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柴油機渦輪機增壓技術 第2版 教學課件 作者 陸家祥 電子課件 第二章.ppt

'柴油機渦輪機增壓技術 第2版 教學課件 作者 陸家祥 電子課件 第二章.ppt'
第二章 增壓系統熱力參數及其調節 2.1排氣能量的利用 2.1.1 排氣最大可用能壓氣機 1-2 壓氣機進氣 2-a 壓氣機絕熱壓縮 a-3 壓氣機排氣 1-2-a-3-1 壓氣機耗功8-2-a-6-8 進入發動機氣缸并留在氣缸內的空氣壓縮耗功1-8-6-3-1 掃氣空氣的壓縮功Es:掃氣空氣所具有的能量Es’: 掃氣空氣進入渦輪后具有的能量Es’’: 5-7-6-3-5,掃氣空氣節流損失柴油機 3-a 柴油機進氣a-c 柴油機絕熱c-z 柴油機等容燃燒z-z’ 柴油機等壓燃燒z’-b 柴油機絕熱膨脹b-4 柴油機等容排氣4-5 柴油機等壓排氣 柴油機指示功Wia-c-z-z’-b-a 柴油機缸內氣體膨脹功6-7-4-a-6 柴油機泵吸正功b-9-K’-b 柴油機排氣門打開時排氣等熵膨脹 至大氣壓力pa時所能作的功 (Eb)b-4-T’ - b 排氣經排氣門節流和排氣歧管中自由膨脹所損失的能量,E14-9-K’-T’-4排氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量,ET渦輪 5-4-T’ 渦輪進氣T’-K’ 渦輪絕熱膨脹K’-2-1 渦輪排氣 1-K-T-5-1:渦輪排氣總能量 E21-8-7-5-1:掃氣空氣進入渦輪后具有的能量 Es’8-9-4-7-8:活塞推出排氣使排氣增加的能量 Ec4-9-K’-T’-4 :排氣在渦輪中的膨脹功,ETT’-K’-K-T-T’:E1中的一小部分轉變為熱能加熱 排氣使其增加的能量 Eq排氣的最大可用能E由三部分組成:排氣門打開時,氣缸內氣體等熵膨脹到大氣壓力所作的功Eb活塞推出排氣,排氣得到的能量Ec掃氣空氣所具有的能量Es 2. 能量傳遞中的損失及減少措施 總能量損失△E:△E=△Ev+△EC +△ED +△EM +△EF +△Eh△Ev---流經排氣門處的節流損失;△EC ---流經各種縮口處的節流損失;△ED ---管道面積突擴時的流動損失;△EM ---不同參數氣流摻混和撞擊形成的損失;△EF ---由于氣體的粘性而形成的摩擦損失;△Eh ---氣流向外界散熱所形成的能量損失。(1) △Ev:流經排氣門處的節流損失約占總損失的60%~70% ①在設計中,使排氣門開啟后的通流面積盡可能大。②排氣門開啟速度盡可能快。③排氣管容積不應太大,排氣管要細而短。減少△Ev的措施:(2) △EC:流經各種縮口處的節流損失 減少措施:光順管道、減少縮口。圖2-2 排氣管內的壓力變化(3) △ED:管道面積突擴時的流動損失減少措施:避免突擴。 (4) △EM: 不同參數氣流摻混和撞擊形成的損失減少措施:避免氣流撞擊。歧管用順著氣流的斜向接頭,不用T形接頭/十字接頭。 (5)△EF:摩擦損失 減少措施:光滑管壁,減少摩擦。 (6)△Eh:向外界散熱形成的損失 減少措施:隔熱 能量傳遞效率:式中,ET-渦輪進口處氣體的可用能量; Ec-排氣門前氣體的可用能量。 