第三章 发动机废气涡轮增压

增压前功率
目前，车用发动机的增压度不高，大约在10％～ 60％的范围内，大部分为20％～30％（而船用大型低 速四冲程柴油机的增压度可达到3.0以上）。这是因 为车用发动机增压不仅要求功率增加，而且还要在较 大的转速和负荷范围内满足动力性能、经济性能、排 放与成本等多方面的要求。
限制增压度提高的主要原因是机械负荷
b） 由于废气涡轮增压和机械增压都有着各自的先 天缺陷，于是大众就利用了这两种增压性能优缺点 的互补性开发出了TSI复合增压系统：复合增压发动 机实际有两套增压系统，当发动机低转速工作时， 机械增压器开始工作，既能够获得良好的油门效应， 又能够增大发动机扭矩输出，而且在低转速时对发 动机功率的消耗并不大。而发动机进入中高转速后， 则完全依靠涡轮增压器来进行增压，这样不仅避免 了涡轮迟滞，让涡轮有足够的加速时间，还在很大 程度上增加了低转速时发动机扭矩，避免了高转速 时机械增压器产生噪音。 目前大众已经在旗下的高尔夫和新途安上配备 了该款发动机，排量虽然只有1.4L，但是在双增压 的作用下能释放出200匹的动力。 大功率柴油机上用的较多,输出功率大、燃油消 耗率低、噪声小，但结构过于复杂。
机械增压目前在 欧洲市场用得较多， 如奔驰C200K 。我国 在北京奔驰E200K和 路虎揽胜运动版上， 都装备了机械增压发 动机。
奔驰C200K 机械增压典型 奔驰C200K是奔驰的一款小型Ｃ级车，发动 机为直列四缸1.8升排量，由于配备了机械增加 器，其动力输出堪与奔驰C240的V6 2.6Ｌ发动机 媲美。其240N.m最大扭矩在3000-4000转时就能 达到，而奔驰C240的最大扭矩要到4500转时才 出现。
k 1 k Pk T0 1 P0 Tk T0
sk Pk T0 s 0 P0 Tk
Pk P 0
k 1 ad k
但是： 1）用加大车用发动机结构参数来提高发动机功率，将受 到安装位置和自重的限制； 2）用提高发动机转速，向高速发动机发展虽然是可行的， 但发动机转速的提高受到活塞平均速度的限制，因为充 c m 量系数 和机械效率 都将随着活塞平均速度的 提高而显著下降。此外，燃料经济性、发动机运转可靠 性、机件寿命及噪声等因素也限制了活塞平均速度的提 高。 3）只有提高发动机的平均有效压力是最经济有效的方法， 它可通过减小过量空气系数 、提高充量系数 a c 和增加进入气缸的充量密度 来实现。 s
VOLVO S80 2.5T 废气涡轮增压典型 Volvo 新款S80 2.5Ｔ的发动机具有设计先进、耐力超强、运行灵活、燃油效率高 和反应快速等卓越性能。发动机形式为横置五缸涡轮增压，排气量为2.5升，最大功率 210hp（相当于154kw）/5000rpm，最大扭矩320N.m／1500-4500rpm，从输出数据看，较 为注重高转速输出。涡轮增加所产生的附加动力等于使原来2.5升的发动机提升到相当 于3.0升以上。 新款S80 2.5Ｔ怠速时相当平顺，震动也相当轻微。事实上，这台发动机是 Volvo的最新科技，发动机的进气和排气部位都安装了CVVT连续可变气门正时装置，从 而确保可对节气门的变化做出迅速反应，使发动机的燃烧状态保持最佳，即使在低转速 下运行时也可提供丰沛的驱动力。
假定增压前后发动机的转速n及过量空气系数a 保持 不变，并以下标“0”表示非增压（原机）参数，下 标“K”表示增压后的参数，则有： Pek sk itk ck mk bek it 0 m 0 Pe 0 s 0 it 0 c 0 m 0 b
e0 itk mk
it Pe cm s n a
涡轮增压的缺点：
涡轮增压内燃机气体流路长，加速性能 差，热负荷问题较严重（特别是高增压时）， 对大气温度和排气背压较敏感。另外废气涡 轮增压机的低速转矩性能变差，起动与制动 有一定困难。
为了保证发动机在低速时具有较高的增压压力和较 高的转矩，同时保证发动机在高速时增压压力又不致过 高，防止发动机热负荷过高和涡轮增压器超速，可以通 过旁通放气（进气旁通和排气旁通）和可变截面涡轮 （双蜗壳通道涡轮、可变蜗壳通道流通截面涡轮、变喷 嘴环流通截面涡轮）来实现涡轮增压器的调节，改善发 动机和涡轮增压器的匹配，从而改善车用增压发动机的 转矩特性。
的问题。增压度增大，导致最高压力增大，
零件机械负荷增大，寿命降低，所以一般增
压度不宜过高。
k 与增压前气体 2、增压比 k :是指增压后气体压力 P 压力 P 。 0 之比，即 k P k /P 0 增压比增大，增压度将增大。 3、增压前后性能参数的变化： 发动机的动力性能指标Pe与经济性能指标be可以表示为：
2） 废气涡轮增压系统
利用发动机排出的具有一定能 量的废气进入涡轮并膨胀作功，废 气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮 机同轴旋转的压气机工作叶轮，在 压气机中将新鲜空气压缩后再送入 气缸。废气涡轮与压气机通常装成 一体，称为废气涡轮增压器。其结 构简单，工作可靠，一般自吸式发 动机，合理加装废气涡轮增压系统 后，可提高功率30％～50％，降低 比油耗5％左右，有利于改善整机 动力性能、经济性能及排放品质， 因而广泛应用于柴油机。
