第十三章 废气涡轮增压

第十三章废气涡轮增压
发动机能发出的最大功率受汽缸内能燃烧的燃料的限制，而燃料量又受每循环汽缸内能吸人空气量的限制。

如果空气在进入汽缸前受到压缩使其密度增大，则同样汽缸工作容积就
可以容纳更多的新鲜充量，从而可以供给更多的燃料，得到更大的输出功率。

按照提高进气密度增加功率的设想，早在1905年，瑞士的艾尔弗莱德·布奇(Alfred Biichi)就提出了涡轮增压方案，并进行了早期的柴油机定压增压及脉冲增压系统实验，1925年取得成功并获得专利。

此后瑞士的布朗·保弗利(BrownBoveri)公司在船用发动机上采用了废气涡轮增压，继之航空活塞式发动机也采用了增压技术。

而车用发动机采用涡轮
增压技术较迟，主要原因是车用发动机对涡轮增压器的要求较高，不仅要求效率高，流量范
围宽，能满足车辆发动机变工况的要求。

而且还要求结构简单，体积小，质量轻，造价低廉。

直到20世纪50年代后期，增压技术才广泛应用到车用柴油机上，并逐步推广到汽油机
中。

目前绝大部分的大功率柴油机、半数以上的车用柴油机以及相当比例的高性能汽油机，均已采用增压技术。

一般而言，增压后发动机功率可比原机提高40％一60％，甚至更多，发动机的平均有效压力可达到3MPa。

增压技术特别是增压中冷技术，被视为提高车用发动
机动力性、经济性及降低排放的有效措施。

§13—1 发动机增压的基本概念及增压类型
一、发动机增压的基本概念
1．增压是提高发动机升功率的有效措施
提高发动机功率，特别是升功率，是提高车用发动机性能的重要途径。

发动机有效功率的表达式为：．
户。

’牛巍严(13—1)
式中只——有效功率；
Pm*--平均有效压力；
Vh--汽缸工作容积；
i——汽缸数；
n——转速；
，——冲程数，四冲程t：4，二冲程f’2。

发动机升功率为：
PL‘号lien' (13—2)
由升功率的定义可以看出，升功率越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的
动机的尺寸越小，它是评定发动机动力性能和强化程度的重要指标之一。

提高发动机升功率有三个途径：采用二冲程；提高转速；提高平均有效压力。

采用二冲
虽然能提高发动机的有效功率，但由于经济性差、热负荷高等缺点，在车用发动机中不能
到广泛应用。

而提高转速也会带来运动件惯性增大、燃烧过程恶化等问题。

因此，提高平
有效压力是提高升功率的切实可行措施。

由发动机的能量转换过程，平均有效压力可以表示为：
增压就是利用专用的装置(增压器)在进气过程中采用强制的方法将新鲜充量送人汽，使其进气量大大高于自然吸气的进气量，从而大幅度提高发动机的平均有效压力。

因
，增压不仅是目前发动机提高升功率的最切实可行的办法，而且也是高原低气压地区的发
机防止因空气稀薄而导致功率下降，燃油消耗率上升的最有效措施。

2．增压柴油机的不功图
3．增压度与压比．
发动机增压后，其功率提高的程度称为增压度。

增压度用丸。

来表示：
Az—Pek’耙*Pa)·(13—4)
式中Pek、户mek＼psk--增压后的发动机功率、平均有效压力及进气密度；
户小PmeO、p~o--未增压时发动机功率、平均有效压力及进气密度。

