柴油机与涡轮增压器的匹配

(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： 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
降增加； b. 废气旁通阀； c. 在压气机出口旁通高压气体。
废气旁通阀结构
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
可变几何喷结构
有叶喷嘴变截面涡轮示意图
(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。
2.3 压气机与涡轮的匹配
1 流量守恒： mT mc me mc mc L0
Hale Waihona Puke 转速相等： nc nT 功率平衡：
mc C T ( c
pc 1 kc 1 kc
1) mT C T (1
pT 3
1
T
kT 1 kT
) c T m
压气机压比 涡轮流量 涡轮膨胀比
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：
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？
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
9. 涡轮增压发动机的加速性
(1) 发动机的加速性 涡轮增压发动机加速性较差的原因： 涡轮增压器与发动机之间仅存在气路联系而无机械联
接，使发动机在加速过程中涡轮增压器的响应不可避免地
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 落入不稳定工作区。
内燃机与压气机；
内燃机与涡轮；
压气机与涡轮
2.1 压气机与内燃机的匹配
Compressor type JEF7-3B
4.200
N e g e s L0 m 103 3600
2Vh nv s m c 103 i 60
Pressure ratio
4.000 3.800 3.600 3.400 180000 3.200 3.000 2.800 160000 2.600 2.400 78% 2.200 140000 76% 74% 120000 70% 68% 64% 60% 56% 2.000 1.800 1.600 80% 200000rpm
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%
的喘振流量。
良好匹配的MAP图是什么样子？
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
3. 涡轮增压器与柴油机配合运行点的确定
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:
kT 1 k 1 kT p kT k 1 T ' k mk RT0 k 1 mTm RT TTm 1 0 Tm pTm k 1 kT 1 k
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!
（2） 降低机械负荷的途径： a. 适当降低压缩比；
b. 调整涡轮增压器：
式中，β——脉冲涡轮功率放大系数
kT k 1 RT K1 kT 1 k R TTm kT T0
' ' m
p m k k 1 K1 ' Tm p0 mk
kT 1 k 1 pT0 T pTm
k k 1
通过涡轮的流量：
mTm T FT T Tm 2 RT TTm T FT T 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。
kT 1 2 k k 2kT pT 0 T pT 0 T T kT 1 pTm p Tm
改善冷却系统工作条件：水泵流量、转速；散热器散
热面积；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
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
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
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。
2. 内燃机与涡轮增压的匹配内容
WT C T (1
p 0
1

k 1
k
) Tad
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，
动阻力增加等引起的。
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
（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：
a. 减小涡轮喷嘴环面积，使涡轮前燃气能量在涡轮中的焓
(4) 提高涡轮增压发动机扭矩的途径
① 采用脉冲增压系统或MPC系统；
② 采用小型高效率的径流涡轮增压器，以最大扭矩点 作为增压器的设计点，使最大扭矩点落在压气机高效区内； ③ 采用涡轮增压器的调节方法，可有效地提高发动机 的扭矩性能。一般在柴油机上采用可变截面喷嘴环的涡轮， 而在汽油机上普遍采用排气旁通放气方法，高工况放气。 ④ 改进供油特性：使柴油机从额定点到最大扭矩点之 间，随转速的降低而加大每循环的供油量；
值高时，Jm值增加；反之，pe增加，α下降，Jm值减小。 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。
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。
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
匹配结果评价


一个好的匹配需要满足以下要求

好的低速转矩 好的外特性油耗（BSFC） 排烟小 排放好 加速性好 增压器不超速 增压器不过热 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

高海拔裕量


满足机械方面的要求

性能
性能
5. 涡轮增压器与柴油机配合特性线的调整
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； 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；
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℃
J = Jm
*
Jn ，
扭矩适应系数值愈高，则发动机扭矩特性愈好，表示
发动机在宽广的转速范围内具有良好的扭矩特性，提高
了车辆的机动性能； 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
(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
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 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