2.1.3排氣能量利用方式定壓增壓系統: 不利用脈沖能量E1,排氣管較大,部分脈沖能量轉化為熱能Eq,渦輪前排溫高。 能量回收率:式中:-渦輪出口壓力,-渦輪入口壓力,-渦輪中氣體的等熵指數.定壓增壓系統優點: 1)可采用渦輪全進氣,壓力波動小,渦輪效率高。2)多缸時,排氣管結構簡單。3)渦輪增壓器布置較自由。4)不會由于壓力波的干擾而使柴油機的轉速上限受到限。5)對低增壓相同功率的柴油機而言,渦輪通流面積較脈沖的小,可用小一號渦輪增壓器。 定壓增壓系統缺點: 1)加速性較差,低負荷性能較差。2)掃氣空氣量較脈沖的少。 3)部分負荷時,有時掃氣倒流,弄污進氣系統及增壓器。4)在低轉速、高轉矩時,增壓壓力下降較大。5)在缸數少時,顯得排氣管容積過大。定壓增壓系統應用: 高增壓而大部分時間在高負荷運轉的柴油機。如發電機組、氣缸數為7缸、14缸的柴油機等。 脈沖增壓系統: 利用脈沖能量E1,排氣管容積小,壓力有波動。E1實際利用40~50%.脈沖能量利用系數: 脈沖增壓系統中利用的脈沖能量占總能量中的份數。 利用E1的50%時 脈沖增壓系統優點: 1)排氣能量利用系數高,低工況性能好。2)掃氣易于組織。3)加速性能較好。 脈沖增壓系統缺點: l)增壓壓力高時,排氣門節流損失大。2)排氣管太長時,反射壓力波對掃氣會產生干擾。3)同樣功率的柴油機,常常要大一號的增壓器,成本較高。4)缸數多時,排氣管結構較復雜。 脈沖增壓系統應用: 用于車用、船用等變速、變負荷運行較多的場合。 2.1.4 影響脈沖能量利用的因素(1) 排氣門開啟定時:排氣門開啟時相對瞬時壓力系數 pc-缸內瞬時壓力 pa-渦輪背壓 (2)排氣門通流面積氣缸排空速率 -流量系數;-排氣門最大有效流通面積;-排氣門開啟時的氣流音速;-一個氣缸的工作容積。四沖程柴油機一般不小于12 (3) 排氣門開啟規律排氣門開啟規律影響系數 排氣門瞬時開啟面積 排氣門最大開啟面積 (4)排氣管通流面積排氣管截面積影響系數 排氣管通流面積 排氣管最大有效通流截面積 中、低增壓柴油機, =1.1~1.3 高增壓柴油機,=1 左右 ( 5 ) 排氣管長度排氣管內壓力波形狀的主要影響因素: 1)排氣管長度; 2)渦輪通流面積和排氣管通流面積之比; 3)排氣門開啟瞬時通流面積和排氣管通流面積之比。排氣管長度影響系數 一般(6) 渦輪通流面積渦輪通流特性系數 渦輪當量通流面積;-排氣管中一個循環的氣體平均聲速一般10~12 2.1.5 脈沖增壓排氣管方案設計1. 排氣管分歧一般增壓柴油機排氣門開啟持續角為240~320℃A,一根四沖程柴油機的排氣管最多聯接三個氣缸。圖2-5 四沖程柴油機排氣管分歧圖例2. 排氣管設計 定壓增壓排氣管 排氣管容積較大,一般為發動機總氣缸容積的兩倍左右。排氣在排氣管中平均流速不超過50m/s排氣壓力穩定排氣管截面積 的確定 i 為排氣管所連的氣缸數。為排氣管中的排氣密度;為發動機排氣的質量流量;脈沖增壓排氣管分歧排氣歧管容積的確定:排氣歧管的容積 一個氣缸工作容積 經驗公式 式中,-排氣門最大開啟面積;dr -排氣歧管直徑;D -氣缸直徑。3. 脈沖轉換器 優點:兼顧了脈沖增壓和定壓增壓的優點,對于能量傳遞來講,接近于脈沖系統;對于渦輪效率而言,接近于定壓系統。