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1、涡轮脉冲增压内燃机摘要：本文将涡轮脉冲增压内燃机实际循环进行理想化简化，得出其在理想状态下的p-v图与T-S图，再通过其理想状态图得出它的吸热和放热量，从而得出内燃机的效率。由计算结果得，其效率比相同情况下没有增压过程的混合加热循环效率提高10%左右，使能量利用率提高。此外，内燃机的效率会随着参量，的变化而变化，则必存在某一值使效率有最大值，能量利用率最高。关键词：增压；脉冲；能量；吸热量；热效率；内燃机1. 引言 在内燃机中，其排气温度和压力表明排气具有很大的能量,利用内燃机排气的能量，通过涡轮机和压气机组合在一起的涡轮的增压装置就可以用来提高内燃机的进气压力，从而可以大幅度地提高内燃机的功
2、率，改善工作过程，提高各方面的性能。而利用内燃机的高温排气在涡轮机中继续膨胀做功，从而驱动压气机而使内燃机进气增压，提高内燃机工质的初始压力，这就构成了涡轮增压内燃机。如 图（1）所示。图（1） 涡轮增压 内燃机1.1 涡轮增压内燃机的历史 废气涡轮增压技术在柴油机上的应用约有六十年的历史。1911年瑞士工程师波希(AIfred Buchi)首先提出了在活塞式向内燃机上采用废气涡轮增压器的原理。1926年瑞士勃朗一波维利(N1BBC)公司设计并制成世界上第一台废气涡轮增压器，并和一台四冲程柴油机匹配 进行了增压试验。但限于当时的技术水平， 涡轮增压器的效率和压气机的压比都很低，采用两级离心式压
3、气机其压比 才达到130，而且涡轮增压器的体积庞大，无法将它作为一个附件安装在柴油机上， 因而妨碍了它的推广和使用。直到四十年代，特别是第二次世界大战后， 生产和制造废气涡轮增压器的技术才逐步成熟起来。1952年丹麦Bandw公司首先在二冲程柴油机上实现了纯废气涡轮增压，这就促使低速重柴油机单机功率迅速增长。 从五十年代中期至六十年代，商船特别是油轮不断向大型化、高速化方向发展，柴油机的增压度迅速提高， 以适应柴油机功率增长的需要从而出现了直径为1 m 单缸功率达2940kW的超大缸径巨型船用柴油机1.2脉冲涡轮增压内燃机的应用范围 脉冲增压系统在排气管中造成尽量大的压力波动，进入涡轮机排气压
4、力互不干扰，以尽量改善排气能量的利用，有利于柴油机工作过程的组织。这种系统主要采用在低中增压的广大中小功率增压柴油机上，尤其适用于车用发动机。1.3脉冲涡轮增压内燃机的优缺点1.3.1 优点：（1）废气能量利用系数高，低工矿性能好；(2)扫气易组织，对二冲程更有利，有时可以采用纯涡轮增压系统；（3）加速性能好，因排气管容积小，涡轮增压器转速上升快，但尚比非增压时差，故在高增压时需采用加油限位连锁装置，以免冒黑烟 。1.3.2缺点（1）动力输出反应滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓 ；（2）当排气管太长时，反射压力波对扫气会产生干扰；（3）对同样功率的柴油机，涡轮通流面积较定压时大
5、，常常要用大一型号的涡轮增压器来匹配，整机成本高；（4）排气阀刚开启时节流损失大，使涡轮鼓风损失大，效率降低 2. 基本原理2.1理想化循环过程涡轮脉冲增压内燃机实际循环过程可理想简化为以下的过程：n-6-5相应于大气压力P0线，混合加热循环1-2-3-3-4的初始压力P1P0，涡轮前压力在P4到P1之间变化。如不计摩擦损失，最初的废气压力P4可在涡轮机内沿可逆的绝热线膨胀呆大气压力P5，后来的废气则先在汽缸中部分膨胀（最多膨胀到P1），流速提高后再在涡轮机中继续膨胀到P5，所以废气的脉冲能量都可以得到利用。内燃机循环的定容放热过程4-1可看作伴生涡轮机的定容加热过程1-4，4-5为废气在涡轮
6、机内的绝热膨胀过程，5-6为废气在在大气中的定压放热过程，6-1为增压器压气机中空气的绝热压缩过程。涡轮机给出的功相当于p-v图上面积m-4-5-n，压气机把空气从大气压力P6（P0）绝热压缩到P1耗用的功为面积n-6-1-m，两者相差是由于存在循环过程的不可逆损失和装置的机械损失。如认为两者基本平衡，则循环复合后对提高柴油机热效率没有作用，但增压使功率增大则是肯定的。实际上由于增压空气对气缸扫气等原因而改善了燃烧过程，因而可以适当提高内燃机的有效效率。增压后复合发动机的循环可看作柴油机循环1-2-3-3-4和定容加热压缩器煦暖5-6-1-4的复合。脉冲增压系统的p-v图和T-S图如图（2）所
7、示：2.2循环热效率的计算：由以上的循环理想化过程可得，该循环的热效率计算和各点温度、压强、比容计算过程如下：循环从高温热源吸收的热量为：向低温热源放出的热量为：则其循环热效率： =k为比热比。62与35均为定熵过程，设该循环的压缩比定容增压比为:，预膨胀比为:绝热过程：62，则， ， 定容过程：2 ，, 定压过程: 3。3, , ，绝热过程为35：且有得其中定压过程为56故内燃机循环热效率： =由于5-6为大气压力线，令=0.1MPa,设其初始温度为：=（25+273）K=298K.令其压缩比：8，定容增压比：，预膨胀比： 比热比k=1.4该循环6点比容设为，由得：则在整个过程各点的温度，压
8、强，比容如下表：参数温度（K）压强Pi（MPa）比容vi（m3/kg）6298.00.10.852684.61.840.11890.02.390.1131068.02.390.135431.30.11.23将8，定容增压比：，预膨胀比： 带入热效率计算公式得：=10.4105=0.5895=58.98%2.3各过程的做功量w及吸热放热量q(1)绝热过程：62,吸收热量q1=0，做功量大小w1=277.39kJ/kg；(2) 定容过程：2，吸收热量： =147.27kJ/kg做功量w2=0；（3） 定压过程: 3。3，吸收热量：=178.71kJ/kg，做功量大小=51.09kJ/kg；（4）
9、绝热过程为35，吸收热量q4=0，做功量大小=182.73kJ/kg；（5） 定压过程为56，放出热量：=-133.83kJ/kg在整个循环过程中吸收热量：=325.98kJ/kg，当每次循环工质的质量为m=0.31kg，则每次循环加热量为Q=101.01kJ3. 结论（1），在脉冲增压内燃机中，由于在气缸中燃烧与混合加热循环相同，没有提高其在气缸内燃烧效率，但是由于利用了一部分废气中的能量，提高了热量利用率 ，故从而使整个内燃机有效效率和功率提高。（2），有循环热效率计算公式得，效率随压缩比，定容增压比的增大而提高，随着与膨胀比增大而降低。故而，在其结构允许的范围内，适当提高和可以使内燃机效率最大提高到70%左右。（3），由于增压的作用，使得内燃机的最大压强增大，从而会对内燃机的材料要求更高。 参 考 文 献 方建良. 浅谈柴油机废气涡轮超高增压系统.镇江陆军船校. 刘炽棠.内燃机原理.上海交通大学出版社，1996:131-131. 朱仙鼎.特种发动机原理与结构.上海科学技术出版社，1998:66-67. 朱明善，刘颖，林兆庄，彭晓峰.清华大学出版社，1995.
