1、第七章 内燃机增压 71 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， Kc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vs成正比。影响pe的最主要因素是进气密度s。pe随s的增加而增加，二者呈直线关系。,由气体状态方程可知：s=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
2、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，s增压后气缸进气密度；e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k(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 pk0.17MPa 或k1.7 (pe=0.81.0MPa)； 中增压时 pk=0.180.25MPa 或k=1.82.5 (pe=0.91.5MPa); 高增压时 pk=0.260.35MPa
3、或k=2.63.5 (pe=1.42.2MPa); 超高增压时 pk0.35MPa或k3.5(pe2.2MPa)。,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：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；内燃机单位功率的造价降低，特别是大型机尤为显著；排气的噪声有所降低；对减少有害物质排放也会有所裨益；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。,发动机增压的功用,增压,将空气预先压缩后供入气缸，以提高空气密度、增加进气量,功用,进气量增加，可增加循环供油量，从而可增加发动机功率,
4、可以改善燃油经济性,可以得到良好的加速性,发动机增压类型,机械增压,涡轮增压,气波增压,与发动机容易匹配，结构紧凑，但燃油效率高,经济性好，排放少、噪声低，但顺态响应和低速加速性差,低速转矩特性好，但体积大，噪声高,复合增压,可以兼顾高、低速转矩特性好，但体积大，结构复杂,二、增压方式,1、机械增压系统 1、压气机 2、进气管机械增压,机械增压,机械增压器,1）齿轮增速器驱动,2）传动带及电磁离合器驱动,齿轮 增速器,增压器,空气,增压器,电磁离合器,图71 机械增压简图,(一)机械增压机械增压，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71。,应用范围：四冲程和
5、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。 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mge，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。,2、废气涡轮 增压系统,空气压力达0.130.5Mpa 提高功率50%300%1、4-排气管 2-涡轮导向器 3-废气涡轮叶片5-增压器叶轮 6、9-进气管 7-扩散器 8-蜗形管废气涡轮增压,涡轮增压,涡轮增压器,涡轮机,排气管,压气机,进气管,利用废气涡轮机，带动与其同轴安装的压
6、气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸,涡轮增压器,离心式压气机 径流式涡轮机 中间体,压气机,增压器轴,涡轮机,3、复合增压系统,复合增压系统将机械增压系统和废气涡轮增压系统 结合起来。复合增压系统多用于二冲程柴油机上。在二冲程柴油机上采用复合增压系统是为了保证起动和低转速低负荷时仍有必要的扫气压力。 复合增压系统又可分为串联增压系统和并联增压系统。,复合增压,机械增压与涡轮增压适当结合,串联复合增压,并联复合增压,空气先涡轮增压，中冷器降温，再机械增压,主要用于高增压发动机上,由机械增压和涡轮增压同时供给增压空气,低速主要靠机械增压，而在高速主要靠涡轮增压,图73 复合增压(机械增