燃燒室掃氣量大,柴油機低工況性能改善,流通面積可以減小,葉片振動應力降低等。應用:對4、8、16缸機,脈沖轉換系統優于脈沖增壓系統。4. 多脈沖轉。省略部分。系數增壓后例如:非增壓高速四沖程機 增壓高速四沖程機 (有掃氣時)↑3. 殘余廢氣系數在有掃氣的情況下,增壓機的殘余廢氣系數↓ 例如:非增壓柴油機=3%~6%;=0~2% 增壓柴油機4. 過量空氣系數增壓柴油機對過量空氣系數的要求為:為了降低熱負荷及照顧低工況性能,一般要求較非增壓機大10%~30% 如: 非增壓高速四沖程柴油機 直噴式燃燒室: =1.6~1.9分隔式燃燒室增壓高速四沖程柴油機 直噴式燃燒室:=1.3~1.6=1.7~2.2分隔式燃燒室=1.4~1.65 . 指示熱效率1)以凈化排氣為主要目的的增壓系統: 增壓后循環供油量不變,過量空氣系數增大,燃燒更完善,2)以增加動力為主要目的的增壓系統: 增壓后循環供油量↑,若供油速率不變,則供油時間拉長,后燃現象加重,排溫↑,熱損失↑, ↓。 3)以增加動力為主要目的,但是在增壓后循環供油量增加的同時, 調整供油規律,更加完善燃燒過程,則↑?!?,NOx↓,↑。6 . 機械效率 7. 燃油消耗率↑↓ ↑ 2.3 增壓系統主要熱力參數的確定增壓壓力空氣流量燃氣流量渦輪進口壓力渦輪進口溫度壓氣機效率渦輪效率 JTK方法 2.3.1 確定參數的總體依據空氣流量: 保證所噴入氣缸中的柴油完善燃燒、柴油機熱負荷適中。 渦輪前的排氣溫度: 反映出柴油機的熱負荷。 參考數據: 確定增壓參數的合理順序: 2. 根據-空氣流量3. 根據柴油機的通流特性-增壓壓力4. 根據渦輪增壓器的總效率-渦輪前的平均排氣壓力5. 確定渦輪的通流面積 考慮柴油機可靠性及壽命(熱負荷)-渦輪前的排氣溫度 2.3.2確定空氣流量 -渦輪前的熱量利用系數 為氣體在氣缸、氣缸蓋中及排氣管中散失熱量的份數 四沖程增壓柴油機 二沖程直流掃氣十字頭式增壓柴油機 -活塞平均速度 -進氣管參數 -總的過量空氣系數 -為化學計量空燃比 -柴油機進氣管內空氣在熱力學溫度時的摩爾定壓熱容-理論分子變更系數 -渦輪進口處燃氣平均溫度為時的摩爾定壓熱容 -柴油低熱值 -設計柴油機時預計的指標值 -機械效率四沖程機 二沖程機 有中冷器時 中、高速四沖程及二沖程柴油機: 低速二沖程柴油機 無中冷器時 -柴油機進氣管內的空氣溫度。 2.3.3 增壓壓力 根據試驗數據估算通過單缸機試驗獲得參照其他類似機型一般 =1~1.2 MPa 2.3.4 渦輪前排氣平均壓力與渦輪當且噴嘴面積的估算定壓增壓系統和單排氣總管系統 -絕熱指數 2.3.5渦輪當量通流面積 -流量系數,的關系式或曲線一般由渦輪增壓器廠提供或參照相似渦輪。 2.3.6增壓系統主要參數估算實例計算12V240Z渦輪增壓中冷柴油機渦輪增壓器參數。 (1)已知條件及要求指標 =2205kW =1100r/min =0.24m =0.26m =1.69MPa =9.53m/s =0.205kg/(kW·h) =560℃ 標定功率標定轉速缸徑行程平均有效壓力活塞平均速度有效油耗率渦輪前排氣溫度 (2)柴油機熱力參數選擇 =0.10lMPa =303K =0.105MPa =335K =l.00 =1.14 =0.56 大氣壓力大氣溫度渦輪后背壓中冷器后空氣溫度氣缸充量系數渦輪增壓器效率 (3)渦輪增壓器主要性能參數及結構參數估算初步選定一個進氣管中氣體壓力 與前面的初選值相近,不再重算;否則,重新選,重算。 