4 柴油机的换气与增压Word文档下载推荐.docx

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一般在标定工况下，r的数值如下：

四冲程非增压柴油机r=0.03～0.06

四冲程增压柴油机r=0.00～0.03

二冲程气口气阀直流扫气柴油机r=0.06～0.08

二冲程回流扫气柴油机r=0.05～0.15

二冲程简单横流扫气柴油机r=0.25～0.40

从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。

4．2．2充量系数（充气系数）的概念和意义，影响充量系数主要因素

在进气过程结束时，由于存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力。

同时由于壁面对吸入空气的加热，进气与残留在气缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，气缸里进气温度比进气管处空气温度高。

因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积。

充气系数v是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量G0与在进气状态下充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即

（8-6）

式中：

0——进气状态下的空气密度；

V0——进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积。

所谓“进气状态”，对不同类型的柴油机来说是不同的。

四冲程非增压柴油机，一般取大气状态p0、T0，二冲程柴油机一般取扫气箱内状态ps、Ts，增压柴油机取进气管状态pk、Tk。

换气过程结束时，气缸内除了有新鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气。

气缸内混合气体的重量为：

（8-7）

根据气体状态方程，气缸中的实际空气量G0和在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量Gs可写成：

（8-8）

（8-9）

将公式（8-8）、（8-9）中的G0、Gs代入公式（8-6）中，并引进关系式

，则得到柴油机充气系数公式：

[更正]（8-10）

这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。

〖但应当注意，对二冲程柴油机，如以有效气缸工作容积定义充气系数，即

，则（8-10）中的压缩比应该用有效压缩比e来代替，即

（8-11）

ve——以有效气缸容积为准的充气系数；

e——有效压缩比。

（8-12）

s——失效冲程系数【s=V损失/Vs（名义），所以V有效=Vs（1-s）】。

〗

可见，v的影响因素有pa、Ta、γr。

ε不是影响因素，是定义带来的。

按定义，v有可能大于1。

一般充气系数的范围如下：

四冲程柴油机v=0.75～0.90

二冲程直流扫气v=0.80～0.90

二冲程回流扫气v=0.75～0.80

在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下：

四冲程非增压柴油机pa=（0.85～0.95）p0（p0为大气压力）

四冲程增压式柴油机pa=（0.92～1.0）pk

二冲程低速柴油机pa=（0.96～1.0）ps

各影响因素对ηv的影响如图4-3所示。

直线1表示一假想的没有流动阻力、没有进气加热的理想换气过程。

曲线4表示实际的换气过程。

曲线3可看成没有吸入空气加热的换气过程。

曲线2表示仅有进气流动阻力的换气过程。

根据此图可了解影响充气效率的有关因素：

1）进气流动阻力的影响【pa】：

由于进气流道存在流动阻力，产生压降Δpa，所以进气结束时缸内压力pa=p0-Δpa。

从流体力学得知：

式中：

n柴油机转速；

f进气阀通道截面积；

K比例系数。

可见，要提高ηv，必须减小Δpa，要求尽可能增大进气通道截面积f。

因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多（2甚至3）个进气阀结构。

而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高ηv更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径大于排气阀直径，以达到提高ηv的目的。

图4-3中曲线2与曲线1之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的ηv下降。

随着转速的升高，Δpa增大，ηv下降。

图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造成的ηv下降占有主要的份额。

它是影响ηv的主要因素。

因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁，以减少流动阻力。

2）进气过程结束时气缸内气体温度的影响【Ta】：

在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导致ηv的下降。

当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高，ηv有所下降。

当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。

图4-3曲线3与曲线4之间的差距就是纯粹由于壁面传给进气热量导致的ηv下降。

进气过程结束时气缸内气体温度有所升高对ηv的影响较小，是影响ηv的次要因素。

3）剩馀废气系数γr的影响：

当换气终了时气缸内的剩馀废气系数γr（即换气结束时气缸里残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使ηv下降。

