第七章 内燃机增压7－1 增压技术和增压方式一、增压技术所谓内燃机增压就是增加进入内燃机气缸之前的空气压力 ，即增加进气密度，以增加进入气缸的空气质量这样可以提 高内燃机升功率，因而也就提高了整机功率根据平均有效压力公式：式中， K′c——常数平均有效压力pe与一个循环内进入单 位气缸容积的空气质量ηvρs成正比影响pe的最主要因素是进气 密度ρspe随ρs的增加而增加，二者呈直线关系由气体状态方程可知：ρs=ps/(RTs)采用增压的方法提高进气压力ps，采用中间冷却方法降低进 气温度Ts，都可使内燃机的平均有效压力pe大幅度地增加，从而 增加内燃机的有效功率通常，非增压内燃机的pe小于1MPa，增 压内燃机的pe有的已超过2MPa增压后内燃机功率的增加程度可用增压度σ表示，其定义为 增压后与增压前的内燃机功率之比值，也即为增压后与增压前标 定工况下平均有效压力之比值，即:式中，ρs——增压后气缸进气密度；ρe——增压前气缸进气 密度目前，增压度的划分还没有统一的规定，通常以增压压力pk 或增压比πk(增压器后和增压器前的空气压力比)来表示由于进 气管系统存在流动阻力，故气缸进气压力ps稍小于pk值。
一般， 低增压 pk≤0.17MPa 或πk≤1.7 (pe=0.8～1.0MPa)； 中增压时 pk=0.18～0.25MPa 或πk=1.8～2.5 (pe=0.9～1.5MPa); 高增压时 pk=0.26～0.35MPa 或πk=2.6～3.5 (pe=1.4～2.2MPa); 超高增压时 pk>0.35MPa或πk>3.5(pe>2.2MPa)采用增压的方法，除能提高内燃机升功率(亦即整机功率)以外，还具有下列优点：①因为增压器增加的重量和尺寸都相对较小，而内燃机的功率可有较大提高，所以增压柴油机单位功率的重量、尺寸将会相 应减小；②内燃机单位功率的造价降低，特别是大型机尤为显著；③排气的噪声有所降低；对减少有害物质排放也会有所裨益；④在采用涡轮增压时，内燃机的热效率较高，经济性将会 得到改善二、增压方式内燃机增压方式很多，主要可分为机械增压、涡轮增压、复 合增压和气波增压等四类一)机械增压①机械增压，通常增压器通过齿轮与曲轴驱动，增压器一般 采用离心式或个别采用螺杆式，见图7－1 图7－1 机械增压简图 ②应用范围：四冲程和二冲程内燃 机均采用，但一般只在增压比不高 时或某些特殊情况如为了适应潜艇 主机的高背压工况，快艇主机的加 速和低负荷工况等下被采用。
③机械增压：pk↑→ pe↑，但内燃机的热效率不一定有所改善,因 驱动压气机要消耗内燃机曲轴输出 功当pk过高→ηm↓→ge↑，同 时pe↓ 因此，增压压力pk值的 选取应在pe和ge二者间寻求最好的折衷方案 图7－2 涡轮增压简图 (二)涡轮增压①涡轮增压器和内燃机之间没有 机械联接它们之间靠气路相通 内燃机排出的废气经过涡轮膨胀作 功后再排往大气，而压气机是靠涡 轮发出的功率来驱动的②涡轮和压气机二者的功率必须 保持平衡，以保证内燃机发出预定 功率时所需要的增压压力pk和空气 流量Gk根据压气机和涡轮的功率平衡，得：(7－1) 式中，C——常数 ③为了保证燃烧室有良好的扫气而不发生倒流现象，必须 使pk>pT此时，能否保证Nk＝NT ，由式(7－1)可知，取决TT 和ηTk=ηTηk由于TT受到气缸热负荷和涡轮喷嘴叶片材料的限 制，故ηTk对实现Nk＝NT 有重大影响④涡轮增压是回收了废气能量的一部分作功，所以这种增 压方式可以使ge↓，缺点是动态响应差些，在二冲程柴油机低速 低负荷时，扫气能量有些难以保证涡轮增压器发出所需pk的功率此种方式在各种用途的柴油机上得到了广泛的应用。
