第三章：增压器与内燃机的匹配

课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训第三章：增压器与内燃机的匹配匹配原则和基本方法车用内燃机增压特点课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训增压器与内燃机的匹配——应用研究增压器的初选联合运行线的调节Zinner图热负荷机械负荷课程编号：PX_YC_YFY_20073匹配对象优化增压器和发动机的联合工作性能•选择压气机，以提供燃烧所需的适量空气，并满足：–在低速、额定转速和最大转矩位置有不错的效率–高海拔裕量–合适的喘振边界•选择涡轮机，以驱动压气机，并满足：–无废气放气阀时•兼顾低速高功率要求和最大气缸爆发压–带废气放气阀时•在尽可能低的排气背压下，优化发动机的低速功率。课程编号：PX_YC_YFY_20074匹配工作的组织最佳压气机最佳涡轮机满足高海拔要求满足机械强度要求满足整机密封性要求满足客户需求的产品课程编号：PX_YC_YFY_20075几个阶段1.初选（压气机）•来自市场的开发目标•获得充分的发动机和增压器信息；•确定从技术层面上考虑的候选增压器2.计算联合运行线•仿真分析增压器和发动机匹配的外特性3.实验调整•满足排放法规条件下:•低速动力性；•燃油经济性；•整车匹配：•加减速响应特性•可靠性；定型•产品认证；•生产一致性认证；技术开发层面产品开发层面课程编号：PX_YC_YFY_20076主要步骤搜集客户数据计算发动机所需的空气量Step1Step2按压气机条件修正流量Step3在压气机特性图上标出数据点Step3基于功率平衡计算所需的涡轮Step4在涡轮机特性图上标出数据点Step4验证系统的机械强度Step5开始选择压气机选择涡轮机机械强度校核课程编号：PX_YC_YFY_20077匹配方法概览•传统方法–手工绘制特性图–手工查找–简单计算–信函传送•新方法–计算机生成特性曲线图–计算机自动查找数据库–在计算平台上进行计算–通过email或传送数据课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训匹配方法课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训Step2-3,计算方法(选择压气机)课程编号：PX_YC_YFY_200710计算步骤1.根据增压度要求，计算目标平均有效压力peλ＝Ne/Ne0；pe=120Ne/(iVhn)2.选取千瓦时空气消耗量gk及k，计算gk/kgk＝Gk/Ne*3600(kg/kw.h)四冲程：5.85-7.5其中水冷：5.86-6.8,ge高和大时取大值，n大取小值3.根据pe和gk/k，查图得到pk/p04.由发动机参数计算容积流量iVhnk选定工况点–一般用最常用工况点，如发动机70%和100%额定转速最大负荷点课程编号：PX_YC_YFY_2007115.查图得到Gk6.在压气机特性曲线上标出点（Gk，pk/p0)依据Gk＝10~30%Gk，选用最合适的增压器课程编号：PX_YC_YFY_200712计算公式的推导：1)建立增压后标定点空气量Gk和压比pk/p0间的关系33h0hsviV10/260:VLvssknVmsi体积流量＝缸数；工作容积（）；n:标定点转速；：扫气系数令给气比0.9（气门叠开角0-30CA）1.0（…………50-70CA）1.1（………100-140CA）k00030012010(/min)kkkkkhkkGGVGiVnL又：于是•表征4冲程柴油机每分钟容积流量的参数•常数？课程编号：PX_YC_YFY_200713（续）001100101030//(/)/:/11()1/1200)/1/(kkkkkkkkhkkkkkkkkppTTppTTpppTTnipVnGgk0kh0根据气体状态方程得用压气机绝热效率替换并把带入iV得：？课程编号：PX_YC_YFY_2007142)为方便使用把iVhnk、pk/p0和Gk间的关系做成图课程编号：PX_YC_YFY_2007153)建立压比pk/p0和平均有效压力pe间的关系120()/3600(/.)5.85~6.8/3.6(eehkkekekhkkekkNpMPaiVngGNkgkwhgggggppiVpn：标定点千瓦时功率的耗气量4冲程水冷高速柴油机：，较大时，取大值较大时，取大值n较大时，取小值结合公式，可得到0100)1/1()/1kkkkkkppg•gk/k是建立强化程度和外在性能的桥梁•常数课程编号：PX_YC_YFY_2007164)为方便使用把pe、pk/p0和gk/k间的关系做成图课程编号：PX_YC_YFY_200717对3个关键点的检查依据Gk＝10~30%Gk，选用最合适的增压器课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训求解联合运行线（Step4:选择涡轮机及优化整机性能）课程编号：PX_YC_YFY_200719联合运行线•反映了匹配运行时的综合情况，可用来判断匹配是否合适外特性课程编号：PX_YC_YFY_200720联合运行线计算过程概览•平衡条件1.功率平衡Nk=NT''01'010111pTTTKpkkkTmTkkkkCGTYXGCTpXppYp2.流量平衡GT=Gk+Gf3.转速平衡nT＝nk计算方法－简单迭代1.在压气机特性曲线上任取一点，得到Gk和pk2.根据平衡条件和发动机流通特性曲线等条件计算出新的平衡点（Gk’，pk’）3.迭代计算直到这一点平衡4.选取新的点重复上述步骤5.选5-6点得出一条联合运行线6.