内燃机增压技术课件.ppt
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- 内燃机 增压 技术 课件
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1、2021/3/81第第1节节 内燃机增压的基础知识内燃机增压的基础知识第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器第第3节节 排气能量的利用排气能量的利用第第4节节 增压器与内燃机的匹配增压器与内燃机的匹配2021/3/82第第1 1节内燃机增压的基础知识节内燃机增压的基础知识itL1 cmsa1 PKn一、提高内燃机动力性能和经济性能的途径一、提高内燃机动力性能和经济性能的途径 提高功率,改善经济性,降低比质量,降低排放等最有效措施2021/3/83第第1 1节内燃机增压的基础知识节内燃机增压的基础知识二、增压术语二、增压术语u增压压力增压压力n压气机出口压力称为增压压力,用Pb表示。它与压气机
2、结构、尺寸、转速及效率等因素有关。通常Pb 0.17MPa的增压称为低增压、0.17MPa Pb 0.25MP的增压称为中增压,0.25MPa Pb 0.35MPa的增压称为高增压,Pb 0.35MPa的增压称为超高增压。u增压比增压比n出口压力与进口压力之比u增压度增压度2021/3/84第第1 1节内燃机增压的基础知识节内燃机增压的基础知识三、增压方式三、增压方式u机械增压机械增压n所谓机械增压,是指压气机由内燃机曲轴通过传动装置直接驱动的增压方式。n不增加发动机背压,但消耗其有效功率。增 压 压 力 不 超 过0.17MPa2021/3/852021/3/86第第1 1节内燃机增压的基础
3、知识节内燃机增压的基础知识三、增压方式三、增压方式u排气涡轮增压排气涡轮增压n 所谓排气涡轮增压,是指利用排气能量使排气在涡轮中进一步膨胀作功,用于驱动压气机的增压方式。n排气涡轮增压的特点:不消耗发动机有效功,增压器可以自由布置在所需的位置,涡轮有一定的消声作用,并进一步减少排气中的有害成分。2021/3/872021/3/88第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器2021/3/89第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器2021/3/810第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器一、离心式压气一、离心式压气机机组成:组成:进气道、进气道、叶轮、无叶叶轮、无叶扩压器、叶扩压器、叶片扩压器、
4、片扩压器、集气管(蜗集气管(蜗壳)壳)工作原理:工作原理:离心式压气机结构离心式压气机结构l-进气道进气道 2-压气机叶轮压气机叶轮 3-压气机蜗壳压气机蜗壳 4-扩压器扩压器dwcddhdq)2/(22021/3/811轴向进气道径向进气道 图图12 压气机中径向进气道压气机中径向进气道、进气道、进气道将外界空气导向压气机叶将外界空气导向压气机叶轮,保证工作轮进气均匀和轴轮,保证工作轮进气均匀和轴对称。对称。2021/3/812根据叶轮轮盘的结构形式分:根据叶轮轮盘的结构形式分:u开式叶轮:开式叶轮:没有轮盘,流动损失大,叶没有轮盘,流动损失大,叶轮效率低轮效率低u闭式叶轮:闭式叶轮:既有轮
5、盘又有轮盖,流道封既有轮盘又有轮盖,流道封闭,流动损失小,叶轮效率高;但结构闭,流动损失小,叶轮效率高;但结构复杂,制造困难,强度差。复杂,制造困难,强度差。u半开式叶轮:半开式叶轮:只有轮盘,没有轮盖。在只有轮盘,没有轮盖。在涡轮增压器中应用广泛。涡轮增压器中应用广泛。u星形叶轮:星形叶轮:在半开式叶轮的轮盘边缘叶在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块,减轻了叶轮质量,多片之间挖去一块,减轻了叶轮质量,多在小型涡轮增压器中应用。在小型涡轮增压器中应用。、叶轮、叶轮图图13 压气机叶轮的结构形式压气机叶轮的结构形式a)开式)开式 b)半开式)半开式 c)闭式)闭式 d)星形)星形2021/3/
