增壓器與內燃機的匹配課件

第三章：增壓器與內燃機的匹配匹配原則和基本方法車用內燃機增壓特點第三章：增壓器與內燃機的匹配匹配原則和基本方法增壓器與內燃機的匹配

——應用研究增壓器的初選聯(lián)合運行線的調節(jié)Zinner圖熱負荷機械負荷增壓器與內燃機的匹配

——應用研究增壓器的初選匹配對象優(yōu)化增壓器和發(fā)動機的聯(lián)合工作性能選擇壓氣機，以提供燃燒所需的適量空氣，并滿足：在低速、額定轉速和最大轉矩位置有不錯的效率高海拔裕量合適的喘振邊界選擇渦輪機，以驅動壓氣機，并滿足：無廢氣放氣閥時兼顧低速高功率要求和最大氣缸爆發(fā)壓帶廢氣放氣閥時在盡可能低的排氣背壓下，優(yōu)化發(fā)動機的低速功率。3匹配對象優(yōu)化增壓器和發(fā)動機的聯(lián)合工作性能3匹配工作的組織最佳壓氣機最佳渦輪機滿足高海拔要求滿足機械強度要求滿足整機密封性要求性能開發(fā)目標發(fā)動機規(guī)格發(fā)動機測試數(shù)據(jù)構造數(shù)據(jù)壓氣機特性曲線渦輪機特性曲線滿足客戶需求的產品4匹配工作的組織最佳壓氣機最佳渦輪機滿足高海拔要求滿足機械強度幾個階段1.初選（壓氣機）來自市場的開發(fā)目標獲得充分的發(fā)動機和增壓器信息；確定從技術層面上考慮的候選增壓器2.計算聯(lián)合運行線仿真分析增壓器和發(fā)動機匹配的外特性3.實驗調整滿足排放法規(guī)條件下:低速動力性；燃油經濟性；整車匹配：加減速響應特性可靠性；定型產品認證；生產一致性認證；技術開發(fā)層面產品開發(fā)層面5幾個階段1.初選（壓氣機）2.計算聯(lián)合運行線3.實驗調整定型主要步驟搜集客戶數(shù)據(jù)計算發(fā)動機所需的空氣量Step1Step2按壓氣機條件修正流量Step3在壓氣機特性圖上標出數(shù)據(jù)點Step3基于功率平衡計算所需的渦輪Step4在渦輪機特性圖上標出數(shù)據(jù)點Step4驗證系統(tǒng)的機械強度Step5開始選擇壓氣機選擇渦輪機機械強度校核6主要步驟搜集客戶數(shù)據(jù)計算發(fā)動機Step1Step2匹配方法概覽傳統(tǒng)方法手工繪制特性圖手工查找簡單計算信函傳送新方法計算機生成特性曲線圖計算機自動查找數(shù)據(jù)庫在計算平臺上進行計算通過email或WWW傳送數(shù)據(jù)7匹配方法概覽傳統(tǒng)方法7匹配方法匹配方法Step2-3,計算方法

(選擇壓氣機)Step2-3,計算方法

(選擇壓氣機)計算步驟根據(jù)增壓度要求，計算目標平均有效壓力peλ＝Ne/Ne0；pe=120Ne/(iVhn)選取千瓦時空氣消耗量gk及k，計算gk/kgk＝Gk/Ne*3600(kg/kw.h)四沖程：5.85-7.5其中水冷：5.86-6.8,ge高和大時取大值，n大取小值根據(jù)pe和gk/k，查圖得到pk/p0由發(fā)動機參數(shù)計算容積流量iVhnk選定工況點一般用最常用工況點，如發(fā)動機70%和100%額定轉速最大負荷點10計算步驟根據(jù)增壓度要求，計算目標平均有效壓力pe根據(jù)pe和g查圖得到Gk在壓氣機特性曲線上標出點（Gk，pk/p0)依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適的增壓器11查圖得到Gk在壓氣機特性曲線上標出點（Gk，pk/p0)依據(jù)計算公式的推導：

1)建立增壓后標定點空氣量Gk和壓比pk/p0間的關系 0.9（氣門疊開角0-30CA） 1.0（…………50-70CA） 1.1（………100-140CA）k表征4沖程柴油機每分鐘容積流量的參數(shù)常數(shù)？12計算公式的推導：