废气涡轮增压代表车型有萨博9-3 2.0T、 VOLVO S80 2.5T 和VOLVO S80 2.9T6。我国目前 采用涡轮增压的轿车还不多，目前，采用涡轮增 压发动机的车型主要为大众旗下的车型，如速腾 1.8T、途安1.8T、帕萨特1.8T、奥迪A41.8T、奥 迪A62.0T，以及萨博、沃尔沃等高档车型。
pe k 6 pe
涡轮增压的优点：
1）在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情 况下，一般可提高功率20％～50％，而且容易实现 高增压； 2）由于压气机消耗的功是涡轮从废气中回收的一部 分能量，再加上相对地减少了机械损失和散热损失， 提高了机械效率和热效率，使内燃机涡轮增压后油 耗率可降低5％～10％，经济性能有明显提高； 3）可降低排气噪声和烟度：废气在涡轮中可以实现 充分膨胀，排气噪声降低；废气中有害成分也可减 少，因而减少了对环境的污染； 4）增压效率高于机械增压。
（2）由于增压后平均指示压力升高，而平均机械损失 压力Pmm基本不变（在转速相同的前提下），则由于
mk Pmik Pmmk Pmi 0 m 0 Pmik Pmi 0 P mm 0
将 Pmmk P mm0 及 Pmm0 Pmi 0 (1 m0 ) 有： mk 1 Pmi 0 1 m 0 1 m 0 m 0 Pmik
增压就是增加进入发动机气缸的充量密
度
s
，从而提高平均有效压力，达到提
高发动机功率，改善燃料经济性能和排放
性能的目的。
二、特性参数及增压前后性能参数的变化
1、增压度 k ：指发动机增压后增长的功率与增压前的 增压后功率 功率之比。
P P ek P e 0 k ek 1 P P e 0 e 0
根据 可以得到：Pe iD2 SnPme / iD2Cm Pme / 而 it
Pme
Pe
pmeVhin 103 30
a
mc s
则提高发动机功率的方法有： 1、改变发动机结构参数 — 增加缸数i，增大缸 径D、活塞冲程S, 减少冲程数； 2、提高发动机转速n及活塞平均运行速度 cm ； 3、提高平均有效压力 pme 。
k >2.5，对应的 Pme>1500kPa。 3）高增压：
此外，超高增压 3500kpa以上。
k >4.5～5.5，对应的 Pme＝2500～
通常，为了不使T 过高，在增压器与发动机之间设置一个中冷器，对 k 增压后的空气进行冷却，增大进气密度，称为中间冷却。 在 k 2 的高增压时，必须有中冷装置。否则， Tk 太高，影响增压效 果，使Pe， 并导致零件热负荷过高。但在 k 2.0的中、低增加时， 没有必要设置中冷装置。
第三章 发动机废气涡轮增压
一、 概述 二、特性参数及增压前后性能参数的变化 三、增压系统的分类 四、汽油机涡轮增压问题 五、发动机增压后的调整
一、 概述
所谓增压，就是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。增压后，每循环进入气缸内的新鲜充量 密度增大，使实际充气量增加，从而达到提 高发动机功率和改善经济性能的目的。
萨博9-3 2.0T
废气涡轮增压典型
萨博是世界上较早使用废气涡轮增压发动机的厂商之一，经过２５年的发展， 其废气涡轮增压技术更加炉火纯青。作为一部强调运动风格的豪华轿车，萨博93 2.0Ｔ这款直列四缸废气涡轮增压发动机，在2500转时便可达到265N.m的最大 扭矩。这种低转速下的良好加速性，对于日常行驶非常实用。废气涡轮增压虽然 有低速乏力和运转时突兀的不足，但萨博9-3 2.0Ｔ的加速迟滞感已降低得很小， 开起来与一部发动机自然吸气的汽车区别不大。
1
1
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由此可见：增压前后工质密度的变化与增压 比和压气机绝热效率直接相关，增压比大则工质密 度增幅大；即使在增压比确定之后，降低压缩过程 中空气的温升，可以提高绝热效率，从而使进气密 度增加。这就是为什么增压发动机中特别是高增压 时较多采用进气中冷技术原因。
从实际应用来看，较为常见的是涡轮增 压和机械增压，其中涡轮增压占了绝大部分。 目前生产的增压柴油机中，除有些潜艇用柴 油机采用机械增压系统外，其他几乎都采用 废气涡轮增压系统。
四款增压发动机代表车型动力参数
3）复合增压系统
a） 将废气动力涡轮与废 气涡轮增压器串联起来工 作，称为复合式增压系统。 在某些增压度较高的发动 机上，废气能量除驱动废 气涡轮增压器外，尚有多 余的能量用于驱动低压废 气动力涡轮，该动力涡轮 通过齿轮变速器及液力耦 合器与发动机输出轴连接。 废气涡轮增压器达到增压 的目的，而废气动力涡轮 将废气能量直接变为功率 送给曲轴。该系统可充分 利用废气能量，使动力性 能、经济性能大为改善， 但结构复杂，成本高且技 术难度大。