汽车发动机废气涡轮增压技术的应用与发展(4)

2019-08-03 11:39

吉林农业大学发展学院 毕业设计论文

下列方法。 4.1.1降低压缩比

这是防止爆震最常见有效的方法。降低压缩比还可以改善排放,据经验表明,当e从8.5下降到

6.5时,排气中的HC减少50%, NOx减少30%-40%。但汽油机的压缩比本来就比较小,处于对经济性很敏感的区域,;的下降必然引起热效率下降较多。因此,不希望仅用一个措施来解决防止爆震问题。在燃油等级不变的情况下,汽油机改为涡轮增压时的压缩比#k,可按下列经验公式确定:、二·po0k 3汽油机废气涡轮增压的障碍

废气涡轮增压技术和废气涡轮增压器在柴油车上已经得到大量的使用和装配,是柴油车发展的一种必然趋势。但是在提高汽油机动力性、经济性和排放性的同时,车用汽油机废气涡轮增压技术存在不少问题和障碍,这些问题和障碍限制了废气涡轮增压技术在汽油机上的应用。

4.1.2减小点火提前角,与非增压情况相同

推迟点火时间将有助于防止爆震。但过晚的点火将使后燃加剧,不仅影响功率,还将增加排气温度,试验表明点火提前角推迟10CA,排气温度将升高3一8℃,这对涡轮来说十分不利。理想的点火提前角是调整到即将爆震而尚未爆震时,此时动力性

4.1.3对增压空气进行中冷

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安装中冷器对增压空气进行中冷是十分有效的,不仅与柴油机有相同效果,对功率的增加、热负荷的降低都是十分有利的,而且对于防止爆震也是非常有效的。有实验表明[?]:通过增压后进行中冷,即使压缩比E为8:1,发动机仍不会发生爆燃;同时,降低压气机出口温度Tk可以提高有效压力Pe,从而可以有效地提高发动机的有效功率Pe\

4.2改善涡轮增压汽油机的扭矩特性

车用汽油机与柴油机一样,必须有低转速大扭矩特性。但汽油机

因存在爆震问题,所以改善扭矩特性的难度较柴油机更大一些。扭矩

特性较差的原因是随着转速增加,负荷的提高,排气温度也相应

升高,涡轮进口熔值增加,增压器转速提高,增压压力尸*上升,相应扭矩增大。这种匹配情况,不仅容易发生高速爆震,而且扭矩特性也不符合车用发动机的 要求。

目前改善增压汽油机特性的措施一般有以下方法:

二采用放气。基本上与车用柴油机的放气一样,可以放排气,也可以放增压空气。

b.压气机进口节流。其工作机理十分简单,在压气机进气处放置一个节流阀,使进口压力适当减小,相应压气机出口压力也降低。当小负荷低转速时,希望有较大的扭矩,此时,正值流量小,所以节流效果弱,尸、没受多大影响。当高转速大负荷时,扭矩不希望很大,而这时流量较大,节流效果较强,因而尸*得到控制。节流法结构简

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单,但效果远不如放气 法强。

c.采用可变喷嘴环截面积【?〕。可变喷嘴环增压器采用的是活动的喷嘴环叶片,喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转,随着喷嘴环叶片角度的改变而改变。可变喷嘴调节是将增压器设计点选在柴油机标定点,随着转速的下降改变喷嘴环的流通截面,以维持足够高的增压压力,这样既改善了汽油机的低速性能,又避免了放气阀方案高速经济性差的缺点,可以实现增压汽油机全工况范围的良好匹配。

d.采用具有共振系统的复合增压。基本情况与车用增压柴油机相 同,但只适用于汽油喷射汽油机,此处不作赘述。

4.3改善涡轮增压汽油机的加速性

涡轮增压系统在汽油机工况突变时,不能随工况变化供应增压空气流量和增压压力,而要滞后一段时间才能适应,这就是所谓的“增压滞后”。滞后时间越长,汽油机的加速性能也越差。汽油机的增压滞后问题更显得突出,因为汽油机本身的惯性小,灵活性强,转速范围宽广,所以对增压器的反应要更高。因此提高增压汽油机的加速性是发展汽油机

增压的一个重要课题。解决该问题的方法有: a.减小进、排气道的容积。研究表明,过大的进

排气系统的容积,特别是进气系统的容积是造成增压器反应迟缓的重要原因。因此任何有利于减小进排气系统容积的设计都有利于缩短滞后期。

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b.缩小涡轮增压器的尺寸。小尺寸的涡轮增压器具有小的转动惯量,对提高加速性的作用很大,为了减小转动惯量,在条件具备的情况下,宁可用两个小增压器而不用一个大增压器。

c.排气管尺寸的影响。排气管应该短,管子直径应该小,也就是排气管的容积较小,并且应能很好地将各缸的压力脉冲无干扰地引人涡轮。排气系统的阻力应尽可能小。

d.选择适当的节气门位置,是指节气门与压气机的位置。只有两

种可能,压气机在节气门后或前,当压气机在节气门后时,压气机的进口压力P, < PO大气压力),然后在压气机内压缩到尸*;而压气机在

节气门之前时,进口压力Pi -Po,但必须压缩到高于P*的压力,

经节流后降到尸*值。因此,对于前者,压气机内的压力较低,在相同的质量流量下,它的容积流量较大。从与增压器匹配角度来说,前者能在高效区工作,当负荷突变时具有较大的能量,容易提高转子的转速,从而缩短滞后时间,改善加速性 能。

五、未来废气涡轮增压器的发展趋势 5. 1可变截而涡轮增压器

对于车用高速柴油机,为了改善低工况性能,可采用高速时放气 的措施,这是一种简单而安全的措,但高工况经济性不好。为了提 高涡轮增压器的经济性能,近十几年科研工作者进行了大量的研究, 其中可变喷嘴环截而涡轮增压器是呼声最高的,许多国家都进行了研 究并取的了很大的进步。

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可变截而涡轮增压是燃气通过涡轮喷嘴叶片时,根据涡轮增压柴 油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度,使进入涡轮叶片的气流参数产生变化,通过涡轮烩降的变化实现涡轮功的变化,让压气机 出口的增压压力发生变化,从而达到涡轮增压器与发动机在各工况下 的良好匹配。可变截而涡轮增压器的原理简图如图4所示.由于发动机工况变化的瞬态性,因此可变喷嘴叶片调整的响应性也是可变喷嘴

汽油机增压的发展相对较晚,技术水平也落后于柴油机。我国20世纪70年代末开始研究汽油机增压,并在CA一lOB和DG26100一12机型上取得成功。20世纪80年代末,清华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也相继对49ZQ汽油机进行增压研究川。作为汽油机增压,除提高功率扭矩外,还用于高原上恢复功率。由于受爆震的影响和热负荷的限制,增压度都不高,性能也不够完善,实际应用很少。到2001年,只有少数车型采用增压,还没有国产增压车型。现在,国内已开发出轿车用增压柴油机和汽油机产品,如帕萨特一领驭1.8T、大众一速腾1. 8T、奥迪A6L 2. OT等均采用了涡轮增压技术。

国内一些著名公司和院校都非常重视发动机与增压器匹配的研

究。中科院工程热物理所、清华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配试验测得增压压力和排气压力值,结合发

动机结构参数,计算了发动机的流通特性,建立了可变喷嘴增压

器与发动机的联合工作曲线〔?〕。对联合工作曲线的分析表明:设计的

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