……课程编号：PX_YC_YFY_200721求解平衡运行线一、平衡条件1.功率平衡Nk=NT2.流量平衡3.转速平衡nT=nk''''10001'011'00111.4111,''11,kkkkkpkkpkkkTTpTTTmTpTTkkkkTmTpNGCTpkCRkkpNGCTpkCRkppXYppgg为变压系统中功率放大系数，恒压时＝变压时1,一般取值1~2令011kkpTTTkpkCGTYXGCTggg则00111.0~1.03,1.0~1.03TkfkTkGGGGllGffGg1一般1+令则课程编号：PX_YC_YFY_200722二、求解步骤1.确定已知条件大气条件p0,T0;中冷器效率c；(中冷器冷却水的平均温度Tw，中冷器压力损失△p；)涡轮喷嘴环出口面积F；涡轮出口平均直径D；发动机参数。2.初选增压器，得到压气机特性和涡轮特性3.在压气机特性曲线上按增压器标定转速任取一点A，得到Gnp，pk/p0,nnp,k，求得Y4.求TkTk＝T0(Y＋1)5.(求中冷后的温度Tk’和压力pk’)Pk/p0GnpA''001kckcwkkkTTTpppppppg课程编号：PX_YC_YFY_2007236.(求冷却后的折合流量)7.在涡轮机侧：8.根据流量平衡，可以由Gk计算出GT，然后根据经验数据选取初始TT，可由上式计算出p0’/pT9.设排气背压p0’＝p0,得T＝pT/p010.由T和nT（nnp）在涡轮流通特性图上得到050''0'5'02931*102931*10knpkkkknpkkkpGGTGTTppGpTppQggggT0nTTTTGTpTTTGTp'''21'''00'T2[()()]132aTTTTTkkkTTTpGARTppkkppA式中，是涡轮的当量流通截面积；（参看宋守信的《内燃机增压技术》（）式课程编号：PX_YC_YFY_20072410.核算GT是否一致，若不一致，重选TT，直到GT一致12.从涡轮特性曲线上得到T13.按前面公式求得X14.检验功率是否平衡？15.在另一个nnp线上取点B，重复3-14步（柴油机转速不变）；16.重复15,得到C，D，E，……，连接这些点就得到了柴油机在某转速下的平衡运行线。选另一个转速，即可得其它平衡线'''01'11.211TkkTTDnuckRTkgTu/c0001?1,4Y5%pTTpknpCTYXlCTYXnY若则在同一线上另取一点，重复31步，直到对的相对误差gL课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训增压器的调整与性能优化课程编号：PX_YC_YFY_200726工况范围和效率的不匹配现象课程编号：PX_YC_YFY_200727实验调整•方法–整体不匹配时，更换增压器（叶轮）–需小范围调整时，可调整扩压器、喷嘴环及发动机参数如进排气过程课程编号：PX_YC_YFY_200728根据压气机叶轮参数可估算新的空气流量课程编号：PX_YC_YFY_2007291.压气机导流环的影响课程编号：PX_YC_YFY_200730压气机叶轮参数的影响2.压气机叶片出口角度课程编号：PX_YC_YFY_200731扩压器参数的影响3.有/无叶片时的变化课程编号：PX_YC_YFY_200732扩压器参数的影响4.扩压器叶片入口角度•1－2,入口角度减小，特性曲线绕原点向左侧转动5.扩压器叶片高度•1－2,叶片高度减小，特性曲线大致平行向左移动课程编号：PX_YC_YFY_200733喷嘴环参数的影响•改变喷嘴环截面积不会影响压气机特性曲线•面积减小将增大排气能量，同时增大排气阻力。因为功率平衡，压气机的增压压力将增大，从而使联合运行线左移。•减小喷嘴环截面积是提高效率和增压压力的最有效方法。6.喷嘴环出口截面积课程编号：PX_YC_YFY_200734综合实验，Zinner图•排温过高怎么办？•增压压力不足怎么办？•喷射定时改变时，增压压力会如何改变？流密变压课程编号：PX_YC_YFY_200735高压EGR（柴油机）200026-05ModulatedEGR-RatecontrolvalveEGRcoolerEGRvalveAirfilterIntakemanifoldAir/AirIntercoolerEngineExhaustmanifoldVenturiParticulatetrapNOxsensorpsensorAirflowmeterCheckvalve(optional)课程编号：PX_YC_YFY_200736低压EGR（柴油机）EGRcoolerEGRvalveAirfilterIntakemanifoldAir/AirIntercoolerEngineExhaustmanifoldParticulatetrapNOxsensorNOxsensorppsensorsensor200026-06课程编号：PX_YC_YFY_2007玉柴电控柴油机技术培训Step5,机械系统的匹配课程编号：PX_YC_YFY_200738热负荷、影响因素•空气压缩后温升60-80°C•循环供油量增加，放热量增大，机油、水温和排温提高气缸盖“鼻梁骨”断裂、活塞环烧结、活塞烧裂；涡轮转子叶片断裂等衡量指标：排气温度•影响因素循环供油量进气温度燃烧过程组织，喷油时刻等冷却能力扫气过程导热材料和结构设计课程编号：PX_YC_YFY_200739热负荷、措施1增大进排气压差(波动)合适的排气管截面积增压中冷增大进排气门叠开角课程编号：PX_YC_YFY_200740•改善凸轮型线•增大气门直径•增加摇臂比热负荷、措施2增大进排气门排空速率•增大油泵容量，扩大散热•增大水泵容量和转速，加大散热器面积，加大风扇•强化冷却缸套上部和缸盖强化冷却系统•调整供油