压气机出口压力称为增压压力，用户dc表示，它与压气机的结构、尺寸、转速及效率等
有关。

压气机出口压力Psk与压气机进口压力夕曲之比称为压气机增压比，简称压比，用Kk表
示，即
丌k’·Psk (13—5)
车用压气机的压比最高可达到3．5以上。

增压比直接影响进入发动机汽缸的进气量，压气机出口压力Psk越高，即压比越大，进
入发动机汽缸内气体的进气密度也越大。

增压比的选取取决于应用对象。

总的来说，增压技
术对发动机的性能有三个基本的作用：即提高升功率、改善经济性及降低排放。

汽车发动机
的设计者一般着眼于合理的功率密度、低排放和最佳拱油经济性，所以选取的压气机压比一
般不高，在2．5以下，尤其是车用汽油机一般采用较低的压比。

而赛车和军用车辆的设计者
追求的是最大限度的功率输出，因此这一类发动机采用增压器的压比较高。

二、增压的基本类型
1。

按增压比的不同分类
按发动机增压比不同可分为四种增压类型：·
(1)低增压，吼<1．6，对应的户。

二0．7～1．0MPa；‘
(2)中增压，1．6<gk<2．5，对应的户me二1．0～1．5MPa；
(3)高增压，2．5<xk<3．5，对应的户In。

二1．5MPa以上；
(4)超高增压，丌k>3．5。

车用柴油机多为低增压，部分为中增压；车用汽油机一般采用低增压。

2．按驱动压气机的动力源分类
根据驱动压气机的动力源不同，发动机的增压可以分为机械增压、废气涡轮增压及复合
增压三种类型：
(1)机械增压
机械增压见图13—2a。

发动机的输出轴直接驱动机械增压器(压气机)，实现对进气的
压缩。

其主要优点是发动机与压气机的匹配较好，加速响应性较佳，且对排气无干扰；缺点
是传动复杂，且消耗发动机功率使燃油消耗率上升，主要用于增压度不高的发动机。

(2)废气涡轮增压
压气机与涡轮同轴联接，构成涡轮增压器。

见图13—2b所示。

利用排气过程中所排出
废气的剩余能量来带动压气机，实现增压。

由于利用了废气的能量，不仅使发动机的功率上
升，燃油消耗率下降，改善了经济性，而且有利于降低有害排放和噪声；增压器与发动机只
有管道联接而无刚性传动，使结构大大简化。

(3)复合增压，
复合增压见图13—2c，它利用上述两种增压方式联合工作。

综合了两种增压方式的优
点，高速时利用涡轮增压，启动时利用机械增压，因此低速、低负荷时仍能保证一定的增压
压力，主要应用于大型二冲程柴油机。

由于废气涡轮增压的突出优点，目前车用发动机的增压大多采用这种类型。

§13—2 废气涡轮增压的工作原理
一、废气涡轮增压的工作原理
废气涡轮增压器的工作原理如图13—3所示。

废气涡轮增压器由涡轮和压气机两部分组
成。

涡轮3置于涡轮壳4内，压气机叶轮8置于压气机壳9内，涡轮与＼-
压气机用同一根轴5相连，进气管与压气机的出口相连。

在排气过程中，仍有一定压力的高温废气由排气管1经涡轮壳中的喷嘴环2进入涡轮3，由于喷嘴环是收缩形的，废气在其中继续膨胀，
压力和温度下降，而气流速度迅速上升，废气在喷嘴环中按一定方向高
速喷出，推动涡轮高速旋转，膨胀作功后的废气由轴向的出口排出。

在涡轮高速旋转的同时，也带动压气机以同样的速度转动。

经过
滤清的空气由轴向被吸人压气机壳内，高速旋转的压气机叶轮将吸人
的空气甩向叶轮边缘，使其压力与速度提高，被提高了压力和速度的
空气进入压气机壳中的扩压器7(进口小、出口大)使压力进一步提
高而速度下降。

由于压气机的环形涡壳断面也是由小到大，空气由涡
壳9处流出压气机时，压力继续升高，这些压力较高的空气经由发动机
进气管进入汽缸，由于经过扩压，进入汽缸的空气密度有较大的提高。

由于压气机所消耗的功率完全由废气涡轮提供，不需消耗发动机
本身的功率，从而提高了发动机的机械效率。

在非增压柴油机上经简
单改装采用废气涡轮增压措施后，其功率可提高30％～50％，燃油消
耗率可降低5％左右。

另外，由于工作循环温度较高，使燃烧过程进
行得比较完善，废气中的有害排放物含量下降，减少了排气污染由于发动机与废气涡轮增压器联合工作时能量传递的特点，使增压发动机的加速性及转
巨特性不如非增压发动机。