7、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,（三）复合增压1.机械增压和涡轮增压组成的复合增压 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(pkpT)，但排温又不高，难以使NkNT，需要供给一部分附加能量。,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。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
8、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k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，Tk 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74 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。 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
9、气机的工作。, 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。 实现共振时的发动机转速称为谐振转速ncs，这时v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，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。主要缺点： 进气管系尺寸较大，不易布置； 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75 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
10、）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73.5316kW的柴油机使用，增压比k=23。 （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： 结构简单，对材料、转子动平衡、轴承的要求低； 适应工况范围大，不象涡轮增压器有喘振、阻塞、超速等限制； 响应时间短，加速性能好，低速时pk高，扭矩特性好 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TNOx； （3）缺点： 综合效率低，这是因为转子有曲轴驱动，燃气和
11、空气直接接触受传热的影响； 重量尺寸较大，噪声大； 对进气阻力和排气背压都很敏感，要求气流通道阻力很低。,72 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76 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77 定压涡轮增压四冲程柴油机的理想
12、示图,（2）在定压系统中排气能被利用的情况，见图77所示 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ef15e。, 活塞对排气所作的功WL：45124； 扫气空气所具有的功Ws：ig24i； 脉冲能量转化为热能，使废气温度升高而获得附 加功：eeffe。（3）定压涡轮增压系统的优点： 在定压条件下，全周进气，效率较高； 排气管系统简单成本低。 （4）主要缺点： 脉冲能量利用率低； 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76所示。 （1）特点： 把柴油机各缸的