如排气背压增加，将使γr增加，从而使ηv下降。

但由于四冲程柴油机的γr【正常工作时】很小且变化范围也很小，故实际影响很小。

4）柴油机气阀正时的影响：

（1）排气阀提前开：

排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。

如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。

残余废气量增加，充气效率ηv下降。

但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。

图4-4表示不同的排气提前角的影响。

a--最合适，b--过早开启，c--过晚开启。

（2）排气阀滞后关：

排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；

另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。

（3）进气阀提前开：

进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，提高ηv外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高ηv。

（4）进气阀滞后关：

进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度，不致因开度不足而使Δpa增大。

另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。

图4-3中曲线3与曲线2之间的差距，可认为是所选定的气阀正时，主要是进气阀关闭正时的影响。

其中在某一转速附近时，这个损失最小。

高于这个转速时，进气阀关闭过早，未能充分利用进气惯性；

低于这个转速时，进气阀关闭过迟，则造成进气倒流。

不同转速下，存在不同的最佳正时。

因此要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。

但常规的气阀启闭控制机构做不到这一点。

因此，变速使用的船舶主柴油机，说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能取得最佳的ηv。

二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩馀废气系数γr等因素对ηv的影响与四冲程柴油机相似。

柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对ηv有很大的影响。

为了达到在耗费新气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口。

保证扫气气流在气缸中的流向，减少流动阻力。

4．2．3扫气效率、扫气系数和给气比（扫气过量空气系数）的概念和意义

扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标。

扫气效率s的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比【衡量扫气质量】，即

[更正]（8-13）

扫气系数s的定义是，在一个循环中通过扫气口的全部扫气量Gk与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量G0之比，即

（8-14）

扫气过量空气系数k的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量Gk与在进气状态下（ps、Ts）充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即

（8-15）

二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量的。

扫气效率s是衡量扫气干净程度的指标。

s愈大，标志着扫气扫得愈干净。

s的极限值是1。

然而单纯用换气干净程度的指标s来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。

因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗。

扫气系数s是用来说明扫气空气消耗的相对量【与是否扫干净有关】，而扫气过量空气系数k则说明扫气空气消耗的绝对量【与是否扫干净无关】。

一般扫气系数s=1.2～2.0，扫气过量空气系数k=1.0～1.3。

显然，扫气效率s愈高，扫气系数s和扫气过量空气系数k愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。

