课题10 柴油机增压.doc

课题十 柴油机增压目的要求：1．熟悉增压的目的2．熟悉几种增压系统的工作原理及特点3．掌握废气涡轮增压的工作原理4．了解两种废气涡轮增压特点5．掌握废气涡轮增压器的结构6．掌握离心式压气机的通流特性和喘振机理7．掌握增压器与柴油机的配合要求重点难点：1．废气涡轮增压的工作原理及结构2．压气机的喘振机理3．增压器与柴油机的配合要求教学时数：4 学时教学方法：多媒体讲授课外思考题：1．柴油机增压的目的是什么？2．柴油机增压的方式有哪几种？各有何特点？ 3．比较两种废气涡轮增压方式4．VTR 废气涡轮增压器的构造与特点5．喘振及发生的原因是什么？6．哪些运转工况易导致喘振的发生？1课题十 柴油机增压第一节 柴油机增压系统一、柴油机增压概述根据有效功率的计算公式： ，可知，提高柴油机的有效功率有下列途径：60nmiVpPhe（1）改变柴油机的结构参数 i、D、S、m 增大这些参数可以提高柴油机的功率，但是提高的幅度受到多种因素的限制2）提高柴油机的转速柴油机转速的增加可以增大柴油机作功频率，提高功率但转速增加会使磨损增加，柴油机的惯性力增加，使柴油机寿命缩短，可靠性变差对于船用主机还受到螺旋桨效率的限制，因而这种方法也是有限度的。

目前新型船用低速柴油机大多降低转速以获得更高的经济性3）提高平均有效压力 pe提高平均有效压力 pe 可以增加柴油机的功率对 pe 影响最主要的因素是新气的密度提高进气密度，就可以增加气缸充气量，使更多的燃油完全燃烧，从而大幅度提高柴油机的功率而空气密度的增加对以通过提高进气压力和降低进气温度来实现所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力 pi 和柴油机的平均有效压力 pe柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值由于空气在增压器中被压缩时压力和温度是同时升高的，这就影响了空气密度的增加和增压的效果因此，在增压器后都设有中冷器以降低空气温度，提高空气密度通常中冷器都是以海水来冷却的中冷的另一个作用是降低柴油机的循环平均温度二、柴油机增压系统1．机械增压（图 10-1）增压器直接由柴油机驱动显然这种增压形式将消耗柴油机的有效功率随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大因此机械增压只适于增压压力小于（0.15～0.17）MPa 的低增压柴油机。

2．废气涡轮增压（图 10-2）利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压器显然，这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用3．复合增压这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压根据两种增压器的不同布置方案，可2分为串联增压和并联增压图 10-l 机械增压系统图 图 10-2 废气涡轮增压系统1）串联增压系统（图 10-3）串联增压系统是采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作在这种串联增压系统中，增压空气经过两级压缩涡轮增压器为第一级，压气机从大气中吸入空气进入中间冷却器进行冷却，然后进入与增压器串联的往复压气机中进行第二级压缩，以达到规定的增压压力空气经第二级压缩后，再送入第二级空气冷却器冷却，最后送入柴油机扫气箱采用串联增压系统使柴油机起动容易，低负荷性能好当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到 70％～80％的标定转速，因此不须另设应急鼓风机然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加图 10-3 串连增压系统 图 10-4 串联旁通增压系统2）串联旁通增压系统（图 10-4）串联旁通增压系统的特点是部分串联增压，在扫气前期为串联增压，在换气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。

这种增压系统利用柴油机活塞的下部空间作为辅助压气机，并与涡轮增压器串联作为第二级增压泵，涡轮增压器为第一级增压泵其扫气箱分成内外两部3分外侧空间各缸共用，与涡轮增压器相通；内侧空间各缸分开，并与活塞下部空间相连通组成单缸扫气室两者之间以单向阀连接串联旁通增压系统的主要优点是利用扫气室中空气的压力变化防止废气倒冲，扫气效果好对于弯流扫气柴油机可以减小排气口高度活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单在采用定压增压时，由于在起动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作瑞士 Sulzer RND…M 型、 RL 和 RTA 型柴油机采用这种串联旁通增压系统3）并联增压系统（图 10-5）并联增压系统就是使涡轮增压器与活塞下部空间并联工作在这种增压系统中，废气涡轮增压器和活塞下部辅助增压泵分别从机舱吸入空气并在其中压缩，然后经空气冷却器冷却再共同送入扫气箱一般涡轮增压器所供应的空气约为增压空气量的 75％～80％，其余空气量由活塞下部辅助增压泵供给由于辅助增压泵只供给一小部分空气，则只需将柴油机的部分气缸下部作为辅助增压泵并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，增压器在低负荷时易发生喘振。

为了防止在低负荷时增压器发生喘振和改善柴油机的性能，并联增压系统几经改进，取消了活塞下部辅助增压泵，变成了单独增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气MAN 公司生产的 KZ 型、KSZ 型柴油机采用并联增压系统图 10-5 并联增压系统 图 10-6 废气涡轮中废气能量的利用图第二节 两种废气涡轮增压系统一、废气能量分析（图 10-6）柴油机排出的废气具有一定的温度和压力它所含的热量约占燃油燃烧放出热量的30％～37％，因此研究废气的能量及其有效利用是增压技术中的重要问题在理论上所能作的功为面积 b-1-f-b，也就是排气开始时废气中的可用能4在换气过程中获得的能量为面积 4-g-i-1-4这部分能量对四冲程柴油机包括强制排气过程中的活塞推出功 1-2-3-4-1 和燃烧室扫气阶段进入排气管的扫气空气所具有的能量 2-i-g-3-2两部分；而二冲程柴油机这部分能量为扫气期间扫气空气所作的功值得注意的是，二冲程柴油机在排气开始后活塞继续下行，获得膨胀功为 b-4-5-b 所示的面积，使废气可用能减少；在换气过程中没有活塞推出功补充废气能量，并且废气中掺混有很多扫气空气，使涡轮前气体温度降低，因而废气中的能量较少。