13、排气支管做得短而细，通常是23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78 脉冲系统排气管中压力的波动 (a) 理想过程； (b) 实际过程 Vpip/Vs较小时；Vpip/Vs较大时, 脉冲增压系统中排气管内压力波动情况，如图78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，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
14、的3050。, 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p=(psp) (图78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p=(psp)较小，扫气的效果就较差。 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。,图79 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,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240A280 A，二冲程柴油
15、机约120A.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153624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1342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。 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 排气能量传递效率E。在增压度较低时，脉冲涡轮增压的E较高，当随着增压度的增加，脉冲与定压逐渐接近。, 涡轮效率T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，T定压T脉冲。 涡轮增压系统的有效性指
16、标(排气总效率)KE。KE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E和涡轮增压器效率Tk的乘积，即： (72),图710 涡轮增压系统有效性指标KE随增压压力pk的变化,如图710所示，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 柴油机的加速性脉冲系统的响应较快，加速性能比定压系统好。 柴油机的低速扭矩特性由于脉冲增压系统对排气能量的节流损失相对较小，可以较好地利用脉冲能量，因此，脉冲增压柴油机的
17、低速扭矩特性比定压涡轮增压柴油机的好。 柴油机的油耗率脉冲增压系统在pk较低并处于部分负荷时，具有较好的油耗率ge；采用定压增压系统时，在高增压满负荷时才有较好的油耗率。, 柴油机扫气质量脉冲增压系统可利用排气压力波的波谷加强气缸扫气。定压增压系统在高增压满负荷时有较好的扫气质量，但在低负荷时扫气效果较差。 （3）增压系统的结构定压增压系统的排气管结构较简单，布置比较方便。脉冲增压系统的排气管结构较为复杂。,4. 脉冲涡轮增压系统的演变与发展当pk0.25MPa, pe1.6MPa，仍采用常规脉冲增压系统就不适宜了；在气缸数不是3的倍数时，出现2缸接一个涡轮进口、或1缸接一个涡轮进口，将产生严
18、重的缺点： 废气能量利用不好。这是因为管内的排气充分排空，气门的节流损失， 排气管内的压力波动更加剧烈，涡轮部分进气引起的鼓风损失，涡轮效率T会下降更多。 涡轮叶片受周期性的冲击增加，振动加剧，同时尺寸也增加了。 为了解决上述问题，发展了脉冲转换系统。,(1) 脉冲转换器,图711 脉冲转换器示意图(a), 简单脉冲转换器(b) 图711(a)所示，各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接，脉冲转换器再和涡轮进口连接。,脉冲转换器的基本原理是：来自各缸的废气在收缩段加速，其压力能先转化为动能，然后在高速低压下在混合管中混合，较快的气流加速较慢的气流，实现气流速度平衡。在混合管中会产生膨胀波，传