1)建立增壓后標定點空氣量Gk和壓比pk（續(xù)）？13（續(xù)）？132)為方便使用把iVhnk、pk/p0和Gk間的關系做成圖142)為方便使用把iVhnk、pk/p0和Gk間的關系做成3)建立壓比pk/p0和平均有效壓力pe間的關系gk/k是建立強化程度和外在性能的橋梁常數(shù)153)建立壓比pk/p0和平均有效壓力pe間的關系gk/k4)為方便使用把pe、pk/p0和gk/k間的關系做成圖164)為方便使用把pe、pk/p0和gk/k間的關系做成圖對3個關鍵點的檢查依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適的增壓器17對3個關鍵點的檢查依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適求解聯(lián)合運行線

（Step4:選擇渦輪機及優(yōu)化整機性能）求解聯(lián)合運行線

（Step4:選擇渦輪機及優(yōu)化整機性能）聯(lián)合運行線反映了匹配運行時的綜合情況，可用來判斷匹配是否合適外特性19聯(lián)合運行線反映了匹配運行時的綜合情況，可用來判斷匹配是否合適聯(lián)合運行線計算過程概覽平衡條件功率平衡Nk=NT流量平衡GT=Gk+Gf轉速平衡nT＝nk計算方法－簡單迭代在壓氣機特性曲線上任取一點，得到Gk和pk根據(jù)平衡條件和發(fā)動機流通特性曲線等條件計算出新的平衡點（Gk’，pk’）迭代計算直到這一點平衡選取新的點重復上述步驟選5-6點得出一條聯(lián)合運行線……20聯(lián)合運行線計算過程概覽平衡條件流量平衡GT=Gk+求解平衡運行線一、平衡條件1.功率平衡Nk=NT2.流量平衡3.轉速平衡nT=nk21求解平衡運行線一、平二、求解步驟確定已知條件大氣條件p0,T0;中冷器效率c；(中冷器冷卻水的平均溫度Tw，中冷器壓力損失△p；)渦輪噴嘴環(huán)出口面積F；渦輪出口平均直徑D；發(fā)動機參數(shù)。初選增壓器，得到壓氣機特性和渦輪特性在壓氣機特性曲線上按增壓器標定轉速任取一點A，得到Gnp，pk/p0,nnp,k，求得Y求TkTk＝T0(Y＋1)(求中冷后的溫度Tk’和壓力pk’)Pk/p0GnpA22二、求解步驟確定已知條件求TkPk/p0GnpA22(求冷卻后的折合流量)在渦輪機側：根據(jù)流量平衡，可以由Gk計算出GT，然后根據(jù)經驗數(shù)據(jù)選取初始TT，可由上式計算出p0’/pT設排氣背壓p0’＝p0,得T＝pT/p0由T和nT（nnp）在渦輪流通特性圖上得到T23(求冷卻后的折合流量)根據(jù)流量平衡，可以由Gk計算出GT，然核算GT是否一致，若不一致，重選TT，直到GT一致從渦輪特性曲線上得到T按前面公式求得X檢驗功率是否平衡？在另一個nnp線上取點B，重復3-14步（柴油機轉速不變）；重復15,得到C，D，E，……，連接這些點就得到了柴油機在某轉速下的平衡運行線。選另一個轉速，即可得其它平衡線Tu/c024核算GT是否一致，若不一致，重選TT，直到GT一致按前面公式增壓器的調整與性能優(yōu)化增壓器的調整與性能優(yōu)化工況范圍和效率的不匹配現(xiàn)象26工況范圍和效率的不匹配現(xiàn)象26實驗調整方法整體不匹配時，更換增壓器（葉輪）需小范圍調整時，可調整擴壓器、噴嘴環(huán)及發(fā)動機參數(shù)如進排氣過程27實驗調整方法27根據(jù)壓氣機葉輪參數(shù)可估算新的空氣流量28根據(jù)壓氣機葉輪參數(shù)可估算新的空氣流量281.