發(fā)動機排氣能量的利用

章

發(fā)動機排氣能量的利用

渦輪增壓技術

2021/5/91柴油機熱力循環(huán)分析---(1)柴油機理論示功圖柴油機實際示功圖2021/5/92---柴油機的實際示功圖柴油機熱力循環(huán)分析線段0-1為進氣過程；線段1-2為壓縮過程；線段2-3-4為燃燒過程；線段4-5為膨脹過程；線段5-0為排氣過程。2021/5/93---柴油機的理論示功圖柴油機熱力循環(huán)分析線段0-1為定壓進氣過程；線段1-2為絕熱的壓縮過程；線段2-3為定容的燃燒過程；線段3-4為定壓燃燒過程；線段4-5為絕熱膨脹過程；線段5-1為定容排氣過程；線段1-0為定壓排氣過程。2021/5/94混合加熱循環(huán)的p-v圖與T-s圖---柴油機的理想熱力循環(huán)柴油機熱力循環(huán)分析2021/5/95---增壓和非增壓比較柴油機熱力循環(huán)分析2021/5/96柴油機熱力循環(huán)分析2021/5/97---四沖程增壓柴油機理論示功圖柴油機熱力循環(huán)分析2021/5/98---脈沖能量的利用柴油機熱力循環(huán)分析發(fā)動機的排氣能量，在脈沖增壓系統(tǒng)中的利用，主要著眼于回收EL部分的能量，不致使EL完全變成節(jié)流損失。脈沖增壓排氣管內(nèi)的壓力波動2021/5/99---能量損失柴油機熱力循環(huán)分析排氣門前排氣具有的能量在流經(jīng)排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失包括如下幾個方面：

1)流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失;

2)流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；

3)管道面積突擴時的流動損失；

4)不同參數(shù)氣流滲混和撞擊形成的損失；

5)由于氣體的粘性而形成的靡擦損失：

6)氣流向外界散熱所形成的能量損失。2021/5/910---脈沖流量系數(shù)的確定柴油機熱力循環(huán)分析渦輪端在脈沖進氣狀態(tài)下，發(fā)動機排氣的流量與定常流動不同。在脈沖壓力波的情況下，流經(jīng)渦輪的流量Mp始終小于定壓情況下，流經(jīng)渦輪的流量Ms。兩者流量比稱為流量脈沖系數(shù)。上述結(jié)論，在脈沖進氣時，欲得到與定壓流動相同的流量，必須采用較大的流通截面積。2021/5/911---脈沖能量系數(shù)的確定柴油機熱力循環(huán)分析渦輪端在脈沖進氣狀態(tài)下，發(fā)動機的排氣能量與定常流動不同。脈沖波的廢氣能量大于等壓波的廢氣能量。兩者之比稱為能量脈沖系數(shù)。2021/5/912---提高廢氣最大可用能和能量傳遞效率途徑柴油機熱力循環(huán)分析1）應使排氣門的通流面積盡可能大；2）應力求管道光順、沒有縮口；3）排氣總管內(nèi)徑做的與歧管內(nèi)徑一樣大，以避免突擴損失；4）使用順著氣流的斜向接頭，以避免撞擊損失；5）力求管壁光滑，減少摩擦；6）排氣管使用絕熱材料包裹以隔熱。2021/5/913脈沖渦輪增壓與等壓增壓從排氣可用能量的利用方式來看，增壓系統(tǒng)可以分為脈沖(變壓)增壓與等壓(定壓)增壓兩種基本方式。所謂脈沖增壓系統(tǒng)，就是利用了排氣的脈沖能量，如果要利用排氣脈沖能量，一般要求排氣管容積要小，直徑要細，并將排氣管制成分歧形式，保持排氣中的壓力波動，而且渦輪渦殼一般為雙通道。而等壓系統(tǒng)與之相反，排氣管容積一般較大，直徑較粗，盡量消除排氣脈動，渦輪前排氣管內(nèi)的壓力基本是恒定的，渦輪殼一般為單通道。---(1)2021/5/914脈沖渦輪增壓與等壓增壓等壓增壓示意圖---(2)2021/5/915脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖增壓示意圖---(3)2021/5/916脈沖渦輪增壓與等壓增壓脈沖增壓的優(yōu)點：排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好。加速性能好，因為排氣管容積小，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速上升快。缺點：u1/cad值在一個排氣脈沖內(nèi)不斷變化，因此渦輪效率較低；加之渦輪葉輪沿圓周方向又是部分進氣，促使渦輪效率進一步降低。---(4)2021/5/917脈沖渦輪增壓與等壓增壓等壓增壓的優(yōu)點：渦輪全進氣，壓力波動小，渦輪效率高。排氣管結(jié)構(gòu)簡單。缺點：加速性差，低負荷性能差。---(5)2021/5/918脈沖渦輪增壓與等壓增壓如果僅從廢氣能量利用的觀點出發(fā)，在壓比達到2.5以后，應用脈沖系統(tǒng)就沒有多大好處。但是要考慮到高增壓發(fā)動機在部分負荷以及車用發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時廢氣能量的利用，脈沖增壓系統(tǒng)對改善車用發(fā)動機的低速扭矩特性是有利的。---(6)脈沖收益系數(shù)脈沖能量利用系數(shù)×脈沖渦輪效率等壓渦輪效率2021/5/919脈沖渦輪增壓與等壓增壓在低增壓時，且氣缸數(shù)又是3的倍數(shù)時，采用脈沖系統(tǒng)肯定是有利的。至于高增壓采用何種系統(tǒng)為宜，要根據(jù)發(fā)動機的具體情況，例如用途，氣缸數(shù)目等綜合考慮。對于車用發(fā)動機，優(yōu)先采用脈沖增壓，可改善發(fā)動機的扭矩特性，發(fā)動機的加速性。---(7)2021/5/920渦輪的熱力計算渦輪熱力計算的目的是，為了合理地確定渦輪通流部分的幾何尺寸和各通流元件進出口的氣流參數(shù)，使渦輪達到給定的輸出功率時獲得較高的效率。目前車用渦輪增壓發(fā)動機的增壓系統(tǒng)有兩種基本的型式：等壓增壓系統(tǒng)和脈沖增壓系統(tǒng)。在這兩種系統(tǒng)的設計中，壓氣機的計算是相同的，但是渦輪的計算有所不同。2021/5/921渦輪的熱力計算渦輪前燃氣平均溫度TT的確定:---等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(1)可以根據(jù)能量平衡進行計算：進入發(fā)動機的能量有：