選用2臺渦輪增壓器 每臺流量 (或由)每臺渦輪燃氣流量由經驗選定2.4 柴油機與渦輪增壓器的匹配2.4.1 聯合運行線的調節1.聯合運行線2、調節聯合運行線的基本要求1)在標定工況下,須達到預期的增壓壓力及空氣流量,有足夠的燃燒過量空氣系數,使燃燒完善,燃油消耗率滿足要求; 渦輪前排氣溫度不超過預定值,以保證氣缸熱負荷不致過高; 增壓壓力不能過高,以免最大爆發壓力超過允許值,使機械負荷太大; 渦輪增壓器的轉速必須低于允許值,以保證渦輪增壓器轉子的強度符合安全可靠的要求; 在標定工況時,希望渦輪增壓器的總效率要高,掃氣系數能具有適當的大小。2)在低工況時,也必須保證有一定的空氣量,以滿足燃燒及降低熱負荷的要求。 3)要求在整個運轉范圍內不發生增壓器喘振與阻塞。 調節噴嘴環出口面積的大小 ↓,柴油機排氣阻力↑,柴油機使用特性線向小流量方向移動,移向喘振線和高效區。 3、聯合運行線的調節(2) 改變壓氣機擴壓器的進口角 2.4.2降低熱負荷的調節1.增壓柴油機的熱負荷問題柴油機進氣溫度↑ 熱負荷↑ 氣缸蓋“鼻梁區”斷裂、燃燒室鑲塊燒結、活塞環燒結、卡死、活塞燒裂等;渦輪會發生葉片變形、密封環燒結等。 增壓以后壓縮始溫↑柴油機工作循環各特征點溫度↑2、 熱負荷的一種表達式沒有與掃氣空氣混合時的排氣溫度T。―壓縮始溫 -壓力升高比 -預膨脹比 B-排氣門打開時及進氣門關閉時的氣缸容積比;-壓縮比;-壓縮始壓與膨脹終壓之比;-壓縮多變指數;-膨脹多變指數;-排氣流出氣缸的多變指數,與空氣混合后的排氣溫度 -掃氣系數;-壓氣機出口溫度 3影響熱負荷大小的主要因素(1)掃氣系數 柴油機: 增加柴油機的進、排氣門疊開角,增大進、排氣管的壓力差,增大進、排氣門的時間-截面等。( 2 ) 壓氣機出口溫度( 3 ) 工作過程組織 2.4.3降低熱負荷的主要措施1.適當增大進、排氣門疊開角2.增大疊開期內的進、排氣管壓力差合理設計進氣管 合理設計排氣管 3. 增大進、排氣門的時面值1)合理設計配氣凸輪 2)盡量擴大進、排氣門的面積 3)增加搖臂比 4. 增壓中冷5. 強化冷卻措施l)改善機油冷卻條件 2)改善冷卻系統工作條件 3)中速機可以鉆孔冷卻缸套上部及缸蓋 6. 改善供油系統及燃燒系統1)調整供油規律 2)促進燃燒室中的油氣混合 3)合理調整供油提前角 4)增加過量空氣系數 2.4.4降低機械負荷的調節1.增壓柴油機的機械負荷問題 -壓力升高比,一般-壓縮比,一般柴油機12~20;-壓縮多變指數, 2、 降低機械負荷的一些途徑(1)適當降低柴油機的壓縮比 (2)適當減少供油提前角 (3)調整渦輪增壓器1)適當增大噴嘴環出口面積 2)適當增大壓氣機及渦輪的蝸殼 (4)優化供油系統1)柱塞直徑 2)噴孔尺寸 a 循環供油量確定時,噴孔總通流面積 -循環供油量最大值 -噴孔流量系數 -噴油時的平均流速 -噴油持續時間 -噴油平均壓力-氣缸平均壓力 -噴油持續角 b 噴孔直徑和噴孔數
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