第七章 涡轮增压.doc

发动机增压概述
一、增压的基本概念
定义：利用增压器将空气或可燃混合气进行压 缩，再送入发动机气缸的过程。
作用：增加每循环进入气缸的新鲜充量密度，使实际充量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性的目的。
提高发动机单机功率的方法
1. 改变发动机结构参数 — 缸数i，缸径D，冲程S, 冲程数t;（受安装位置和自重的严格限制）
2 提高转速n及活塞平均运行速度Cm; （充气效率和机械效率下降、燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命、噪声限制）
3 提高平均有效压力Pe。（最经济有效的方法）
增压 ®γk ®­ Pe­ ®Ne­ 其中 γk — 充量密度。
特性参数
（一） 增压比
增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比，即πk=Pk/P0。
（二） 增压度
增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。

二、增压的分类
1．按增压比分类

πk
Pe（kP)
低增压
1.3~1.6
700~1000
中增压
1.6~2.5
1000~1500
高增压
〉2.5
1500
超高增压
〉3.5

2．按增压系统的机构分类
1）机械增压系统
2）废气涡轮增压系统
3）复合式发动机
4）组合式涡轮增压系统
5）气波增压系统

废气涡轮增压的工作原理

废气涡轮增压器是利用内燃机排出的部分废气能量，推动涡轮机高速旋转，从而带动安装在同一根轴上的离心式压气机，增大内燃机进气压力的工作机械。
种类：按废气在涡轮机中的流动方向分：
径流式涡轮增压器
轴流式涡轮增压器

一、径流式涡轮的工作原理
1.功用：将废气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械功。
2.组成：
• 进气壳：废气顺畅流入
• 喷阻环：废气径喷阻环，使气流速度增大、
动能增大
• 工作轮：高速气流离心力作用驱动工作轮
高速运动，使压气机工作轮转动
• 排气壳：废气作功后顺畅排入大气或废气
锅炉
3.工作原理
4.涡轮机参数
涡轮效率
膨胀比
气体质量流量
涡轮转速
5.涡轮特性
• 转速一定，相似流量随膨胀比的增大而增大。

二、离心式压气机的工作原理与特性
1、结构：
• 进气道：收集气流顺畅进入工作轮
• 工作轮：对气体压缩
• 扩压器：工作轮出口气体进一步压缩
• 涡 壳：使增压气体顺畅进入气缸
2、工作原理

增压对发动机功率和经济性的影响及其类型
一、增压提高了空气的密度
增压器的压气机把空气从状态“0”压缩到状态“k”所发生的密度变化。
二、对指示效率的影响
表示Pk增加以后，供油系统保持不变，供油提前角也不变，保持θ=30°的情况，由于增压后要求增加每循环的供油量，为此加大供油持续角，使膨胀冲程后燃增加，传导给冷却水和废气中的热量增大，从而使指示效率下降。
改变供油系统的结构参数，如改变凸轮型线，加大柱塞直径，增大供油速率等，使供油持续角保持不变，并且调整供油提前角，使压升比为常数，指示效率反而提高。
保持供油系统不变，加大供油提前角，使压力升高比为常数是的试验结果，此时指示效率随Pk的增加而下降，但由于后燃减少，指示效率下降幅度较小。
三、对充气效率的影响
充气效率随增压压力的增加略有提高，但不明显。充气效率随Tk的增加而提高。
四、对机械效率的影响
发动机采用涡轮增压后，平均机械损失压力Pm从绝对值来看有所增大，但相对于因增压后而大幅度提高平均指示压力Pi而言，Pm/Pi比值却减小了，机械效率得到了提高。
废气涡轮增压系统的两种基本形式
两种基本形式：恒压系统和脉冲系统
恒压系统与脉冲系统的比较和选择
1）脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量，所以系统的可用能量比恒压系统大。
2）脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处。
3）在脉冲系统中，由于排气管容积小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快的变动，所以脉冲系统的加速性能好。
４）从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低。
５）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，其瞬时最大流量比恒压系统的流量（相当于脉冲系统的平均流量）大，因此，脉冲涡轮的尺寸较大。其排气管的结构也复杂，受每根排气管联接气缸数目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂，柴油机的轮廓尺寸加大。
综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩特性、加速性能要求比较高，即使是在高增压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。

废气涡轮增压柴油机的特点和性能
一、特点
1．主要参数的选取
适当降低压缩比
适当加大过量空气系数
2．供油系统
增加每循环的供油量：
方法：增大柱塞直径，增加供油速率（喷油泵凸轮轮廓线较陡），提高喷油压力以及加大喷油嘴喷孔直径等。
减小供油提前角：
供油系统材料、流通面积：
3．配气机构
采用较大的气门重叠角，即增加进气门的开启提前角和排气门的关闭迟后角，利用活塞在上止点附近Pk和PT的压力差进行扫气。
加大进排气门升程：
4．进排气系统
在脉冲系统中，为了使扫气期间各缸的排气不互相干扰，因此排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不相重叠（或重叠很少）。
增压柴油机的排气管承受的热负荷很高，排气管开裂是常见的故障。
增压柴油机的进气管容积希望尽可能大一些，以减少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发动机性能。空滤也应相应增大，以免压气机进口压力损失过大，引起柴油机性能恶化。
5．冷却增压空气
将增压器出口的增压空气加以冷却，一方面可以提高充气密度，从而提高柴油机功率；另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低柴油机的热负荷和排气温度。
冷却增压空气的方法，一般是用水和空气在中间冷却气中进行间接冷却。
在低增压时没有必要设置中间冷却器。
二、性能
1．低速转矩性能变化
2．加速性能变差
3．经济性有所改善
4．降低了排气污染及噪声
5．起动和制动有一定困难
柴油机起动时，无高温排气，涡轮机无法工作，压气机也不能供气。增压柴油机在起动瞬时的进气压力及温度均不高，加之压缩比较低，起动时压缩终点的温度降低，造成着火与起动的困难。
非增压柴油机，其制动力与气缸排量成正比。但增压柴油机的升功率高，因此按增压后功率配置的制动力就不足。为此，使用内燃机制动时借助自动装置，在活塞压缩行程终了时将排气门打开，这样就减去了气体膨胀功，而增大了内燃机的制动力。