图7－3 复合增压(机械增压+涡轮增压) (a)串联系统； (b)并联系统 E—内燃机；T—涡轮；k—压气机 ①这种增压方式多用于二冲程柴油机在二冲程柴油机上实 现纯涡轮增压有较多的困难，主要原因是：扫气空气量大，压气 机消耗的功率多；要求有较大的进排气压差(pk－pT)，但排温又 不高，难以使Nk＝NT，需要供给一部分附加能量 （三）复合增压1.机械增压和涡轮增压组成的复合增压 ②在二冲程柴油机上，如果采用脉冲增压系统，采用高效率 的涡轮增压器，排气能量的20%以上可加以利用，则有可能实现 纯涡轮增压例如6EL390ZC柴油机就是纯涡轮增压③这种增压方式有两种方案：a)一种是以涡轮增压为第一级，机械增压为第二级；b)另一种是以机械增压为第一级，涡轮增压为第二级采用第一种方案的较多在同样的压比下，a)方式机械传动的压气机消耗的压缩功较少，且体积也比较小，但其加速性能稍差在满负荷时，总压比 πk的大部分甚至全部由涡轮增压器提供，机械增压几乎不起作用 在部分负荷时，ηTk ↓机械传动的压气机提供的压比增加；在起动时则全靠机械增压图7－4 复合增压(涡轮增压+谐振系统) 2.涡轮增压和谐振系统组成 的复合增压 这种增压方式是G·克塞尔 (G.Cser)于1970年提出的，如 图7－4所示。
①空气先在涡轮增压器1中 压缩，经连接管2进入稳压箱3 ，然后进入谐振系统(由谐振管 4和谐振室5组成)，进一步压缩 后流入进气管6 3的作用是使 谐振系统的压力波动不致影响压气机的工作②发动机各气缸周期性的吸气过程对进气系统会产生激振，当 这一激振的某一阶谐波与谐振系统的固有频率相一致时，便产生 共振，使谐振室内的压力振幅达到最大值，从而实现惯性增压③实现共振时的发动机转速称为谐振转速ncs，这时ηv可达 最高值可通过调整谐振系统的结构参数来控制谐振转速，可把 Memax的转速定为产生共振的转速ncs，以改善内燃机容积效率ηv 变化曲线试验表明，这种增压方式可提高Memax28%④谐振系统的谐振频率f可近似地按下式计算：式中，F、L——谐振管截面积和长度； V――谐震室的容积 当F不变时，调整V和L，仍可达同一f⑤这种增压方式的主要优点是：结构较简单，内燃机的扭矩 特性可明显改善，加速性能也可改善缺点：①进气管系尺寸较大，不易布置；②三个气缸共一谐 振系统的效果明显，而两个气缸共一个谐振系统的效果就较差， 易在3、6缸内燃机上采用图7－5 气波增压器的示意图 R—转子；LPG—低压排气管 ； LPA—低压进气(新鲜充量)管 （四）气波增压 气波增压器是20世纪50年代开始发展起来的，开始用于卡车 、拖拉机和工程机械的内燃机， 后来又逐渐用于小轿车柴油机上 。
瑞士BBC公司曾制订了气波增 压器系列型谱，可供73.5～316kW 的柴油机使用，增压比πk=2～3 (1)气波增压是根据压力波的气动原理，利用柴油 机排气能量来压缩空气达到增压 的目的2）主要优点：①结构简单，对材料、转子动平衡、轴承的要求低；②适应工况范围大，不象涡轮增压器有喘振、阻塞、超速等限制；③响应时间短，加速性能好，低速时pk高，扭矩特性好；④有害排放物少，废气和空气接触，有一部分返回到气缸 再循环→T↓→NOx↓； （3）缺点：①综合效率低，这是因为转子有曲轴驱动，燃气和空气直 接接触受传热的影响；②重量尺寸较大，噪声大；③对进气阻力和排气背压都很敏感，要求气流通道阻力很 低 7－2 涡轮增压系统一、涡轮增压系统的基本型式按利用排气能量的基本方式分为定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统，以及由此而演变和发展的其他多种涡轮增压系统1.定压涡轮增压系统图7－6 涡轮增压系统示意图(a) 定压式 (b) 脉冲式 1—气缸；2—排气管；3—涡轮；4—压气机；5—进气总管 （1）特点此系统的特点是涡轮前的燃气压力pT基本上保持一定。