随着涡轮增压器向小型化和轻量化发展，以及增压器与发动机的
)。

理匹配，目前在增压度不高时(户me<1MPa)，上述问题可以得到较好解决。

二、废气涡轮增压的形式
1．废气涡轮增压的基本形式
涡轮增压器按照其能量的利用方式可分为定压增压与脉冲增压两种基本的工作方式，见
目13——4。

(1)定压增压
这种增压系统的特点是把发动机所有汽缸的废气都汇集到一个排气管中，然后再导人废
[涡轮的整个喷嘴环，由于排气总管截面和长度(即排气管的容积)较大，起到稳压箱的作
I，同时各缸排气相互交替补充，使得排气管中的压力波动很小，进入涡轮前废气的压力基
；上恒定，故称为定压增压。

这种增压方式由于排气总管中有涡流损失，脉冲能量几乎消耗
}尽，不能将废气能量全部利用，而是利用废气在涡轮中的膨胀功，并且由于涡轮前的压力
：化比较缓慢，加速性能比较差，特别是在低增压时，排气能量利用程度差，加速性能不
＼但这种增压系统的排气管结构简单，并能保证涡轮有较高的效率，一般应用于高增压柴
I机。

(2)脉冲增压
为了有效地利用废气的脉冲能量，把发动机的排气管按发州I匝序分成几个单独的分支，使排
相位互不重叠的汽缸组成一组，每组汽缸的爿汽被导人—个细而短的排气总管后进人涡轮。

排气管分支后，各汽缸的排气压力波互相干扰减少，且排气管的容积较小，涡轮前的气
：参数脉动较大，当发动机负荷变化时，排气管中的压力也能迅速反应，使进人涡轮的废气
量随之变化。

这样，涡轮增压器可随发动机负荷的变化而做出相应的反应，有利于改善发
机的加速性能。

另外，采用脉冲增压，排气阻力比定压增压系统小，利于汽缸的扫气，提
了充量系数。

但由于脉冲增压系统的涡轮前排气温度和压力都是周期性脉动的，进人工作
轮叶片的排气流动方向也周期性地改变，使气流的撞击损失增大，有时还存在着涡轮机的
分进气现象，因此涡轮的效率比定压增压系统低。

实践证明当压比不超过1．6—1．8时，废气的脉冲能量可以得到最有效的利用。

因此，
冲增压方式大多用于低增压系统。

而当压比较高(高于2．5)时，采用脉冲增压所得到的能
增益不多，但考虑到对于高增压发动机在部分负荷时，脉冲增压系统仍然具有能量利用率、发动机反应灵敏等车用发动机所希望的优点，因此，部分增压度较高的发动机，为了改
聋其转矩特性及加速性能，仍常采用脉冲增压系统。

对于四冲程发动机，排气门开启至关闭约延续240‘CA，而且在排气末期与进气门有气
：]重叠，以便于进行燃烧室扫气，只有使排气管内保持完整的排气脉冲波，才能更好地利用
麦气能量及改善扫气条件。

因此，在设计脉冲增压对排气管进行分支时，应使发火间隔相差
140‘CA以上的各缸排气管连在一起。

一根排气管所连接的汽缸数目可以是两缸或三缸。

更
多汽缸的排气管连接在一起将会由于排气重叠而使脉冲增压系统接近定压增压系统。

2．脉冲转换增压与多脉冲增压系统
如上所述，在发动机增压度较低时，常规的脉冲增压系统具有突出的优点，尤其是当汽
虹数为3的倍数时，采用常规的脉冲增压方式尤为有利，尽管汽缸数增加后会导致涡轮人口
牧目的增加。

但当汽缸数不再是3的倍数且依然采用脉冲增压方式时，为了防止排气干涉，
不得不增加排气支管的数目，以至于出现两缸或单缸直接排人一根排气管的现象，特别是在
噌压度较高时，缺陷尤其严重。

