研究生课程考核、实验、博士综合考试格式.doc

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研究生课程考核试卷

科 目：
教 师：
姓 名： 学 号：
专 业： 类 别：
上课时间： 2014 年 月 至 2014 年 月
考 生 成 绩：
卷面成绩
平时成绩
课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师 (签名)

重庆大学研究生院制

废气涡轮增压与机械增压技术的特点及比较

摘要：在先进汽车发动机中最常用的有两种系统：废气涡轮增压技术和机械增压技术。它们的工作原理都是通过提升进气的压力，通过空气密度提升造成含氧量提高，使得热效率得到提升。本文介绍了涡轮增压技术与机械增压技术特点，并对他们的优缺点进行比较。
关键词：发动机；机械增压；涡轮增压；

1、废气涡轮增压技术

废气涡轮增压系统是最常见的涡轮增压装置，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。
近20年，随着涡轮增压技术的普及深入，有关涡轮增压方面的新技术新工艺新材料新理念开始不断涌现。可以说，正是由于各种排放噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿，车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。
总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下5点特征：
1)小型化
在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大改变，即很容易提高功率20%～50%。由于不像机械增压时压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时，功率提高甚至可大于100%。因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及车辆的小型化轻量化和降低成本有巨大的吸引力。
2)节能
涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进气量，提高发动机的功率机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油率可降低5%～10%。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能的目的。一台1.65L排量的增压发动机的功率等于一台3.78L排量的非增压发动机的功率。
3)环保
涡轮增压器能够使发动机节能，而且将降低发动机有害气体和CO2的排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数接近于1，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过 1，增压使柴油机的过量空气系数进一步地提高，对排放产生了明显的影响。若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，碳烟和CO的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，HC化合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效NOx的排放量增加。因增压柴油机能提高燃油经济性，有时可放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。同时，提高了充量温度，缩短了滞燃期，降低了燃烧噪声。这可使重型柴油机N0x降低80%，微粒减少90%，比油耗改善16%。
4）高原功率补偿
在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好地组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。
5)涡轮增压器与发动机多种匹配方式
为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求，人们研究出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统 、增压转换系统和带电机的涡轮增压器 。此外，还有超高增压系统(HYPERBAR)、扫气旁通系统(SCA2BY)及谐振复合增压系统等，这些在中、小功率车用柴油机上应用不多。

2、机械增压技术

发动机机械增压器主要包括涡旋式、螺杆式、滑片式和罗茨式等类型，鉴于制造工艺及成本等原因，除德国曾采用过涡旋式机械增压器外，目前应用最广的是罗茨式机械增压器。罗茨机械增压器本质上是一台罗茨鼓风机，有两个转子，每个转子都扭转一定的角度(例如60°以形成一个螺旋面)。这两个转子都由发动机曲轴通过皮带驱动。机械增压器与曲轴之间存在固定的传动比，这两个旋向相反的转子各有3个齿形，在工作时互相啮合。扭曲的转子跟特殊设计的进口和出口的几何形状相结合，有助于减少压力波动，使空气流动平稳，降低其工作噪声；这种设计也使其效率比传统 的罗茨鼓风机为高。带有螺旋式转子和轴向进口的机械增压器转速可达到14000r/min，从而缩小了体积。它可利用出口法兰直接通过螺栓连接到进气管上。机械增压器通过它的置换体积和皮带传动比来与发动机匹配，同时能够在任何发动机转速下提供过量的空气流。
车用发动机的机械增压器在20世纪30年代曾一度兴起，但由于当时的机械增压器体积大、噪声大、成本高、寿命短和效率低等原因未被汽车工业界所接纳，逐渐淡出汽车发动机行业；而涡轮增压技术却从20世纪60年代起得到了迅速的发展。到了20世纪80 年代初，机械增压技术又被汽车工业界重新重视，其主要因其有如下特点 ：
1结构简单
机械增压器结构简单，工作温度介于70℃～100℃，冷却系统和润滑油脂的要求与自然进气发动机相同；
2）工作转速范围大
由于制造成本的限制，汽车发动机最高转速均在7500r/min以下 ；机械增压器理想的工作转速为1000r/min～7500r/min，产生足够且稳定的增压值，使发动机输出功率提升20%～40%；通常发动机一脱离怠速区，在1000r/min～1300r/min即能带动机械增压器产生增压效果，并延续至发动机最高转速；同时机械增压器转速完全与发动机转速联动，两者能形成一组稳定的等差数列特性；
3）加速性能好
机械增压发动机的加速性能优于涡轮增压发动机，其只在发动机的吸气端工作，不受排气端的影响；而涡轮增压发动机的性能却直接受涡轮出口处排气背压的影响，在冷起动时，涡轮增压使废气冷却，造成排烟污染；涡轮增压器转速高，容易产生喷火、漏油、冒黑烟以及喘振等故障；虽然涡轮增压器采用了可变几何形状蜗壳和小惯量的陶瓷叶轮等措施，但其响应时间仍比机械增压器高3倍，机械增压发动机在加速性能上与涡轮增压发动机相比占有绝对优势。