根据在废气涡轮中能量的利用情况，通常把废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力 pb 膨胀到 pT 膨胀能 E1，称之为脉冲能它是一种脉动的速度能，在排气管中以压力波的形式出现，在图中为面积 b-4-e-b另一部分是废气由压力 pT 膨胀到 po 的膨胀能比，称之为定压能（亦称势能） ，在图中为面积 g-e-f-i-g废气能量 E 是脉冲动能 E1 和定压能 E2 之和能量 E1 和 E2 各在总能量中所占的百分数随着增压压力 pk 的不同而不同p k 越低，则 E1 所占的比例越大；p k 越高，则 E2 越大二、废气涡轮增压的两种基本形式l．定压涡轮增压（图 10-7）定压涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮就装在排气总管后面因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定，效率高定压增压只利用了废气能量中的定压能 E2，而没有利用废气中的脉冲动能 E1脉冲动能E1 在排气流动中由于排气口（阀）的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分损失掉只有小部分脉冲动能转化为热能，使排气管中的废气温度略有升高。

因此废气涡轮增压所能利用的废气能量就少些尤其是当柴油机在低负荷时或起动时，因排气管压力低，废气的能量少，使涡轮发出的功率满足不了压气机所需的功率，柴油机必需另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要2．脉冲涡轮增压（图 10-9、 10）脉冲涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态在结构上把各缸排图 10-7 定压废气涡轮增压系统 图 10-8 定压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图5气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细脉冲增压除了可以利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，故废气的能量利用增多这有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡此外，扫气阶段正好是排气管中的低压阶段，扫气箱与排气管间压差较大，故有利于扫气，即使柴油机低负荷时也是如此但由于涡轮在不稳定工况下工作，效率较低在多缸柴油机的脉冲增压系统中，如果各缸的排气均排入一根排气管，那就会产生扫、排气的相互干扰即当某缸进行扫气而相邻缸正好在排气时，排气压力波就会传到扫气缸的排气口处，使该缸排气背压升高，从而严重影响该缸扫气的正常进行如果每缸各自向单独的排气管排气，虽然消除了各缸间的排气干扰，但会使涡轮供气间断，效率降低。

这一问题必须依靠对排气管进行合理分组来解决分组的原则是避免同组内各缸的排、扫气互相干扰排气管分组是脉冲增压所必须采取的措施 图 10-9 脉冲废气涡轮增压系统图 图 10-10 排气脉冲波所以脉冲增压最适合于气缸数是 3 的倍数的柴油机例如某二冲程六缸柴油机的发火顺序为 1-6-2-4-3-5，各缸发火间隔角为 60º，则可把 1、2、3 缸分为一组，4、5、6 缸分为另一组一般来说，大型低速二冲程柴油机的脉冲增压系统采用多台增压器而四冲程柴油机为使结构布置紧凑，往往只采用一台脉冲涡轮增压器为了防止排气干扰，往往将废气涡轮的喷嘴环分隔开，采用多进口的布置方案3．两种增压方式比较在不同的增压压力下应当采用不同的增压方式在低、中增压时，即当 pk 介于0.13～0.20 MPa 之间时，采用脉冲增压可以更多地利用废气能量虽然在结构、管理、涡轮效率等方面有缺点，但与其优点相比还是属于第二位的所以，在这个增压压力范围内的柴油机绝大多数采用脉冲增压而随着增压压力的提高，定压能的比例也随之增高，脉冲增压在废气能量利用方面的优势不存在了，而在结构、布置、涡轮效率等方面的问题上升为第一位的。

因此，在高增压时均采用定压增压如 Sulzer 公司 RND 型以后的新机型、B＆W 公司 KGF 型以后的新机型，均采用定压涡轮增压定压增压也是目前增压系统的发展方向 6第三节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器结构形式繁多废气涡轮增压器是由废气涡轮和压气机两部分组成的在废气涡轮增压器中一般都采用离心式压气机，故可依据所采用的涡轮机类型把废气涡轮增压器分为两大类：轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器目前，船用大、中型柴油机均采用轴流式涡轮增压器，径流式涡轮增压器仅用于中小型柴油机以在船用柴油机中用得较多的瑞士 ABB 公司制造的 VTR 型增压器为例介绍废气涡轮增压器的结构VTR 型增压器有 0、1、4、4A 四种系列产品，可以满足 200kW～37000kW 柴油机的匹配要求上图为 VTR··0 与 VTR…1 系列增压器剖视图它由右侧的单级轴流式废气涡轮和左侧的单级离心式压气机组成废气涡轮的叶轮和压气机的叶轮装在同一根轴上构成废气涡轮增压器的转子，由两端的轴承支承1．轴流式废气涡轮废气涡轮由涡轮进气箱 50、喷嘴环 30、工作叶轮 21、隔热墙 70、燃气箱 60 等组成进、排气箱内腔用水冷却。

进气箱与排气箱之间用螺钉紧固进气箱右部布置着轴承箱排气箱下部装有增压器支架 680柴油机排出的废气由进气箱 50 下部引入涡轮，由排。