壓氣機導流環(huán)的影響291.壓氣機導流環(huán)的影響29壓氣機葉輪參數(shù)的影響壓氣機葉片出口角度30壓氣機葉輪參數(shù)的影響壓氣機葉片出口角度30擴壓器參數(shù)的影響有/無葉片時的變化31擴壓器參數(shù)的影響有/無葉片時的變化31擴壓器參數(shù)的影響擴壓器葉片入口角度1－2,入口角度減小，特性曲線繞原點向左側轉動擴壓器葉片高度1－2,葉片高度減小，特性曲線大致平行向左移動32擴壓器參數(shù)的影響擴壓器葉片入口角度1－2,入口角度減小，噴嘴環(huán)參數(shù)的影響改變噴嘴環(huán)截面積不會影響壓氣機特性曲線面積減小將增大排氣能量，同時增大排氣阻力。因為功率平衡，壓氣機的增壓壓力將增大，從而使聯(lián)合運行線左移。減小噴嘴環(huán)截面積是提高效率和增壓壓力的最有效方法。噴嘴環(huán)出口截面積33噴嘴環(huán)參數(shù)的影響改變噴嘴環(huán)截面積不會影響壓氣機特性曲線噴嘴環(huán)綜合實驗，Zinner圖排溫過高怎么辦？增壓壓力不足怎么辦？噴射定時改變時，增壓壓力會如何改變？流密變壓34綜合實驗，Zinner圖流密變壓34高壓EGR（柴油機）35高壓EGR（柴油機）35低壓EGR（柴油機）36低壓EGR（柴油機）36Step5,機械系統(tǒng)的匹配Step5,機械系統(tǒng)的匹配熱負荷、影響因素空氣壓縮后溫升60-80°C循環(huán)供油量增加，放熱量增大，機油、水溫和排溫提高氣缸蓋“鼻梁骨”斷裂、活塞環(huán)燒結、活塞燒裂；渦輪轉子葉片斷裂等衡量指標：排氣溫度影響因素循環(huán)供油量進氣溫度燃燒過程組織，噴油時刻等冷卻能力掃氣過程導熱材料和結構設計38熱負荷、影響因素空氣壓縮后溫升60-80°C影響因素循環(huán)供油熱負荷、措施1增大進排氣壓差(波動)合適的排氣管截面積增壓中冷增大進排氣門疊開角39熱負荷、措施1增大進排氣壓差(波動)合適的排氣管截面積增壓中改善凸輪型線增大氣門直徑增加搖臂比熱負荷、措施2增大進排氣門排空速率增大油泵容量，擴大散熱增大水泵容量和轉速，加大散熱器面積，加大風扇強化冷卻缸套上部和缸蓋強化冷卻系統(tǒng)調整供油規(guī)律加粗柱塞，增加噴孔，使燃燒在上死點附近完成促進燃燒室中油氣混合加強旋流，提高噴射壓力優(yōu)化噴油正時增大過量空氣系數(shù)改善供油及燃燒系統(tǒng)40改善凸輪型線熱負荷、措施2增大進排氣門排空速率增大油泵容量，機械負荷、措施表征最高燃燒壓力pmax和壓力升高率（p/）maxPmax=npk(:壓力升高率，1.3-2.2)(:壓縮比，12-20)(n:多變指數(shù)，1.35-1.37)(＝2,＝16,n＝1.36,則pmax＝86.8pk）措施壓縮比每增加1,最高燃燒壓力會增加1.2MPa適當降低壓縮比（X6105Z）提前角每減小1CA，pmax降低0.3MPa適當減小供油提前角適當增大噴嘴環(huán)截面積適當增大壓氣機及渦輪的渦殼調整渦輪增壓器柱塞直徑為降低熱負荷而增大，但使初期噴油速率增大，使pmax升高，要兼顧噴孔尺寸噴孔數(shù)量和角度優(yōu)化供油系統(tǒng)41機械負荷、措施表征措施壓縮比每增加1,最高燃燒壓力會增加1第三章：增壓器與內燃機的匹配匹配原則和基本方法車用內燃機增壓特點第三章：增壓器與內燃機的匹配匹配原則和基本方法增壓器與內燃機的匹配