3、废气涡轮增压与机械增压的比较
在先进汽车发动机的增压系统中，最常用的有两种系统：涡轮增压系统和机械增压系统。简单地说，它们的工作原理都是提升进气的压力，因此当进气阀门打开的时候，这些相对压力较高的气体，自己就会因为压力差的关系，自动地全数灌进汽缸里，不像自然进气引擎，还需要靠着活塞的下行动作造成吸力，才把空气吸进。除了因进气的主动/被动关系，导致容积效率提升外。增压引擎的进气压缩缘故，空气密度提升造成含氧量提高，热效率也因此得到提升。但是涡轮增压系统和机械增压系统也有着以下许多差异：
1）价格：
在同一具体引擎上，两者差别不大(这是指一般的产品，同增压性能而言，超高性能的则很难比较)，所以价格通常不在考虑之列。效率高是涡轮增压最大优点，因为涡轮增压只是由废气驱动，相对比要由引擎驱动的机械增压，它不用浪费部分引擎动力，也较经济省油。
2)动力输出：
这是涡轮增压最大缺点，也是机械增压的最大优点，因为要等到涡轮增压的涡轮到达一定转速时(大约12000RPM)才能启动压气机工作。尽管所需时间很短，但是对于驾驶者来说，是很不舒服的感觉，而机械增压就像之前所说的，只要引擎开着就在工作，不会有任何的延迟。
机械增压与涡轮增压在动力输出上有着明显的区别，前者有接近自然进气的线性输出，而后者则因为有涡轮迟滞的现象，出力相对多一点突兀，没那么线性。因为机械增压的作动原理，使其在低转速下便可获得增压。增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的动力输出随着转速的提高，也随之增强。因此机械增压引擎的出力表现与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。相较之下，利用废气推动的涡轮增压在低转速时，因废气排放还不足以推动涡轮叶轮，不但没有增压的效果，反而造成排气的阻碍（因此容易造成低扭的损失）。因此，必须等到一定转速后，才会推动涡轮叶片运转进行增压。这种涡轮迟滞现象，涡轮尺寸越大，就会越严重（因为大尺寸的涡轮其叶片也越大，推动它就需要更大的排气压力）。也就是说，在驾驶大涡轮车时，突然涌现的马力会使顺畅度变差。
3)散热：
因为涡轮增压的压气机是在排气管里面的，加上它超高速的运转轴承(12000RPM以上)，由此而来的高温高压是不可避免的，因此需要采取如机油冷却/水冷却，机械开关/电脑泄压的方式来保证车子安全。另外，几乎所有的涡轮增压车上一定得有中央冷却器装置。因为更多的空气被压缩后，温度升高，密度降低也就是含氧量减少，燃烧效率降低，所以必须用中央冷却器来冷却空气温度。对于机械增压问题就小多了，一般来说是不用中央冷却器的。因此机械增压安装较容易。
4)噪声：
涡轮增压的构造决定了它所产生的噪音是小于机械增压的，因为涡轮增压安于排气管的涡轮起到了消声的作用。而机械增压在高转速时摩擦增大，有些夸张汽车的更将整套装置外露于引擎盖上方，因此噪声要比涡轮增压大得多。

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