主要问题如下：
①排气能量利用不好。

因为在每一缸排气时，其他缸已完全结束排气，排气支管内的排
气可能已充分排空，气体流经气门的节流损失很大，尤其在增压度高时更为突出。

②排气管内压力波动大，撞击损失显著增加，涡轮效率下降。

③不利于涡轮的可靠性。

涡轮叶片所承受的周期性冲击增加，导致其振动加剧，涡轮的
可靠性及使用寿命均受到影响。

④为了适应多人口要求，涡轮的进气道较为复杂，体积与尺寸随之增大。

为了解决上述问题，几种新型的增压系统应运而生，这就是脉冲转换增压系统、多脉冲
转换系统及模块式脉冲转换系统。

(1)脉冲转换增压系统
脉冲转换增压系统试图将脉冲增压与定压增压系统的优点结合起来，以满足汽缸数非3
的倍数的发动机之需。

它主要针对4、8、16等汽缸数的发动机设计的，要求把发火间隔为
360‘的两个汽缸连接到同一根排气支管，并与另一根排气支管通过脉冲转换器连接到涡轮的
一个人口，即每一个脉冲转换器通过两个排气支管与四个汽缸相连，如图13—5。

由图13—5可以看出，脉冲转换器分为喷管(收缩段)、混合管、扩压管(渐扩段)及稳压箱
等几个主要部分。

其基本原理是：各缸排气脉冲首先到达喷管，气流加速而压力降低，排气
均压能转换为动能，并在混合管中混合，各股脉冲气流的能量相互交换，达到流速平衡。

然
舌，在扩压管中气流的动能又变为压能，随后流人稳压箱，最后通过一个人口进入涡轮中因此进入涡轮的压力基本稳定，并高于平均排气背压，此压力差即对应可以利用的脉冲能
量。