1)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。

2)進入發(fā)動機氣缸增壓空氣的熱量。發(fā)動機輸出的能量有：

1)發(fā)動機的指示功。2)傳給冷卻水的熱量。

3)廢氣帶走的熱量。按照進入發(fā)動機的能量和發(fā)動機輸出的能量相等，列出方程式，可以求出渦輪前的排氣溫度。但由于冷卻水帶走的熱量不容易精確估計，所以渦輪前排氣溫度也難以計算精確。2021/5/922渦輪的熱力計算---等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(2)可以通過參考相似發(fā)動機的排氣溫度TT與總過量空氣系數(shù)和增壓后空氣溫度Tc的統(tǒng)計數(shù)據(jù)做參考，對TT進行取值。在“增壓器與發(fā)動機匹配”中，將講述排氣溫度TT的理論計算。2021/5/923渦輪的熱力計算---等壓系統(tǒng)參數(shù)的確定(3)渦輪前燃氣的壓力pT，可由渦輪增壓器的渦輪和壓氣機功率平衡求得。如果T0，TT，ηTc等參數(shù)為已知，所需增壓壓力pc也已經(jīng)確定，則渦輪前壓力pT可以求得。2021/5/924渦輪的熱力計算---脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(1)在進行脈沖系統(tǒng)設計時，要考慮其主要特點：

1)渦輪前的壓力和溫度隨時間做周期性的大幅變化，由于時間周期較短，同時由于增壓器的慣性，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速可以認為是不變的。其結(jié)果是渦輪在每瞬時都以不同的u1/cad工作，導致渦輪效率下降。

2)隨著渦輪前壓力和溫度的不斷變化，瞬時的渦輪效率和通流能力都是不斷變化的。渦輪在脈沖條件下進氣，所通過的流量要比以脈沖壓力的時間平均值作穩(wěn)態(tài)流動時的所通過的流量小。因此，在確定脈沖渦輪設計參數(shù)時，不能和等壓系統(tǒng)一樣用排氣壓力、溫度、流量的時間平均值做設計參數(shù)。2021/5/925渦輪的熱力計算---脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(2)焓降脈沖修正系數(shù)KH，表示脈沖渦輪計算焓降與可用平均焓降之比。流量脈沖修正系數(shù)KM，表示脈沖渦輪計算流量與通過渦輪的時間平均流量之比。效率脈沖修正系數(shù)Kη，表示脈沖渦輪效率與其對應的等壓增壓系統(tǒng)中渦輪的有效效率之比。常用的脈沖渦輪設計參數(shù)的確定方法，是采用三個修正系數(shù)，按經(jīng)驗數(shù)據(jù)來估算脈沖波的影響。2021/5/926渦輪的熱力計算---脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(3)KH，KM主要與增壓壓力

以及每根排氣管所接氣缸數(shù)目有關。2021/5/927渦輪的熱力計算---脈沖系統(tǒng)參數(shù)的確定(4)效率脈沖修正系數(shù)