19、到先期排气(即速度较慢)的支管时，会产生一个较大的压力降而产生引射作用，从而避免了相邻2个气缸的排气过程有一部分重叠，而造成先排气的气缸的扫气干扰。在扩压段中气流的动能转化为压力能，然后进入涡轮。,由于脉冲转换器要有一个容积较大的稳压，且要进行两次能量转换(压力能动能，动能压力能)，伴随很大的流动损失。基于此，将脉冲转换器简化为一个Y形管，省去稳压室，缩减混合管，使结构大大简化，这种简单的脉冲转换器可使4缸、8缸和16缸柴油机获得与3脉冲增压系统大致相当的效果。,影响脉冲转换器性能的主要结构参数是： 混合管截面积FMFM引射作用节流损失。一般可选取FM=(0.50.7)R当平均有效压力pe值较
20、高时， FM取大值。 引射喷嘴(收缩段)最小截面积FDFD引射作用节流损失。一般可取FD=(0.560.80)FR。 混合管长度主要取决于增压系统的布置。稳压室容积一般选为气缸容积的23倍。,(2) 多脉冲转换系统脉冲转换器用于非3倍的气缸数目的柴油机上较脉冲增压系统具有明显的优点，它可将排气有重叠的气缸接于一个涡轮进口，改善了涡轮的进气条件（部分进气少了）T。 多脉冲系统主要采用较大的喷嘴环出口截面积，使压力波几乎不反射或者反射很小，以使扫气顺利进行。但不允许把涡轮喷嘴环面积或稳压室容积取得过大，以致引起压力波大幅度下降，影响脉冲能量的利用。一般认为，多脉冲系统适用于7缸以上的内燃机，至少有
21、4根排气管连接到一个涡轮进口，当然也有例外。,图712 多脉冲系统中的压力波,F、W、Y压力测量位置；Tk增压器,在多脉冲系统中，将排气重叠度不大的气缸连到一个小截面的支管上，在排气开始时，管内压力迅速升高，因压差小，排气门处的节流损失较小。在涡轮前将各个排气支管接到一个短的混合管上，并与涡轮进口相连接，可实现全周进气。,多脉冲系统中的压力波如图712所示。第6缸排气门开启后，因多脉冲系统的涡轮喷嘴截面积FN和排气支管截面积FR之比较大，气缸内排气很快，缸内压力下降快，扫气良好。曲轴转过103A后，第7缸开始排气，并不影响第6缸扫气，同样第5缸的排气也不影响第6缸扫气。 （3）模件式脉冲转换器
22、MPC系统 MPC增压系统是由法国热机研究所提出的，已成功地应用在PC、PA系列柴油机上。MPC系统实际上是多脉冲系统的发展，目的在于兼顾多脉冲系统和定压系统的优点而克服多脉冲变换系统中存在的压力波的反射以及定压系统中燃气动能损失的缺点。,图713 MPC增压系统 图714 MPC模件MPC系统结构如图713所示，是一种串接式排气管系统，每个气缸在其出口处接一个模件。各个气缸的MPC模件彼此相连，其圆柱部分就组成了排气总管。一端封闭，另一端通向涡轮进口，向涡轮定压供气。与相应的气缸排气口连接是MPC的引射器，以角度与圆柱部分相交。MPC系统省去了长支管，总管相当于混合管。,MPC系统的工作原理
23、是：当气缸排气门打开后，废气即流入引射器，并在其中被加速，以较高的气流速度流向总管，压力明显下降，减少了总管中的压力波动。引射器喷嘴出口的气流速度能传递给总管内具有一定速度的气体，再一起流向涡轮进口。由于引射器本体的容积非常小，喷嘴对排气总管与引射器本体之间起了动力隔离作用，一方面使气缸排气初期的脉冲压力不会直接传到排气总管，干扰其他缸的扫气；另一方面，可使引射器内的压力能迅速跟上气缸内压力的变化，减少气流在排气门处的节流损失。还可消除多脉冲增压时遇到的压力波反射问题。,MPC系统的能量传递效率与脉冲系统的相当。MPC系统中对性能影响较大的主要结构参数为： 引射器的有效截面积F2及其形状引射器
24、喷嘴出口截面积F2和进口截面积F1之比(即F2/F1) 称为收缩系数f。一般可选取f=0.40.8。f喷嘴前后压差总管内压力与波幅，流速；f喷嘴前后压差总管内压力与波幅，流速。, 总管内径dd 比定压增压系统的要小，其目的是为了保存速度能。一般可选d=(0.500.60)D。 引射器与总管的交角一般角在30左右，较小的角，可对其上游的气体起到较好的引射作用，有利于上游气缸的扫气。但角过小，将引起引射器流道加长，甚至引起气流产生分离流动损失。,73 高压比、超高压比涡轮增压系统k2.5 为高增压；k3.5 4为超高增压；实现高、超高增压的方案有多种，例如：低压缩比高增压系统、低温高增压系统(米勒