4．3柴油机废气能量分析

柴油机提高功率的主要途径

由公式

，可看出提高柴油机功率有以下几种途径。

1.增加柴油机的排量

由于柴油机排量

，可看出要加大排量来提高柴油机功率具体可有下述三种方法。

1）加大气缸直径D。

加大气缸直径D可提高柴油机功率，但柴油机重量、体积增加，成本提高。

2）加大冲程S。

前些年，为了提高经济性，降低柴油机转速的同时，加长其冲程是主机重要发展方向，但用加长冲程来提高功率毕竟有一定限制，否则高宽尺寸、重量增加过多，成本过高。

3）增加气缸数目i。

增加气缸数目i当然可提高柴油机功率，但柴油机结构复杂了，制造、维修、管理、保养工作量加大，维护费用大。

而且柴油机长度尺寸加大，只得加长机舱，缩短货舱。

所以气缸数目不宜过多，少缸数机更受欢迎。

少缸数机更受欢迎还因为，当船舶所需功率一定时，选用少缸数机，其单缸功率较大，转速较低，可节约燃油。

2.增加单位时间的工作冲程数

1）采用二冲程（每转工作冲程数m大一倍）。

低速柴油机均用二冲程。

中、高速机采用二冲程的优点就不那么肯定。

二冲程机热负荷较高，柴油机转速高了换气较困难，新鲜空气消耗率较高。

因此，中、高速二冲柴油机实现高增压来提高pe较困难，燃油消耗率ge偏高，而且已积累的成熟经验较少。

所以在中、高速机范围，二冲程柴油机受到了较多限制。

2）提高柴油机转速n。

在冲程一定时提高转速也就是提高了活塞平均速度Cm，它是决定柴油机耐久性的主要因素，Cm提高了对耐久性不利。

对与螺旋桨直联的低速机，n降低才能选配大直径螺旋桨，提高螺旋桨的推进效率。

所以提高转速n来提高柴油机功率受到限制。

有的船（如集装箱船），要求高航速（大功率），而螺旋桨直径却有一定限制。

其低速机就应适当提高n，而相应地减小冲程S。

3.提高柴油机的平均有效压力

我们已知：

而

gb——每一工作循环喷入气缸的燃油量。

因此

（6-1）

燃烧gb千克燃油实际所耗空气量G就等于每循环实际进入气缸的空气量。

因此，它既可表示为：

又可表示为：

——进入气缸的空气密度

由上两式可得：

代入公式（6-1）得：

因此：

（6-2）

从上式可看出提高平均有效压力pe（即提高功率）可有下述几种途径：

1）减小过量空气系数α。

α减小，每循环喷油量增加，可加大柴油机功率。

但会造成燃烧变差，指示效率ηi下降，柴油机热负荷升高。

所以α减小是受限制的。

2）提高充气效率ηv、机械效率ηm和指示效率ηi。

这些途径提高柴油机功率很有限。

3）增加进入气缸的空气密度ρa——增压。

这是提高柴油机功率的最主要途径。

pe随ρa的增加成比例地增加，降低了单位功率的重量尺寸。

当然机械负荷与热负荷也与pe成比例地增加。

采用废气涡轮增压，由于利用了废气能量，柴油机的经济性还可同时得到提高。

4．3．1废气能量的来源

1.废气能量的组成

为说明废气能量的组成，我们画出四冲程等压涡轮增压的理论示功图（图4-15）。

其中：

3-a：

进气过程，进气压力为pk。

a-c-z’-z-b：

压缩、燃烧、膨胀过程。

b-5-4：

排气过程，排气管中的压力为pT。

b点：

排气阀打开时气缸中燃气的状态。

b-f-1-b：

废气等熵膨胀到大气压p0时作出机械功的最大能力，即排气阀打开时气缸中废气具有的可用能（火用）。

o-a-3-2-o：

压气机压缩进入柴油机气缸的空气所需能量。

（3-a长度为气缸工作容积。

）

i-g’-3-2-i：

压气机压缩扫气空气所需能量。

（g’-3长度表示扫气空气体积。

o-a-g’-i-o：

压气机消耗的总能量。

e’-f’-i-g-e’：

涡轮前废气的可用能。

它由以下四部分组成：

（1）e-f-1-5-e：

废气到达涡轮前仍保留的可用能。

（2）5-4-2-1-5：

活塞以pT将Vs体积的废气从气缸中推出所给予的可用能。

（3）i-g-4-2-i：

扫气空气带来的可用能。

（4）e’-f’-f-e-e’：

由于损失废气可用能b-e-5-b而获得的热量使废气温度升高，这样涡轮前的废气温度比等熵膨胀后的e点的温度高（以e’点来表示），由此废气得到复热回收的可用能。

当然，它远小于损失掉的可用能b-e-5-b。

b-f-i-g-5-b：

废气总的可用能。

它包括排气阀打开时气缸中废气具有的可用能，活塞推出废气而给予的可用能以及扫气空气带来的可用能。

废气总的可用能也可看成由以下两部分能E1和E2组成：

E1（b-e-5-b）废气由压力pb降到涡轮前压力pT的可用能。

或称脉冲能。

E2（e-f-i-g-e）废气由压力pT降到p0的可用能。

或称定压能。

能量E1在废气总可用能E1＋E2中所占的比例（

）随pT的不同而不同。

pT低，其所占比例大；

pT高，其所占比例小。

4．3．2不同形式的废气能量在涡轮增压器中的利用情况

在定压增压和脉冲增压中讲。

4．4定压增压和脉冲增压及其他增压形式

4．4．1定压增压柴油机的工作特点

1）等压增压

（1）结构特点

柴油机所有气缸的排气管都连接于一根粗大的排气总管，排气总管再与废气涡轮连接，如图4-16所示。

这样，排气总管实际上还起了稳压箱的作用，尽管各气缸轮流排气，但进入涡轮时气体压力的波动不大。

（2）废气可用能的损失。

在等压涡轮增压系统中，排气管中维持着恒定的压力pT。

排气阀刚打开时，废气在超临界压差作用下，以临界速度迅速排出。

当气缸内压力下降到与排气管压力差低于临界值时，排气流动变为亚临界流动。

在这排气过程中废气的可用能损失主要是节流损失，它包括流出气阀的高速气流进入排气管后由于管子较粗，流速大大降低，因此大量动能通过气体分子互相撞击、摩擦和形成涡流而损失，以及废气流入排气总管时产生不可逆膨胀的损失。