——應用研究增壓器的初選聯(lián)合運行線的調節(jié)Zinner圖熱負荷機械負荷增壓器與內燃機的匹配

——應用研究增壓器的初選匹配對象優(yōu)化增壓器和發(fā)動機的聯(lián)合工作性能選擇壓氣機，以提供燃燒所需的適量空氣，并滿足：在低速、額定轉速和最大轉矩位置有不錯的效率高海拔裕量合適的喘振邊界選擇渦輪機，以驅動壓氣機，并滿足：無廢氣放氣閥時兼顧低速高功率要求和最大氣缸爆發(fā)壓帶廢氣放氣閥時在盡可能低的排氣背壓下，優(yōu)化發(fā)動機的低速功率。44匹配對象優(yōu)化增壓器和發(fā)動機的聯(lián)合工作性能3匹配工作的組織最佳壓氣機最佳渦輪機滿足高海拔要求滿足機械強度要求滿足整機密封性要求性能開發(fā)目標發(fā)動機規(guī)格發(fā)動機測試數(shù)據(jù)構造數(shù)據(jù)壓氣機特性曲線渦輪機特性曲線滿足客戶需求的產品45匹配工作的組織最佳壓氣機最佳渦輪機滿足高海拔要求滿足機械強度幾個階段1.初選（壓氣機）來自市場的開發(fā)目標獲得充分的發(fā)動機和增壓器信息；確定從技術層面上考慮的候選增壓器2.計算聯(lián)合運行線仿真分析增壓器和發(fā)動機匹配的外特性3.實驗調整滿足排放法規(guī)條件下:低速動力性；燃油經濟性；整車匹配：加減速響應特性可靠性；定型產品認證；生產一致性認證；技術開發(fā)層面產品開發(fā)層面46幾個階段1.初選（壓氣機）2.計算聯(lián)合運行線3.實驗調整定型主要步驟搜集客戶數(shù)據(jù)計算發(fā)動機所需的空氣量Step1Step2按壓氣機條件修正流量Step3在壓氣機特性圖上標出數(shù)據(jù)點Step3基于功率平衡計算所需的渦輪Step4在渦輪機特性圖上標出數(shù)據(jù)點Step4驗證系統(tǒng)的機械強度Step5開始選擇壓氣機選擇渦輪機機械強度校核47主要步驟搜集客戶數(shù)據(jù)計算發(fā)動機Step1Step2匹配方法概覽傳統(tǒng)方法手工繪制特性圖手工查找簡單計算信函傳送新方法計算機生成特性曲線圖計算機自動查找數(shù)據(jù)庫在計算平臺上進行計算通過email或WWW傳送數(shù)據(jù)48匹配方法概覽傳統(tǒng)方法7匹配方法匹配方法Step2-3,計算方法

(選擇壓氣機)Step2-3,計算方法

(選擇壓氣機)計算步驟根據(jù)增壓度要求，計算目標平均有效壓力peλ＝Ne/Ne0；pe=120Ne/(iVhn)選取千瓦時空氣消耗量gk及k，計算gk/kgk＝Gk/Ne*3600(kg/kw.h)四沖程：5.85-7.5其中水冷：5.86-6.8,ge高和大時取大值，n大取小值根據(jù)pe和gk/k，查圖得到pk/p0由發(fā)動機參數(shù)計算容積流量iVhnk選定工況點一般用最常用工況點，如發(fā)動機70%和100%額定轉速最大負荷點51計算步驟根據(jù)增壓度要求，計算目標平均有效壓力pe根據(jù)pe和g查圖得到Gk在壓氣機特性曲線上標出點（Gk，pk/p0)依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適的增壓器52查圖得到Gk在壓氣機特性曲線上標出點（Gk，pk/p0)依據(jù)計算公式的推導：

1)建立增壓后標定點空氣量Gk和壓比pk/p0間的關系 0.9（氣門疊開角0-30CA） 1.0（…………50-70CA） 1.1（………100-140CA）k表征4沖程柴油機每分鐘容積流量的參數(shù)常數(shù)？53計算公式的推導：

1)建立增壓后標定點空氣量Gk和壓比pk（續(xù)）？54（續(xù)）？132)為方便使用把iVhnk、pk/p0和Gk間的關系做成圖552)為方便使用把iVhnk、pk/p0和Gk間的關系做成3)建立壓比pk/p0和平均有效壓力pe間的關系gk/k是建立強化程度和外在性能的橋梁常數(shù)563)建立壓比pk/p0和平均有效壓力pe間的關系gk/k4)為方便使用把pe、pk/p0和gk/k間的關系做成圖574)為方便使用把pe、pk/p0和gk/k間的關系做成圖對3個關鍵點的檢查依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適的增壓器58對3個關鍵點的檢查依據(jù)Gk＝10~30%Gk，選用最合適求解聯(lián)合運行線

