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1、1,第五章发动机排气能量的利用,涡轮增压技术,2,柴油机热力循环分析,-(1),柴油机理论示功图,柴油机实际示功图,3,-柴油机的实际示功图,柴油机热力循环分析,线段0-1为进气过程；线段1-2为压缩过程；线段2-3-4为燃烧过程；线段4-5为膨胀过程；线段5-0为排气过程。,4,-柴油机的理论示功图,柴油机热力循环分析,线段0-1为定压进气过程；线段1-2为绝热的压缩过程；线段2-3为定容的燃烧过程；线段3-4为定压燃烧过程；线段4-5为绝热膨胀过程；线段5-1为定容排气过程；线段1-0为定压排气过程。,5,混合加热循环的 p-v 图与 T-s 图,-柴油机的理想热力循环,柴油机热力循环分析
2、,6,-增压和非增压比较,柴油机热力循环分析,7,柴油机热力循环分析,8,-四冲程增压柴油机理论示功图,柴油机热力循环分析,9,-脉冲能量的利用,柴油机热力循环分析,发动机的排气能量，在脉冲增压系统中的利用，主要着眼于回收EL部分的能量，不致使EL完全变成节流损失。,脉冲增压排气管内的压力波动,10,-能量损失,柴油机热力循环分析,排气门前排气具有的能量在流经排气门、气缸盖排气道、排气歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失包括如下几个方面：1)流经排气门处的节流损失;2)流经各种缩口处的节流损失；3)管道面积突扩时的流动损失；4)不同参数气流渗混和撞击形成的损失；5)由
3、于气体的粘性而形成的靡擦损失：6)气流向外界散热所形成的能量损失。,11,-脉冲流量系数的确定,柴油机热力循环分析,涡轮端在脉冲进气状态下，发动机排气的流量与定常流动不同。在脉冲压力波的情况下，流经涡轮的流量Mp始终小于定压情况下，流经涡轮的流量Ms。两者流量比称为流量脉冲系数。上述结论，在脉冲进气时，欲得到与定压流动相同的流量，必须采用较大的流通截面积。,12,-脉冲能量系数的确定,柴油机热力循环分析,涡轮端在脉冲进气状态下，发动机的排气能量与定常流动不同。脉冲波的废气能量大于等压波的废气能量。两者之比称为能量脉冲系数。,13,-提高废气最大可用能和能量传递效率途径,柴油机热力循环分析,1）
4、应使排气门的通流面积尽可能大；2）应力求管道光顺、没有缩口；3）排气总管内径做的与歧管内径一样大，以避免突扩损失；4）使用顺着气流的斜向接头，以避免撞击损失；5）力求管壁光滑，减少摩擦；6）排气管使用绝热材料包裹以隔热。,14,脉冲涡轮增压与等压增压,从排气可用能量的利用方式来看，增压系统可以分为脉冲(变压)增压与等压(定压)增压两种基本方式。所谓脉冲增压系统，就是利用了排气的脉冲能量，如果要利用排气脉冲能量，一般要求排气管容积要小，直径要细，并将排气管制成分歧形式，保持排气中的压力波动，而且涡轮涡壳一般为双通道。而等压系统与之相反，排气管容积一般较大，直径较粗，尽量消除排气脉动，涡轮前排气管
5、内的压力基本是恒定的，涡轮壳一般为单通道。,-(1),15,脉冲涡轮增压与等压增压,等压增压示意图,-(2),16,脉冲涡轮增压与等压增压,脉冲增压示意图,-(3),17,脉冲涡轮增压与等压增压,脉冲增压的优点：排气能量利用系数高，低工况性能好。加速性能好，因为排气管容积小，涡轮增压器转速上升快。缺点：u1/cad值在一个排气脉冲内不断变化，因此涡轮效率较低；加之涡轮叶轮沿圆周方向又是部分进气，促使涡轮效率进一步降低。,-(4),18,脉冲涡轮增压与等压增压,等压增压的优点：涡轮全进气，压力波动小，涡轮效率高。排气管结构简单。缺点：加速性差，低负荷性能差。,-(5),19,脉冲涡轮增压与等压增