为此，柴油机的各缸排气都接到一根容积足够大，能起稳定压力作用 的排气总管上，然后和涡轮进口相连接，涡轮是单进气口的 图7－7 定压涡轮增压四冲程柴油机的理想示图 （2）在定压系统中排气能被利用的情况， 见图7－7 ①气缸排气所具有 的可用能Wg为：bf1b＝ b5eb（Wg1） ＋ef15e （ Wg2） 定压系统中只能用 ef15e②活塞对排气所作 的功WL：45124；③扫气空气所具有的功Ws：ig24i；④脉冲能量转化为热能，使废气温度升高而获得附加功： ee′f′fe3）定压涡轮增压系统的优点：①在定压条件下，全周进气，效率较高；②排气管系统简单成本低4）主要缺点：①脉冲能量利用率低；②发动机低速扭矩特性和加速性能差2.脉冲涡轮增压系统为了更好地利用内燃机排气的脉冲能量，可采用脉冲涡轮增 压系统，如图7－6(b)所示1）特点①把柴油机各缸的排气支管做得短而细，通常是2～3缸连接一根排气管，每一根排气管均和涡轮一个进气口相连接，整个排 气管系的容积较小，排气管内的压力波动大图7－8 脉冲系统排气管中压力的波动 (a) 理想过程； (b) 实际过程 Ⅰ—Vpip/Vs较小时；Ⅱ—Vpip/Vs较大时 ②脉冲增压系统中排气管 内压力波动情况如图7－8所示。
a.理想情况下排气无损失，排气管被瞬时充满，压力瞬 时升高，缸内压力p等于管内 压力pr；b.实际上气门不可能瞬时开启，排气管内也不可能瞬时 充满，气门喉口处存在节流损 失，所以排气门打开后，要经 过一段时间t后，排气管内压 力pr才能接近p，如图7－8(b)所示 c.由于该系统排气管容积设计的较小，通常可利用排气脉冲 能量的30～50％ ③在小容积的排气管中，管内气体通过涡轮的排空也快，压 力迅速下降，产生的压力波谷可促进气缸扫气，并减少活塞推挤 排气所作的泵气功如排气管容积Vpip足够小，则扫气压差ΔpⅠ=(psⅠ－pⅠ)(图7－ 8中阴影线部分)就较大，扫气效果就较好；如果Vpip设计得较大，则ΔpⅡ=(psⅡ－pⅠ)较小，扫气的效果就较差 图7－9 6缸柴油机排气压力波示意图 (a) 6缸共一根排气管 (b)3缸共一根排气管 ④在多缸机中，应避 免相邻气缸排气的互相干 扰，需要对排气管进行分 支分支的原则是，一根 排气管所连各缸的排气相 位必须互不重叠，或者重 叠很小由于一般四冲程 柴油机排气门开启持续时 间约240℃A~280℃A，二 冲程柴油机约120℃A.因此，一根排气管所连接的 气缸数目一般≤3，同时 这3缸的排气相位必须相互均匀错开。
如发火顺序为1—5—3—6—2—4的直列6缸四冲程柴油机，可将1、2、3缸 排气支管连接在一根排气管上，而4、5、6缸排气支管连接在另 一根排气管上对发火顺序为1—3—4—2的直列4缸柴油机，则 应将1、4缸和2、3缸各连接一根排气管图7－9说明了排气管分支与多支管的压力波动情况3.脉冲式和定压式涡轮增压系统的比较（1）排气能量利用的效果①排气能量传递效率ηE在增压度较低时，脉冲涡轮增压的ηE较高，当随着增压度的增加，脉冲与定压逐渐接近②涡轮效率ηT定压增压系统，在涡轮中的能量转换过程是稳定的，而脉冲 增压系统能量变化很大，∴ηT定压≥ηT脉冲③涡轮增压系统的有效性指标(排气总效率)KEKE定义为压气机的等熵压缩功Wks与气缸排气最大可用能Wz的比值，也是排气能量传递效率ηE和涡轮增压器效率ηTk的乘积 ，即： (7－2)图7－10 涡轮增压系统有效性指标KE随增压压力pk的变化 图7－10示出了涡轮增压 系统有效性指标KE随增压压 力pk的变化关系从图中可以 看出，在增压压力pk不大高时 ，脉冲增压系统的KE值较高 ；在高增压压力时，定压增压 系统的KE值较高当pk0.25MPa时，采用 定压增压系统，对排气能量的 利用较为有利,这时KE较高。
（2）对柴油机性能的影响①柴油机的加速性脉冲系统。