25、系统)、顺序(相继)涡轮增压系统、两级涡轮增压系统、补燃高增压系统、变几何参数涡轮增压系统等。下面介绍具有代表性的高增压系统。1. 两级涡轮增压系统 目前，涡轮增压器的压气机由于受材料强度的限制，叶轮外径的圆周速度一般小于500m/s，所以单级增压比k4，在这种压比下，压气机的效率降低，工作范围变窄。,图715 两级涡轮增压系统图,为了获得更高的压缩比，可采用两极涡轮增压系统。 两个涡轮增压器和柴油机在气路上串联起来。空气经两个串联的压气机压缩，压气机分别由两个涡轮(不同轴的)驱动，压气机后都装有空冷器，排气先经过高压级涡轮，然后再入低压级涡轮，一般低压级采用定压系统，高压级采用脉冲系统（试验
26、表明这有利于改进部分负荷性能）。,采用两级涡轮增压在技术上没有特别的困难，而且还能获得比单级涡轮增压更高的增压比，使内燃机的功率能大幅度地增加。此外，两级涡轮增压还具有下列优点： 由于每级压气机后安装了空冷器，使整个压缩过程向等温压缩靠近。如要获得相同的增压压力，则两级压缩消耗的功比单级压缩的要小，这就提高了涡轮增压器组的总效率，使内燃机的空气流量增加，对降低排温和减少油耗率均有利。 两级串联增压，可以获得高的k，但每一级的增压比却是较低的，可使压气机高效率区范围较宽。, 对环境温度、压力变化不敏感。因为环境参数仅影响低压级的工作，所以对高原工况和高背压条件比较适应。主要缺点是，装置比较复杂，
27、重量、尺寸增大，成本增加（约增加柴油机制造费用约20%）；同时启动和低负荷性能较差；对变速、变负荷的适应性也较差。,2. 补燃高增压系统补燃增压系统是在20世纪70年代初期研究坦克发动机过程中提出来的。传统增压系统的缺点是：通过压气机和柴油机的流量相同，而变工况时柴油机流量会发生变化，同时，低负荷和动态响应特性较差。,图716 补燃增压系统,1废气涡轮增压器； 2启动马达； 3空气冷却器； 4旁通管； 5燃油泵； 6控制器； 7混合管； 8燃烧室； 9点火器及火焰控制器,补燃增压系统则把压气机、柴油机和涡轮组成并联系统。压气机出口的空气分成两部分，一部分送给柴油机，另一部分经旁通管输送至补燃室
28、，压气机和柴油机二者的空气流量是不相等的，压气机和柴油机相互约束小，联合运行线可通过压气机的高效率区。由于补燃室可以喷油燃烧，涡轮增压器能够独立地运转，因而柴油机在低负荷时也能得到足够的空气量，发出较大的扭矩。主要结构特点是：柴油机采用低压缩比(=78)；涡轮增压器采用高压比(如k5)，可用一级压气机，也可用两级压气机；旁通的空气量和补燃室的喷油量均以增压压力pk的大小实行自动控制；柴油机启动时，空气冷却器可以旁通，以加快进气空气的预热 。,主要优点是： 有的pe可达34MPa。 各种转速n下都可发出足够大的扭矩。 冷启动容易，最低稳定转速可下降（补燃室作用） 低，Tmax较小NOx。缺点是：
29、结构较复杂；采用低热效率较低t；一部分空气旁通，不经内燃机，在涡轮中膨胀作功，属于低温空气循环热效率t；补燃室还要消耗一部分燃料，这都影响整机的经济性。,3. 其他形式的高压比涡轮增压系统 (一)低压缩比高增压系统低压缩比高增压系统是在常规的涡轮增压系统基础上，采用降低柴油机压缩比的办法，在柴油机机械负荷和热负荷不增加的情况下，提高增压压力，以增加燃烧始点气缸内的空气量，达到提高平均有效压力的目的的。该系统的主要优点是，仅对柴油机本身进行一些结构改变就可获得高增压压力。该系统的主要缺点是，启动和低负荷性能恶化，经济性也比正常压缩比柴油机的差。,该系统应用于法国BTC系统(两级增压低压缩比系统)
30、，使12缸PA6高速柴油机的总增压比达k=5，其中高压级k=2，低压级k2=2.5，总功率达Ne=4633.64kW。CV12TCA柴油机也采用低压缩比高增压系统，其缸径D=135mm,行程S=152mm,柴油机转速n=2300r/min，压缩比=12,增压比k=3,功率Ne=896kW，平均有效压力pe=1.79MPa，最高燃烧压力pz=13.1MPa，燃油消耗率ge=226g/(kWh)。,（二）低温高增压系统低温高增压系统又称米勒系统(Miller system)。该系统的设计思想是，在增压器与柴油机进气管之间装有高性能中冷器，使进气管内的空气温度大致保持不变。四冲程柴油机在下止点之前就