6、813根据叶片沿径向的弯曲形式分:根据叶片沿径向的弯曲形式分:u前弯叶片叶轮:前弯叶片叶轮:叶片沿径向向旋转方向弯叶片沿径向向旋转方向弯曲。对空气的做功能力最大。但主要增加曲。对空气的做功能力最大。但主要增加了空气的动能,对压力能却提高较少,压了空气的动能,对压力能却提高较少,压气机效率低。气机效率低。u径向叶片叶轮:径向叶片叶轮:叶片径向分布,不弯曲。叶片径向分布,不弯曲。u后弯叶片叶轮:后弯叶片叶轮:叶片逆旋转方向弯曲。做叶片逆旋转方向弯曲。做功能力小,空气压力的提高大部分是在叶功能力小,空气压力的提高大部分是在叶轮中完成。压气机效率高,应用较广泛。轮中完成。压气机效率高,应用较广泛。u前
7、倾后弯式叶轮前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮也称后掠式叶轮):叶片:叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾。在沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾。在车用柴油机涡轮增压器上得到应用。车用柴油机涡轮增压器上得到应用。图图14 压气机叶轮叶片的形式压气机叶轮叶片的形式a)前弯叶片叶轮)前弯叶片叶轮 b)径向叶片叶轮)径向叶片叶轮c)后弯叶片叶轮)后弯叶片叶轮 d)后掠式叶轮)后掠式叶轮2021/3/814将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。u无叶扩压器无叶扩压器u叶片扩压器叶片扩压器图图15 叶片扩压器形式叶片扩压器形式a)平板形叶片)平板形叶片 b)圆
8、弧形叶片)圆弧形叶片 c机翼形叶片机翼形叶片3、扩压器、扩压器2021/3/815u变截面蜗壳变截面蜗壳u等截面蜗壳等截面蜗壳图图16 离心式压气机蜗壳离心式压气机蜗壳a)变截面蜗壳)变截面蜗壳 b)等截面蜗壳)等截面蜗壳4、压气机蜗壳、压气机蜗壳收集从扩压器出来的空气,收集从扩压器出来的空气,将其引导到发动机的进气管,将其引导到发动机的进气管,具有一定的扩压作用。具有一定的扩压作用。2021/3/8165、压气机中空气状态的变化、压气机中空气状态的变化 进气道:进气道:空气从环境状态进入,由于空气从环境状态进入,由于进气道是渐缩形的通道,空气的压进气道是渐缩形的通道,空气的压力略有降低,速度
9、略有升高。力略有降低,速度略有升高。叶轮:叶轮:叶轮对空气作了功,使空气的叶轮对空气作了功,使空气的压力、温度和速度都升高。压力、温度和速度都升高。扩压器:扩压器:空气的速度降低,压力升高,空气的速度降低,压力升高,温度亦随压力而升高。温度亦随压力而升高。蜗壳:蜗壳:仍有部分动能转化为压力能,仍有部分动能转化为压力能,使空气的速度进一步降低,压力和使空气的速度进一步降低,压力和温度升高温度升高图图17 压气机通道中气体状态的变化压气机通道中气体状态的变化2021/3/8176、压气机主要性能参数、压气机主要性能参数 u增压比增压比 b:压气机出口与进口压力之比压气机出口与进口压力之比u空气流量
10、空气流量qmb(kg/s)u折合流量折合流量qmbnp(非标准大气状态下的流量非标准大气状态下的流量折合成标准大气状态下的流量折合成标准大气状态下的流量)u压气机转速压气机转速nb(r/min)u折合转速折合转速nbnp2021/3/818压气机定熵效率压气机定熵效率 adb:表明压气机设计与制造的完善程度,表明压气机设计与制造的完善程度,指将气体压缩到一定增压比时压气机的定熵耗功和实际耗指将气体压缩到一定增压比时压气机的定熵耗功和实际耗功之比。功之比。2021/3/819dwcddhdq)2/(22021/3/8207、压气机特性(流量特性)、压气机特性(流量特性)u压气机的特性曲线:压气机
11、的特性曲线:主要性能参数在各种不同工况下的相互关系曲线u流量特性:流量特性:在不同转速下,增压比和定熵效率随流量的变化关系u喘振(线):喘振(线):当流量减小到某一数值时,压气机出现不稳定流动状态。压气机中气流发生强烈的低频脉动,引起叶片的振动,并产生很大的噪声。u阻塞:阻塞:当流量增大到某一数值时,增压比和效率均急速下降。即使以增压比和效率下降很多作为代价,流量也难以增加。这个现象称为压气机的阻塞。2021/3/821第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器二、涡轮二、涡轮组成:进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳按燃气在涡轮中流动方向分类:轴流式、径流式按燃气在涡轮中焓降分配分类:冲击式、反力
