮增压器与车用发动机良好配合，有两件事要做： • 1. 根据发动机特定工况，如额定工况、最大扭矩工况，确 定其在压气机特性曲线上的位置，即根据发动机选用合适 型号的增压器； • 2. 要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。
恒压系统与脉冲系统的优缺点比较：
• 1. 由于脉冲系统利用了40~50%的脉冲能量， 所以系统的可用能量不恒压系统大，其可 用能之比： E 0.5E 0.5E K 1 • 图3 E E • 由图3可知： • 在低增压时如pk/p0<1.5时，采用脉冲效果 比较明显； • 在pk/p0≧2.5时，0.5E1/E2的比值较小，采 用脉冲增压的优点就不明显了。
• 3. 经济性有所改善。 • 对于同一排量： • 平均有效压力由800~900kpa增加到 1100~1300kpa；增压使高负荷的经济运行 范围扩大了。 • 对于同一功率： • 增压可以减小排量，是机械损失降低；在 宽广的运转范围内，油耗降低；等油耗的 经济运行区扩大。 • 增压可以适当降低发动机转速，可以减少 磨损，提高可靠性和寿命，维修费降低。
三、车用增压发动机性能
• 1. 低速扭矩性能变化。 • 主要是低速时增压压力不足，使循环供气量不足。采用脉 冲增压和低速气门定时可以改善。 • 2. 加速性能变差。 • 由于涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器自身惯性 使其对突变负荷的响应能力变差，因此增压发动机的加速 性比非增压的差。 • 改善加速性的方法： • (1) 采用脉冲增压系统，减少进、排气道容积； • (2) 采用放气调节或可变喷嘴； • (3) 减少转子的转动惯量； • (4) 采用较小的气阀重叠角； • (5) 利用制动空气系统的高压空气向压气机工作轮进行喷 射。
• 4. 降低了排气污染和噪声。 • 因为α大，C烟、CO、HC减少。采用高速 喷射并延迟喷 • 射，NOx排量也降低尤其是中冷后，更为有 利。 • 增压机着火滞燃期短，压升率低，燃烧噪 声减少； • 由于增压器的设置使进、排气噪声减少。
• 5. 起动和制动有一定困难。 • 柴油机起动时，因无高温排气，涡轮机无 法工作，压气机不能供气；加上压缩比较 低，因此起动困难。 • 重型车下坡时，常采用不脱档发动机制动。 制动力与排量成正比。增压机升功率高， 因此制动力不足。 • 为此，在使用发动机制动时，在活塞压缩 行程终了自动将排气阀打开，减少膨胀作 功而增大发动机制动力。
• 如果增压压力较高，排气压力亦相应 增加，即涡轮膨胀比增大，则涡轮机 内可利用的废气能量增多。 • 试验表明： • 当pk=150~160kpa时，恒压系统只利用 了废气能量的12~15%； • 当pk≧300kpa时，利用的废气能量达 到30~35%。
• 二、脉冲增压系统 • 脉冲能量E1：把面积b-e-5-b所表示的能量。 • 为了利用脉冲能量，出现了脉冲增压系统。 其特点是尽可能将气缸中的废气直接而迅 速地送到涡轮机中去。排气管中的压力周 期性脉动。 • 结构特点：是涡轮机尽量靠近气缸、排气 管做的短而细，容积相当小，为了减少各 气缸排气压力波的相互干扰，相临发火排 气管的排气相互隔开。 • 在脉冲增压系统中有40~50%的脉冲能量得 到利用。
• 4. 设置分支排气管。 • 在脉冲系统中，为充分利用脉冲能量必须 分支。 • 5. 冷却增压空气。 • 一方面可以提高空气密度；另一方面可以 降低压缩始点的温度和整个循环的平均温 度，降低热负荷和排气温度。 • 方法：水冷；空气冷却。 • 6. 其他改动部分。 • 如加粗进气管、加强冷却系等。
• 图1
图2
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柴油机废气能量利用：
• 一、恒压增压系统 • 特点：把所有气缸的废气都接到一根排气总管中， 然后再引向涡轮的整个喷嘴环，由于排气管容积较 大，同时各缸排气相互交替补充，使得排气管中的 压力波动很小，基本恒定，故称恒压增压系统。 • 静压能量：E2是面积2-4-e’-f’-2表示废气在恒压涡 轮内的膨胀功。 • 由两部分组成： • 1、面积2-4-5-1-2为活塞推出废气所做的功，系由 发动机活塞给予； • 2、真正废气中可用的能量仅为面积1-5-e’-f’-1。
第二十次课
§6-3废气能量利用
• 从热力学观点来看，自然吸气的活塞式发动机， 因其间断燃烧而能做到从高温吸热，它是现代热 机中热效率最高的一种，但不能做到完全膨胀； • 而蜗轮式机械却能做到。叶片材料所能承受的温 度同发动机排气温度很接近，而且转速高，因而 单位功率的体积和重量比较小； • 将两者结合起来有利于废气能量的充分利用，使 发动机功率大幅度提高，而体积和重量增大不多。