这样，脉冲转换器在能量传递效率方面优于定压系统，且在涡轮效率方面又优于脉冲系统。

实际应用时，为了避免扩压管中的能量转换(动能变为压能)损失及减小脉冲转换器的
体积，常将其结构简化，称为简化的脉冲转换器(图13—5b)。

(2)多脉冲转换系统
脉冲转换增压系统虽然能够利用脉冲能量，但仍然存在排气脉冲能量损失较大及压力波
反射干扰扫气等问题，尤其在转速变化时，问题比较突出。

多脉冲转换系统是在脉冲转换增压系统基础上实现的，它主要靠应用大的喷嘴环出口截
面积，使压力波几乎不反射，或尽量减弱反射压力波，因而前一缸的扫气顺利进行。

同时，
由于各个排气支管在多脉冲转换器的混合管中混合，然后与涡轮进口相连，可实现全周进
气，涡轮效率得到提高。

·(3)模块式脉冲转换器系统
MPC(ModularPulseConverter)是多脉冲系统的进一步发展，它兼顾了多脉冲系统和定压系统的优点。

实用的MPC系统是一种串接式的排气管系统，如图13—6所示。

每个汽
缸在其排气出口处接一个模块，模块由引射器和圆柱体两部分组成，引射器为收缩状的喷
嘴，以一定角度与圆柱体相交，另一端与相应汽缸的排气道连接。

各个模块的圆柱部分连在
一起，构成排气总管(图13—6b)，一端封闭，另一端通向涡轮进口，向涡轮定压供气。

MPC的工作原理恳：各缸排气流人引射器并在其中加速，使排气总管的气流具有较高
的速度，但压力下降，利于降低压力波动。

并且由于各引射器出口的动能传递给总管内具有
一定速度的气体，使气体的加速度沿排气管不断增加，流人涡轮进口，能量利用率高，且阻
止了压力波的产生。

引射器本体容积较小，可在排气支管和总管间起到动力隔离作用，
抑制
了压力波通过总管干扰各缸排气。

由于所有汽缸连到一根总管上，可采用全周进气的涡轮，
涡轮效率也得到提高。

§13—3 废气涡轮增压器结构
图13—7所示为K27型废气涡轮增压器的结构。

废气涡轮增压器由压气机、涡轮及中
2．增压器的综合效率应能达到该增压器所能达到的最佳值。

在正常情况下，综合效率越高，则空气的质量流量越大、排温越低。

3．涡轮增压器应保证在发动机的各种工况下都能稳定、可靠、高效率地工作。

·
4．对于车用发动机，还要求涡轮增压器具有较好的变工况响应特性，发动机的外特性
有足够的转矩储备、转速储备及瞬态加速响应性能。

二、增压发动机的结构特点
为了适应废气涡轮增压的需要，发动机的结构与工作参数要进行适当的改动。

1．压缩比
为了降低爆发压力，增匝发动机应适当地降低压缩比。

尤其是汽油机，增压更容易产生
爆燃，因此，降低匝缩比是比较普遍的选择。

2．过重至气糸数
为了降低发动机的热负荷和排气温度，改善经济性，一般增压柴油机的过量空气系数比
增匝之煎增大10％一30％。

3．供油系统
由于燃料供给量加大，柴油机需加大每循环供油量。

为保证供油持续期基本不变，常用
方法是增大柱塞直径并加大喷孔直径，以增加供油速率。

又由于压缩终点压力和温度提高，
相应地提高喷油压力，减小喷油提前角。

汽油机增压后，燃油供给装置及点火系统也要相应调整。

4．进、排气系统；
(1)配气相位；
因增压发动机热负荷加大，应合理加大气门重叠角，利用增压空气增强汽缸扫气，降低；
气门、活塞等部件热负荷。

由于扫气增强，排气温度降低，涡轮的工作条件得到改善；同时‘
由于废气扫除彻底及进气温度降低，使充量系数提高。

但当增压压力较高及采用进气中冷技
术时，气门重叠角则与非增压差不多。

(2)进、排气偕
进、排气管的设计与增压器的使用要求一致。

增压发动机的进气管容积希望大一些，以
减少进气压力脉动，提高压气机效率和改善发动机性能。

5．曲柄连杆机构
由于增压柴油机的机械负荷与热负荷增大，承受机械负荷的曲柄、连杆等零件在强度上
相应加强，对热负荷增大的零件，如活塞等，应加强冷却。

三、增压空气中冷
采用中冷技术是进一步提高增压发动机功率，改善性能的有效措施。

将增压后的空气冷
却，一方面可进一步提高进气管内空气的密度，提高发动机功率；另一方面，可降低发动机
压缩始点的温度及整个循环的平均温度，从而降低发动机的排气温度、热负荷及NOx 排敖。

根据实验数据，增压空气每降低10C，发动机的功率大约可提高2．5％，燃油消耗率下降
I．5％，排气温度叮降低30C左右。

另外，采用空气中冷后还能减少冷却水带走的热量，因
而可缩小散热器的尺寸并减少消耗在驱动风扇上的功率。

中冷器的冷却介质可用循环冷却水或空气，对增压后的充量进行间接冷却。

在车用发动
机上，若采用独立的水冷系统，结构过于复杂；若利用发动机冷却水来冷却中冷器，效果又
四、车用汽油机的废气涡轮增压技术
车用汽油机废气涡轮增压的普及性远不如柴油机，其主要技术障碍在于爆燃、混合气控
制、热负荷和增压器的特殊要求等方面。

，
1．爆燃
由于增压后，进气温度和压力升高，及燃烧室受热零件热负荷增高等原因，将促使爆燃
发生。

为此，必须降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等措施。

汽油机的增压比一般
比柴油机低得多，一般不超过2。

2．混合气调节
汽油机采用定质变量调节，化油器式发动机进行增压时，气流流经化油器喉口的压力是
变化的，不仅难于精确供给一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选择、化油器的
密封、加速响应性能等新问题。

电控汽油喷射技术的应用，为增压技术在汽油机中的
应用扫
除了一大障碍。

3．热负荷
汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，排气温度比柴油机高200～300℃。

增压后，汽油机整体温度提高，同时，为避免可燃混合气损失，·气门叠开角不大，燃烧室的
扫气作用不明显，因此，增压汽油机的活塞、排气门以及废气涡轮的热负荷均比增压柴油机
严重。

4．对增压器的特殊要求
汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速范围大。

这就要求增压器
体积小、耐高温性能好、转动惯量小、效率高。

总体而言，汽油机的增压技术在过去的20年中获得了重大突破。

随着电子控制技术的
大规模应用，以及高性能增压器的不断出现，如陶瓷涡轮转子、可变截面涡轮增压器等，汽
油机增压技术将获得较快的发展。