12、式(气流速度低,流动损失小,涡轮效率较高)涡轮中的热功转换:dwcddhdq)2/(22021/3/822第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器二、涡轮二、涡轮径流式向心涡轮结构2021/3/823第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器二、涡轮二、涡轮燃气最大可用能量:在定的膨胀比下,气体对涡轮作功的最大可用能量就是涡轮入口的滞止焓与定熵过程叶轮出口的静焓。实际涡轮作功:2021/3/824第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器涡轮主要性能参数涡轮主要性能参数定熵效率膨胀比:流量:无泄漏和放气时,通过涡轮的燃气流量等于压气机流量与发动机燃烧的燃料流量之和。涡轮转速2021/3/825第第
13、2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器涡轮特性曲线涡轮特性曲线流量特性曲线流量特性曲线轴流式涡轮,当转速一定时,相似流量随膨胀比的增大而增加,直至达到流量最大值。若再继续增大膨胀比,涡轮流量也不会再增加这时的流量称阻塞流量。发生流量阻塞的原因是喷嘴环或涡轮叶轮中某处气流速度已达到了当地声速。涡轮实际上作时,由于喷嘴出口处流速最高。往往是该处先于叶轮发生流量阻塞。2021/3/826第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器2021/3/827第第2节节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器涡轮特性曲线涡轮特性曲线流量特性曲线径流式涡轮,由于径流式涡轮,由于离心力的作用,离心力的作用,转速对膨胀比与转速对膨
14、胀比与流量的影响较轴流量的影响较轴流式大得多。流式大得多。2021/3/828第第3节节 排气能量的利用排气能量的利用3.1排气可用能量及其利用方式排气可用能量及其利用方式排气的最大可用能排气的最大可用能2021/3/829第第3节节 排气能量的利用排气能量的利用3.1排气可用能量及其利用方式排气可用能量及其利用方式排气的最大可用能排气的最大可用能压气机耗功:1-2-a-3-1,其中,留在缸内空气压缩耗功:8-2-a-6-8 扫气空气压缩耗功:1-8-6-3-1柴油机指示功:a-c-z-b-a,6-7-4-a-6排气门打开等熵膨胀至大气压力所能作功:Eb=E1+ET涡轮中排气总能量:E2=Es
15、+Ec+ET+Eq排气的最大可用能:E=Eb+Ec+Es=E1+ET+Ec+Es2021/3/830第第3节节 排气能量的利用排气能量的利用3.1排气可用能量及其利用方式排气可用能量及其利用方式能量传递中的损失能量传递中的损失E=排气的最大可用能-涡轮中排气总能量 =E1Eq=EV+EC+ED+EM+EF+EhEV:能量传递中的主要损失,占总损失2/3。设计中,增大排气流通面积(4气门)开启速度快,使排气门后压力很快升高。排气管容积不应过大,排气管应细而短。在结构受限时,“细而长”比“短而粗”好。2021/3/831第第3节节 排气能量的利用排气能量的利用3.1排气可用能量及其利用方式排气可用
16、能量及其利用方式排气涡轮增压系统的基本形式排气涡轮增压系统的基本形式脉冲增压系统:脉冲增压系统:利用排气脉冲能(E1),排气管容积小,排气管中压力有波动。实际柴油机中,采用脉冲增压系统时,E1最多利用40%50%。在低增压时,对脉在低增压时,对脉冲增压系统有利冲增压系统有利,高增压时得益不多。定压增压系统:定压增压系统:不利用排气脉冲能(E1),排气管容积较大,脉冲能转变为热能,提高涡轮前排温,回收了Eq面积(E1),从损失的E1中回收了一部分。通常,定压系统用于高增压而大部分时间在高负荷运转的柴油机,如发电机组以及气缸数为7缸、14缸等柴油机上。脉冲系统用于车用、船用等变速、变负荷运行较多的
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