超临界阶段的节流作用强烈，超临界阶段的节流损失是废气可用能损失的最主要部分。

亚临界阶段的节流损失数值不大。

除节流损失外，还有废气在管道中流动的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，它们在数量上更是小部分了。

因此，在等压涡轮中可利用的能量为废气由压力pT膨胀到压力p0的可用能e’-f’-i-g-e’。

实际上由于废气锅炉、烟囱有流动阻力，废气在涡轮中只能膨胀到p0`（p0`>

p0），即可用能还要少些。

（3）脉冲能量E1的利用。

等压增压中脉冲能量E1复热回收的比例E1/E1很低。

它随pT增加而增加。

在高增压柴油机中，由于pT高，E1回收的比例也较高一些。

4．4．2脉冲增压柴油机的工作特点

2）脉冲增压

采用脉冲增压的目的就是要尽可能多地利用脉冲能E1。

（1）结构特点。

将涡轮增压器尽量靠近气缸，并把柴油机各缸的排气支管做得短而细，总之使排气管容积尽可能小些。

四冲程柴油机缸径较小，排气量较小。

因此常是二、三缸为一组，共用一根排气支管，再让几根排气支管分别通往废气涡轮的几个进口。

如图4-17所示。

废气进入涡轮壳内相互隔开的几个腔，再分别流向喷咀环对应的部分。

每根排气支管只与部分喷咀环接通【“部分进气”】。

【低速机曾经也采用过脉冲增压。

】这种系统工作时，排气管中形成脉冲压力波，进入涡轮的废气压力和速度都是变化的，所以称为脉冲涡轮增压。

（2）脉冲能E1损失减少。

由于排气管短而细，排气阀一开启管内就迅速建立起压力。

如图4-18所示。

使排气的超临界阶段大大缩短，气缸内外压差很快变小进入亚临界阶段，节流损失减小了。

这部分可用能就表现为脉动的压力和速度，它包含了脉冲势能和脉冲动能。

在设计良好的情况下，脉冲增压可利用E1的40～50％。

（3）脉冲涡轮增压柴油机气缸的分组。

如果脉冲涡轮增压柴油机也象等压增压那样，各缸的废气排入一根共同的排气管，由于排气管很细，就会产生扫、排气互相干扰。

如某缸正在进行扫气而另有一缸开始排气，排气压力波传到扫气缸的排气口处，使该缸背压升高，妨碍扫气，甚至可能使排气倒灌。

因此，气缸必须进行分组。

分组的原则是：

同一组气缸的扫、排气时间相互不重叠或重叠很少。

（排气管中的压力波不是排气阀（口）一开始打开就达到高峰，而且压力波是以音速传递的，传到正在扫气的气缸得花一点时间，而且对扫气的气缸而言，扫气后期，排气阀（口）已经关得很小，即使有些干扰也已很小了。

因此允许有点重叠。

在四冲程柴油机中，曲轴转过720°

各缸完成一个循环，而每一缸排、扫气持续时间约为240°

曲柄转角，根据上述分组原则，分在同一组各缸排气间隔应大于或等于240°

曲柄转角，所以同一组允许最多气缸数i＝720°

/240°

=3。

在二冲程柴油机中，曲轴转过360°

各缸完成一个循环，而每一缸排、扫气持续时间约为120°

曲柄转角，同理，同一组允许最多气缸数i=360°

/120°

对四冲程或二冲程柴油机，同一组气缸数少于3固然不会产生排、扫气互相干扰，但废气不能连续供给，使废气传递过程可用能损失加大，也使涡轮间歇进气、部分进气引起的损失加大，使涡轮效率ηT下降。