31、终止进气，使空气在气缸内膨胀，以得到进一步冷却；二冲程柴油机则在压缩冲程开始的一段时间里，使进气口继续保持开启状态，从而排出一部分充量，以减少实际压缩比。,该增压系统的特点是，增压空气的外部冷却和内部冷却相结合，以及变化的压缩比和不变的膨胀比，克服了降低压缩比后带来的启动困难和低负荷性能差的缺点。该系统的主要缺点是，进、排气门的自动调节机构复杂，柴油机的经济性也稍差。意大利GMT公司的GMTB230DV高速柴油机采用低温高增压系统，平均有效压力达pe=2.167MPa。,(三) 顺序涡轮增压系统涡轮增压柴油机的增压压力和空气流量不仅受到柴油机转速的影响，而且也受到负荷的影响。当增压柴油机在低速
32、低负荷工况运转时，增压压力和空气流量迅速降低，涡轮增压器在低效率区工作，增压度越高，这个问题就愈突出，这就是高增压柴油机低速扭矩小和低负荷时燃油消耗率高的主要原因。为了改善这种状况，顺序(或相继)涡轮增压系统采用多个小型径流涡轮增压器(24个)，随柴油机转速和负荷的增长，相继按次序投入运行，这可保证工作着的涡轮增压器始终在高效率区运行，使柴油机的燃油消耗率在整个运行区域内都较低。,相继涡轮增压系统,顺序涡轮增压系统中，涡轮和压气机的进口处都装有蝶形阀，以控制涡轮增压器的投入或退出运行。装在涡轮前面的燃气控制阀以增压空气压力或柴油机转速为控制信号，装在压气机前的止回阀只允许空气沿正常方向流动，在
33、受到反向空气压力时会自动关闭。在停止向某一个涡轮供气时，仍允许有少量的燃气流入涡轮，使转子保持空转和维持适当的温度，一旦需恢复其工作时，就可缩短加速时间。MTU公司发展的这个系统在柴油机工作时能可靠地将涡轮增压器联通或切断，不会出现喘振和滞后现象，既适用于单级增压，也适用于两级增压。,为了使柴油机全负荷时有较高的经济性和简化增压系统的结构，顺序涡轮增压系统一般采用定压增压或MPC增压系统。MTU39604机型16V机采用顺序涡轮增压系统，这种增压系统的主要优点是，改善了柴油机和增压器的匹配，柴油机燃油消耗率较低；柴油机的低速扭矩特性明显改善，这是柴油机低转速时减少了工作的涡轮增压器数，从而可提
34、高增压压力的缘故。主要缺点是，结构较庞大，控制系统复杂。,(四)可变几何参数增压系统高增压柴油机的转速和负荷变化范围十分宽广，要使柴油机在全工况范围内均能达到良好的匹配，则需要柴油机和涡轮增压器的某些几何参数做成可变的，这便出现了可变几何参数的增压系统，如可变压缩比，可变截面涡轮增压器，可变几何形状燃烧室，还有喷油定时可调(电控喷油)，可变气门定时，可变进气涡流等。可变几何参数增压系统促成了所谓柔性内燃机的出现。,74 涡轮增压器与内燃机的配合 一、内燃机选配涡轮增压器的要求为内燃机选配涡轮增压器时，一般应满足下列要求：涡轮增压器应能供给内燃机所需的pk和mk；能在内燃机的各种工况下稳定地工作
35、，压气机不应出现喘振或堵塞现象；能在内燃机的各种工况下都能高效率地运行（处于高效区）。在各种工况下都能可靠地工作，不超速，不超温等。要满足上述要求，必须选择合适的涡轮增压器型号，否则应改变涡轮增压器的某些参数进行调整。,二、增压参数的确定主要的增压参数有：增压比k或增压压力pk(MPa)；空气流量mk(kg/s)或容积流量V(m3/s)；涡轮前燃气平均温度TT(K)。1. 空气流量mk涡轮增压柴油机所需的空气流量mL可按下列公式计算：(73)压气机的空气流量:mk=mL/Z (kg/s)式中，Z一台柴油机所用的增压器台数。,2. 增压压力pkpk=ps+pzk (74) 式中，pzk中冷器内压
36、降，一般pzk不超过56kPa。通过柴油机的空气流量还可以按下式计算：(75) 式(73)和式(75)应相等，故可得柴油机进气管内压力(76)pk与pe有关，一般：四冲程高速柴油机的pk/pe0.1450.170；四冲程中速柴油机的pk/pe0.1550.180；,二冲程中速柴油机的pk/pe0.1950.240；二冲程柴油机的pk/pe0.180.21； 3. 增压空气温度Tk(77)柴油机进气温度TsTs=TkTzk (78)一般中冷器后的空气温度Ts比中冷器进水温度高1025K。当Ts(273+70)K时，一般可不设中冷器。,4. 涡轮的流量mT一台柴油机匹配一个涡轮增压器时，mT=mk