6、压,如果仅从废气能量利用的观点出发，在压比达到2.5以后，应用脉冲系统就没有多大好处。但是要考虑到高增压发动机在部分负荷以及车用发动机在低转速时废气能量的利用，脉冲增压系统对改善车用发动机的低速扭矩特性是有利的。,-(6),脉冲收益系数,脉冲能量利用系数,脉冲涡轮效率,等压涡轮效率,20,脉冲涡轮增压与等压增压,在低增压时，且气缸数又是3的倍数时，采用脉冲系统肯定是有利的。至于高增压采用何种系统为宜，要根据发动机的具体情况，例如用途，气缸数目等综合考虑。对于车用发动机，优先采用脉冲增压，可改善发动机的扭矩特性，发动机的加速性。,-(7),21,涡轮的热力计算,涡轮热力计算的目的是，为了合理地确
7、定涡轮通流部分的几何尺寸和各通流元件进出口的气流参数，使涡轮达到给定的输出功率时获得较高的效率。目前车用涡轮增压发动机的增压系统有两种基本的型式：等压增压系统和脉冲增压系统。在这两种系统的设计中，压气机的计算是相同的，但是涡轮的计算有所不同。,22,涡轮的热力计算,涡轮前燃气平均温度TT的确定:,-等压系统参数的确定(1),可以根据能量平衡进行计算：进入发动机的能量有：1)燃料燃烧所产生的热量。2)进入发动机气缸增压空气的热量。发动机输出的能量有：1)发动机的指示功。,2)传给冷却水的热量。3)废气带走的热量。按照进入发动机的能量和发动机输出的能量相等，列出方程式，可以求出涡轮前的排气温度。但
8、由于冷却水带走的热量不容易精确估计，所以涡轮前排气温度也难以计算精确。,23,涡轮的热力计算,-等压系统参数的确定(2),可以通过参考相似发动机的排气温度TT与总过量空气系数和增压后空气温度Tc的统计数据做参考，对TT进行取值。在“增压器与发动机匹配”中，将讲述排气温度TT的理论计算。,24,涡轮的热力计算,-等压系统参数的确定(3),涡轮前燃气的压力pT，可由涡轮增压器的涡轮和压气机功率平衡求得。如果T0，TT，Tc等参数为已知，所需增压压力pc也已经确定，则涡轮前压力pT可以求得。,25,涡轮的热力计算,-脉冲系统参数的确定(1),在进行脉冲系统设计时，要考虑其主要特点：1)涡轮前的压力和
9、温度随时间做周期性的大幅变化，由于时间周期较短，同时由于增压器的惯性，涡轮增压器的转速可以认为是不变的。其结果是涡轮在每瞬时都以不同的u1/cad工作，导致涡轮效率下降。2)随着涡轮前压力和温度的不断变化，瞬时的涡轮效率和通流能力都是不断变化的。涡轮在脉冲条件下进气，所通过的流量要比以脉冲压力的时间平均值作稳态流动时的所通过的流量小。因此，在确定脉冲涡轮设计参数时，不能和等压系统一样用排气压力、温度、流量的时间平均值做设计参数。,26,涡轮的热力计算,-脉冲系统参数的确定(2),焓降脉冲修正系数KH，表示脉冲涡轮计算焓降与可用平均焓降之比。流量脉冲修正系数KM，表示脉冲涡轮计算流量与通过涡轮的
10、时间平均流量之比。效率脉冲修正系数K，表示脉冲涡轮效率与其对应的等压增压系统中涡轮的有效效率之比。,常用的脉冲涡轮设计参数的确定方法，是采用三个修正系数，按经验数据来估算脉冲波的影响。,27,涡轮的热力计算,-脉冲系统参数的确定(3),KH，KM主要与增压压力以及每根排气管所接气缸数目有关。,28,涡轮的热力计算,-脉冲系统参数的确定(4),效率脉冲修正系数K，与脉冲波幅度有关,29,涡轮的热力计算,-脉冲系统参数的确定(5),确定了计算焓降HTd、计算流量MTd和脉冲涡轮效率Tpu后，就可以用一般等压增压系统涡轮的计算方法进行脉冲涡轮的热力计算。脉冲涡轮的热力计算程序参考有关书籍上的计算表格进行计算。,30,谢谢,