所以不管是四冲程还是二冲程柴油机，同一组中的气缸数以3为最佳。

因而缸数为3的倍数（3、6、9、12缸）的柴油机采用脉冲增压效果很好。

例如某四冲程六缸柴油机发火顺序为1-5-3-6-2-4，各缸发火间隔为720°

/6=120°

曲柄转角。

按上述原则分组就得到，1、2、3缸为一组，4、5、6缸为另一组，见图4-17。

4．4．3定压增压和脉冲增压柴油机的比较

（1）排气可用能的传递效率ηE

ηE定义为ηE=ET/（E1+E2）。

其中ET为涡轮前废气拥有的可用能。

ηE的大小代表了从柴油机排气阀（口）到涡轮喷咀环之前这一段排气系统工作的良好程度。

脉冲增压由于节流损失减少了，它相对于等压增压可多利用一些脉冲能，ηE较高。

但随着增压度的提高，pT提高，E1在E1+E2中所占比例变小，这一优势就逐渐减小了。

而等压增压的脉冲能E1复热回收比E1/E1却因增压度的提高有所提高。

因此，脉冲增压排气可用能传递效率ηE在低增压时明显高于等压增压，但随着增压度的提高，等压增压的ηE与脉冲增压的ηE差别不断减小。

在高增压时，二者的差别就消失了。

（2）涡轮增压器的综合效率ηTk

在脉冲增压柴油机中，涡轮前的废气压力波动较大，气流进入涡轮叶轮叶片相对速度的方向、大小在一个排气脉冲内不断变化，而且有的涡轮喷咀环是部分进气。

因此，脉冲涡轮的效率ηT较等压涡轮的低。

由于涡轮增压器的综合效率ηTk=ηT.ηk.ηm，而脉冲增压与等压增压的压气机效率ηk、增压器机械效率ηm差别不大，所以，脉冲涡轮增压器的综合效率ηTk也就比等压增压的ηTk低。

（3）涡轮增压系统的有效性指标K

K定义为：

K=ηE.ηTk。

K代表了整个增压系统效果好坏的程度【总的效率】。

当柴油机增压度不高时，脉冲增压的ηE远高于等压增压，尽管其ηTk较低，但K还是明显高于等压增压。

但当柴油机增压度较高时，哪种增压方式更有效就不那么明显了。

当柴油机发展到高增压时，脉冲增压的ηE高于等压增压不多，由于其ηTk较低，就使得等压增压系统的K较脉冲增压大。

【低速机因此均改为等压增压。

】

（4）部分负荷时的K值

当柴油机在部分负荷工况运转时，由于pT较低，E1在E1+E2中所占的比例变大，脉冲增压的ηE高于等压增压较多，使其K值较高。

也就是说，在部分负荷工况运转时，脉冲增压方式比等压增压方式有效。

这是一些增压度相当高的中速机仍采用脉冲增压的原因。

（5）扫气性能

当柴油机在满负荷工况下运转时，两种增压方式均能很好地扫气，但在低负荷时，情况就不一样了。

脉冲增压系统由于排气管内形成脉冲波，前期压力较高，使排气管中燃气排空很快，后期排气管内的压力会出现波谷（如图4-18所示），使扫气背压较低。

因此即使在低负荷时，扫气质量仍然很好。

而等压增压系统由于部分负荷时pT有所降低，E1/（E1+E2）的比值较大，节流损失加大，ηE比脉冲增压下降快。

这使涡轮获得能量减少、扫气压力ps下降均比脉冲增压快。

而其pT在排气过程中波动很小，不会出现压力波谷。

所以扫气压差ps-pT迅速变小，使扫气质量迅速恶化，甚至出现废气倒流的现象。

因此在部分负荷工况下，等压增压方式的扫气质量比脉冲增压方式的差。

（6）加载性能

脉冲增压柴油机的排气管容积小，其中压力建立较快，涡轮前废气压力可随柴油机的加载而迅速上升。

等压增压由于排气管容积大。

当柴油机加载时，虽然从气缸中排出的废气温度压力已经开始升高，但在容积较大的排气管中废气的压力温度升高得较慢，涡轮增压器转速跟不上柴油机的加载，不能迅速及时地增大供气量，以满足柴油机因加载喷油量增大而增大的空气需要量，出现了较大的滞后现象。

因此其加载性能较脉冲增压差。

这就是发电机组的柴油机发展到高增压仍采用脉冲增压的原因。

（7）其它

脉冲涡轮由于间歇进气、部分