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第四节 内燃机的增压 二、内燃机增压的历史 Development 机械增压 (Mechanical supercharging) 发动机输出轴直接驱动机械增压装置,实现对进气压缩。 螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等 机械增压器 (COMPRESSOR) 机械增压器(COMPRESSOR) 机械增压器(COMPRESSOR) 排气涡轮增压 (Turbocharging) 排气推动涡轮旋转,涡轮带动压气机工作, 实现进气增压。 压气机与涡轮同轴相连,构成涡轮增压器。 定压和脉冲涡轮增压 径流涡轮和轴流涡轮 排气涡轮增压 (TURBOCHARGOR) 3. 气波增压 (COMPREX) Wave Supercharging 4. 复合增压 (Combined Supercharging) Electric Turbo-Compounding 5. 涡轮复合 ( Turbo-compounding) 二、增压对内燃机动力性和经济性的影响 目的: 提高动力性,并降低排放。 三、发动机增压技术的优势与代价 排气涡轮增压(turbocharging) 一、排气涡轮增压器 (TURBOCHARGOR) 工作过程 进口段:新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮,压力温度略有下降,气流略有加速。 叶轮通道:气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流通道内,吸收叶轮的机械能,使气体的压力、流动速度和温度均有较大的增长。 扩压器:通道流通截面积逐渐增大,气体动能大部分转变为压力能,压力和温度进一步升高,速度下降。 集气蜗壳:收集气体向内燃机进气管输送。 气体温度、速度和压力变化过程 压气机中的能量转换 COMPRESSOR EFFICIENCY Enthalpy-entropy diagram 离心式压气机的特性 以流量为横坐标,压比为纵坐标,把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起,其中效率以等值线的形式表示,称为压气机的万有特性。 压气机损失分析图 压气机的喘振 (surge) 在一定的转速下,当压气机的气体流量减小到一定程度后,气体就会在叶轮或扩压器入口处出现边界层的分离,导致气体回流,扩展到压气机的其他部分,气流出现强烈的振荡,引起工作轮叶片强烈的振动,并产生很大的噪音的现象。 压气机的堵塞(CHOKING) 压气机的通用特性(UNIVERSAL PERFORMANCE MAP) 折合流量: 折合转速: 压气机的通用特性曲线 径流式涡轮机的工作原理 喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成,叶片之间形成渐缩通道。 内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速,压力、温度下降,速度大大增加,一部分排气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计为无叶喷嘴环结构。 涡轮机中的能量转换(TURBINE EFFICIENCY) 径流涡轮通用特性 (UNIVERSAL TURBINE MAP) 在一定转速下,随着流量的增加,涡轮机也存在一个堵塞流量。 堵塞发生意味着在涡轮的内部某处气流速已达到当地音速。 堵塞一般易发生在喷嘴出口截面。 排气涡轮增压系统简介TURBOCHARGING SYSTEM 定压涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统 一、定压涡轮增压系统 定压增压 把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内,然后再引入涡轮。由于排气管的稳压作用,涡轮入口处的压力基本不变,故称为定压增压。 特 点 涡轮在定压下全周进气,涡轮效率较高 气流引起的激振和冲击小,工作稳定 排气系统简单,成本较低,易于布置和维护 缺 点 脉冲能量的利用率较低,加速性能差。 定压涡轮增压系统能量平衡 Energy Analysis 二、脉冲涡轮增压系统 排气管短而细,排气系统容积小,排气过程造成涡轮进口压力的周期性脉动。涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的,所以称为脉冲涡轮增压。 三、定压增压与脉冲增压系统的比较 排气脉冲与发动机的扫气 Scavenging Performance 四、可变增压系统VNT/VGT 一、内燃机与涡轮增压器的匹配计算 涡轮增压器自由平衡运转时应满足的条件 1.涡轮机和压气机同轴安装。 2.扣除机械效率,涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等。 3.通过压气机和涡轮机的气体质量流量有如下关系: 推导建立定压涡轮增压器的基本方程 利用已知特性参数进行匹配计算 二、柴油机与涡轮增压器联合运行特性 1— 2—
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