（Step4:選擇渦輪機及優(yōu)化整機性能）求解聯(lián)合運行線

（Step4:選擇渦輪機及優(yōu)化整機性能）聯(lián)合運行線反映了匹配運行時的綜合情況，可用來判斷匹配是否合適外特性60聯(lián)合運行線反映了匹配運行時的綜合情況，可用來判斷匹配是否合適聯(lián)合運行線計算過程概覽平衡條件功率平衡Nk=NT流量平衡GT=Gk+Gf轉速平衡nT＝nk計算方法－簡單迭代在壓氣機特性曲線上任取一點，得到Gk和pk根據(jù)平衡條件和發(fā)動機流通特性曲線等條件計算出新的平衡點（Gk’，pk’）迭代計算直到這一點平衡選取新的點重復上述步驟選5-6點得出一條聯(lián)合運行線……61聯(lián)合運行線計算過程概覽平衡條件流量平衡GT=Gk+求解平衡運行線一、平衡條件1.功率平衡Nk=NT2.流量平衡3.轉速平衡nT=nk62求解平衡運行線一、平二、求解步驟確定已知條件大氣條件p0,T0;中冷器效率c；(中冷器冷卻水的平均溫度Tw，中冷器壓力損失△p；)渦輪噴嘴環(huán)出口面積F；渦輪出口平均直徑D；發(fā)動機參數(shù)。初選增壓器，得到壓氣機特性和渦輪特性在壓氣機特性曲線上按增壓器標定轉速任取一點A，得到Gnp，pk/p0,nnp,k，求得Y求TkTk＝T0(Y＋1)(求中冷后的溫度Tk’和壓力pk’)Pk/p0GnpA63二、求解步驟確定已知條件求TkPk/p0GnpA22(求冷卻后的折合流量)在渦輪機側：根據(jù)流量平衡，可以由Gk計算出GT，然后根據(jù)經驗數(shù)據(jù)選取初始TT，可由上式計算出p0’/pT設排氣背壓p0’＝p0,得T＝pT/p0由T和nT（nnp）在渦輪流通特性圖上得到T64(求冷卻后的折合流量)根據(jù)流量平衡，可以由Gk計算出GT，然核算GT是否一致，若不一致，重選TT，直到GT一致從渦輪特性曲線上得到T按前面公式求得X檢驗功率是否平衡？在另一個nnp線上取點B，重復3-14步（柴油機轉速不變）；重復15,得到C，D，E，……，連接這些點就得到了柴油機在某轉速下的平衡運行線。選另一個轉速，即可得其它平衡線Tu/c065核算GT是否一致，若不一致，重選TT，直到GT一致按前面公式增壓器的調整與性能優(yōu)化增壓器的調整與性能優(yōu)化工況范圍和效率的不匹配現(xiàn)象67工況范圍和效率的不匹配現(xiàn)象26實驗調整方法整體不匹配時，更換增壓器（葉輪）需小范圍調整時，可調整擴壓器、噴嘴環(huán)及發(fā)動機參數(shù)如進排氣過程68實驗調整方法27根據(jù)壓氣機葉輪參數(shù)可估算新的空氣流量69根據(jù)壓氣機葉輪參數(shù)可估算新的空氣流量281.壓氣機導流環(huán)的影響701.壓氣機導流環(huán)的影響29壓氣機葉輪參數(shù)的影響壓氣機葉片出口角度71壓氣機葉輪參數(shù)的影響壓氣機葉片出口角度30擴壓器參數(shù)的影響有/無葉片時的變化72擴壓器參數(shù)的影響有/無葉片時的變化31擴壓器參數(shù)的影響擴壓器葉片入口角度1－2,入口角度減小，特性曲線繞原點向左側轉動擴壓器葉片高度1－2,葉片高度減小，特性曲線大致平行向左移動73擴壓器參數(shù)的影響擴壓器葉片入口角度1－2,入口角度減小，噴嘴環(huán)參數(shù)的影響改變噴嘴環(huán)截面積不會影響壓氣機特性曲線面積減小將增大排氣能量，同時增大排氣阻力。因為功率平衡，壓氣機的增壓壓力將增大，從而使聯(lián)合運行線左移。減小噴嘴環(huán)截面積是提高效率和增壓壓力的最有效方法。噴嘴環(huán)出口截面積74噴嘴環(huán)參數(shù)的影響改變噴嘴環(huán)截面積不會影響壓氣機特性曲線噴嘴環(huán)綜合實驗，Zinner圖排溫過高怎么辦？增壓壓力不足怎么辦？噴射定時改變時，增壓壓力會如何改變？流密變壓75綜合實