37、+gf式中，gf每秒与一个增压器连接的气缸燃油消耗量。代入可得(79),5. 涡轮前废气温度TT,图717 理论示功图,废气温度是排气内能大小的标志。 由于受叶片材料强度的限制，故目前一般TT923K。在排气管中，由于排气流动的部分动能将转化为热量，所以涡轮进口的排气温度TT反而比气缸气门出口的温度Tr高5080K，在定压增压系统中有时可达100K以上。,涡轮前排气温度TT可以根据理论示功图或柴油机热平衡的方法计算得到。这里仅按理论示功图(图717)方法确定TT值。 假定气体在排气管中流动的动能转化为热量，不考虑向外散热，在定容排气bd过程放出的热量，在定压过程de中又全部加给了废气，则可得到
38、：cv(TbTd)=cp(TeTd)令cp/cv=n3 则:对于bd定容过程，Td=Tbpd/pb,对于de等压过程，pd=pe=pT则Td=TbpT/pb将上式代入Te表达式，可得 （710）式中， Tee点温度，是纯燃气温度。,在柴油机扫气过程中，有温度为Tr的扫气空气与之掺混，使排气温度降低为：(711)式(710)中的Tb、pb可由热计算求得。n3值与排气管的冷却情况，以及后燃现象等有关，一般n3=1.261.32。,6. 涡轮进口燃气压力pT对于定压增压系统，涡轮前燃气压力pT可根据涡轮和压气机的功率平衡求出，即：NT=Nk （712）式中，m涡轮增压器机械效率； p0涡轮排气压力。
39、涡轮增压器综合效率Tk=Tkm。,根据式(712)，可确定满足功率平衡条件的pT值。为了保证柴油机扫气，pT应低于ps值(即低于pk值)。为了分析pT和pk值的关系，将式(712)进行变换，令 及 则（713）若取k=1.4,kT=1.33,RT=29.3,R=29.27,则k1=1.15。采用不同的1值，按上式绘制的增压比k和膨胀比T(=pT/p0)的关系曲线，如图718所示。,图718 涡轮增压器膨胀比和增压比的关系,由图可知： 在1值一定(即Tk、TT、T0一定)时，要得到所需的pk值。必须有相应的涡轮前燃气压力pT。如1值较小(即Tk较低或TT较低)，则需要较高的pT值。 若要维持一定
40、的pk，则在1值小于某一数值时，将出现pTpk的情况，这将使柴油机不能进行扫气。显然，定压系统的1值应处于图上通过坐标原点的45对角线的上半部分。在TT受到限制时，要有较高的Tk值，才能维持能量平衡。,7. 脉冲涡轮前气体参数估算 (1) 脉冲涡轮效率(脉冲作用效率)脉冲涡轮效率定义为：T=ETE/ET (714) 式中，ETE一个脉冲波内涡轮轴上输出的能量；ET一个脉冲波所包含的可用能。T一般采用半经验方法加以确定，即T= KT (715)式中，T：定压涡轮效率，一般T=0.700.80; K：涡轮效率修正系数，脉冲涡轮效率总小于定压涡轮效率，K1。K值可由图719查出。,图719 曲线,(
41、2) 脉冲涡轮的平均当量等熵功WTE由涡轮和压气机的功率平衡NT=Nk得:故(717) 式中，Wks：压气机的等熵功；,(3) 涡轮出口燃气温度TT0由涡轮的平均实际膨胀功WTE T可得,所以 (718)式中，TTm：涡轮前燃气平均温度。(4) 涡轮的计算流量mTp和计算等熵功WTp脉冲涡轮所选用的设计参数应比按时间平均值大。通常 选：WTp=KHWTE KH1mTp=KGmTm KG1,系数KH、KG主要与压力波波形、波幅有关，可根据统计曲线求取，如图720所示。在3脉冲的情况下，由于连续排气，故1个脉冲波的平均流量mTm就等于流过涡轮的平均流量mTm。在2脉冲情况下，排气管内流动会出现间断
42、，故1个脉冲波内的平均流量mTm涡轮的平均流量mTm。在单脉冲情况下， mTm将更小。 因此，对流量放大系数KG必须再加以修正，用KG如图720所示。,图720 四冲程柴油机KH、KG与增压压力pk的关系 轴流式涡轮； (b) 径流式涡轮,(5) 涡轮的计算温度TTp 故（719）式中，Ts：计算工况下定压涡轮的等熵效率，且在此工况下Ts应有最高值。,(6) 涡轮的计算压力pTp 故(7-20)确定了脉冲涡轮的设计参数pTp、TTp、WTp、mTp后，就可按定压涡轮的设计方法，确定涡轮的通流面积等。上述方法确定的设计参数只是作为设计脉冲涡轮之用，不能用来计算脉冲涡轮发出的功率。脉冲涡轮的功率为
43、：NT=mTmWTET=mTmWTmKEKT,三、涡轮增压器的流通特性(一)离心式压气机的流量特性线（1）离心式压气机的流量特性线(如图721所示)kf1(mk,nk)，kf2(mk,nk)上述特性曲线一般用试验求出，计算机模拟还达不到要求。,图721 压气机的通用特性线,由图可以看出如下特点： 当nk一定时，随着mkk达到某一值时k，k达到某一值时，k ； 当nk一定时，mk减至某一值时出现喘振；,压气机的通用特性线,喘振的原因：当nk一定时，mk显著小于设计流量时，叶片扩压器和叶轮进口处气流分离现象随mk下降而上升，当流量小到某一最小值时，气流分离现象会扩展至整个叶片扩压器和叶轮通道内，使
44、气流产生剧烈的振荡和倒流，从而出现喘振现象。 当nk变化时，nkmk，k； 在某个nk下，mk随着k而增加，当k将至某一值后，mk达到最大值，气流马赫数为1，此时继续降低k，mk也不会增加，压气机出现堵塞。,（2）离心压气机的通用特性因环境条件发生变化，压气机特性线会发生变化，为使压气机特性线适用不同地点和环境，可根据气体流动相似原理，用相似的参数来绘制压气机特性线。这样的压气机特性线称通用特性线。 压气机的相似参数是马赫数 和 式中，Ca：压气机的轴向流速；u1：叶轮进口外径处圆周速度。,凡与Mca和Mu成比例的参数也是相似参数，图721就是用折合参数绘制的通用特性曲线。折合流量为：折合转速
45、为：当试验时的大气条件p0=0.1013MPa、T0=288K时，折合参数就和实际参数相同，即：mcv=mk, ncv=nk。,（二）涡轮流量特性也是用相似参数绘制。式中式中，T*T滞止温度；上两式中的下标d表示设计参数。如图722所示的为单级轴流涡轮流量特性线。,图722 单级轴流涡轮特性线,由图知：,图723 径流涡轮的流量特性,图723所示的是用相似参数表示的径流式涡轮流量特性，即： 式中，下标d表示设计参数；u1工作轮进口处圆周速度。,由图可见：,四、涡轮增压器效率对柴油机性能的影响涡轮增压器效率Tk对增压柴油机的Ne、ge、Tr、热负荷和机械负荷等都有显著影响。 （1）压气机效率k对
46、柴油机进气温度、进气流量、燃烧等的影响,（2）涡轮增压器效率Tk对扫气质量的影响,图724 扫气压差p/pk和pk/p0及Tk关系曲线,由图可知：,（3）Tk对ge的影响在（2）中已经指出，当k一定时，Tkge。当k变化时，k愈高，Tk对ge的影响愈大，因当 kk，但Tk也k比k的要慢。即高的k时mL低的k时mL。总之，Tkge，且在低k时更为明显。,（4）Tk对pe的影响排气阀座温度=700K,压缩比=10.5； a单级涡轮增压时能达到的pe值； b两级涡轮增压并带中冷到318K 时能达到的pe值,图725 中速四冲程增压柴油机的pe、pz、ps和Tk之间的关系,由图725可知：当给定了TT
47、，则pz和Tk决定了pe当pz一定，Tkpe 。 （ 5）Tk对实现二冲程柴油机的纯涡轮增压有特殊意义（这取决于Tk与E（能量传递效率）Tk废气能量利用WT、Wk使二程机实现纯涡轮增压。,五、涡轮增压器与内燃机的配合特性 1.内燃机与涡轮、压气机的匹配 内燃机与涡轮增压器的匹配包含三个方面，即内燃机与压气机的匹配、内燃机与涡轮的匹配，以及压气机与涡轮的匹配。（1） 内燃机与压气机的匹配 压气机不但要达到预定的增压比，而且要具有足够高的效率k。不同用途的内燃机对压气机特性的要求是不同的，对于发电用的固定式内燃机和按螺旋桨特性工作的船用内燃机，一般的压气机特性均能满足要求，而车用内燃机的转速范围宽广，要求相相应的压气机应具有宽广的流量范围和较宽的高效区。,但压气机在高压比下要得到宽广的流量范围和高的效率是相当困难的。内燃机与压气机匹配时，要有压气机流量特性和内燃机的流通特性，将两种特性线相叠合就可看出其匹配情况，良好的匹配应是内燃机特性线穿过压气机的高效区，且最好使内燃机运行线与压气机等效线相平行，应防止内燃机耗气特性线处于压气机的低效区或过于接近喘振线，甚至穿过喘振线，这会使内燃机与增压器联合工作时出现工作不稳定的状态。一般要求内燃机低转速时的耗气特性线离开喘振线的距离(即喘振裕度)约为10%的喘振流量。,
