增压技术思考题

《内燃机增压技术》作业
1、高增压柴油机需要解决的技术难题以及实现高增压方案的分析和比较
答：1、高增压柴油机需要解决的技术难题：
（1）起动问题：大多数高增压柴油机为了控制P max均相应降低压缩比ε。

环境温度越低，压缩比降得越多，故将降低冷启动的效率。

因此，高增压柴油机需要有专门措施来解决起动问题。

（2）加速性问题：当Pe>1.4MPa后增压柴油机的加速性问题就比较突出，且Pe越高，加速性问题越严重。

（3）燃油系统及低负荷性能问题：燃油系统的问题是两个方面。

一为高增压时要求在高压下迅速喷油，这对燃油系统来说是项艰巨的任务。

二为高的喷油压力和大的喷孔面积对额定工况合适，在柴油机低负荷时就产生问题，因大的喷孔不利于形成良好的雾注。

（4）在高增压柴油机上散热量猛增将成为一个突出的问题：随着压比的增加，缸套、活塞、气缸等零件的散热量多成直线关系增加，特别是中冷器的散热量更是成倍数增加，这是一个严重的问题。

（5）发动机的机械负荷及热负荷：
①机械负荷：发动机增压后，随着Pe增大，最高燃烧压力Pmax也急剧增加，在高增压发动机上，Pmax往往达到14.0~16.0MPa，在如此高压作用下，发动机上许多受力的零部件将承受很高的机械负荷，从而产生很高的机械应力。

②热负荷：在高Pe情况下由于热流量增大，发动机热负荷急剧增大，造成零部件损坏。

2、实现高增压方案的分析和比较：
（1）当Pe<1.8~2.0MPa时，一般采用常规低圧缩比高增压系统即可，只有当Pe>2.0MPa时，才可考虑用Hyperbar、可变压缩比，或停缸冲量转换等系统。

（2）两级增压对车用发动机特别是特种车辆发动机很难采用，这主要是受动力舱体积的限制。

（3）米勒系统一般适用于大型发动机，他特别适用于天然气发动机的增压。

（4）涡轮复合发动机虽然循环效率稍高，但因结构复杂，成本昂贵，故一般只用于军用发动机。

（5）绝热发动机的发展方向是无可置疑的，特别对军用发动机有较大吸引力。

目前普遍采用积累方式即逐渐增多隔热零件。

（6）变参数调节对改善发动机匹配的好处越来越明显，从可变截面增压器、可变喷油定时、可变压缩比进一步推广到可变气门定时甚至电控喷油、可变排量等，总之电子控制的调节系统会越来越多的得到采用、推广。

2、废气能量的分析和利用，提高废气能量利用的途径。

答：1、废气能量的分析和利用：涡轮增压器利用排气系统的废气能量，将其转化成压缩空气的有效功，以增加发动机的充其量，达到增压的目的。

其能量转化过程可用4个特征能量来表示。

①排气最大可用能量Ez：实际为排气等熵膨胀到大气压力所释放出来的能量。

约占排气总量的60%。

②排气管进口处排气压力波P T=f（φ）中包含的能量：可用燃气在理想涡轮中等熵膨胀到大气压力所做的最大功来表示。

③涡轮前排气压力波中包含的能量。

④离心式压气机等熵压缩空气至增压压力Pc所需的理论压缩功。

2、提高废气能量利用的途径：恰当控制排气压力波的形态，可用6个无因次参数表示，具体途径如下：
①减小排气管长度的无因次参数φL。

即应尽可能采用短管。

②增大排气始点的压力比φb。

即在实际发动机中适当增大排气提前角，同时向气缸中喷入更多燃油。

但排气提前角过大会导致机件热负荷增大。

故φb=4~5。

③排气门的开启规律φf。

排气门开启越快，流通面积增加越快，节流损失减小，废气能量利用效率上升。

④提高气缸的排空速率φe。

增大排气门开启面积，即气缸排空速率上升，排气压力波幅增大，废气能量利用效率增大。

可采用多个排气门来加大气门开启面积。

⑤适当减小排气管的截面积比φp。

当排气管长度一定时，减小排气管容积，有利于增强排气压力波。

但φp过小将引起管道内气流速度过高，从而引起严重的流动损失。

⑥在短管情况下，减小涡轮喷嘴环面积φT有利于增强反射波，有利于强化排气压力波。

一般取φT=9~12。

⑦精心设计排气门，排气道，排气道之间的弯头或过度管，使其具有良好的气动性能，减少排气可用能量的损失。

3、论述增压发动机的工作过程特点
答：1、增压发动机的工作过程：将进入发动机气缸的空气或可燃混合气预先进行压缩或压缩后再加以冷却，以提高进入气缸的空气或可燃混合气的密度，从而使充气质量增加，并在供油系统的适当配合下，使更多的燃料很好燃烧，达到提高发动机动力性、提高比功率、改善燃料经济性、降低废气排放的目的。

2、特点：与自然吸气发动机相比，增压发动机有许多优点：（1）增压发动机的油耗比性能指标上对应的更大排量自然吸气发动机的油耗降低，达到相对省油，但它比同排量的自然吸气发动机油耗相对高些。

（2）同时，它提高燃油经济性，降低尾气排放。

（3）增压发动机加速表现更好，小排量涡轮增压发动机利用空气压缩驱动涡轮来增加发动机进气量来增加输出功率，其优势特别体现在动力性方面。

但它也有许多缺点：（1）增压发动机寿命不如自然吸气发动机更长久。

增压器在正常工作状态下能获得充分冷却，不会有问题，但是停车熄火断电后，冷却系统就不能对涡轮增压继续进行冷却，而此时涡轮叶片仍然因惯性高速转动，这时候轴承就会受损。

故要做到“延时熄火”。

（2）增压发动机的加速性能有动力输出反应滞后的缺陷。

由于转子的惯性作用，叶轮对油门的骤时变化反应还是迟缓。

从踩油门希望立即提速，到叶轮高速转动将更多空气压进发动机之间，存在一个时间差，而且这个时间还不短。

4、试述汽油机增压技术的发展及特点
答：由于汽油机增压后爆震的倾向增大，热负荷增高，且增压系统较为复杂。

过去除高强化汽油机的赛车和高原行驶车辆采用增压技术外，一般汽油机很少应用。

20世纪70年代后，世界各地特别在发达国家，城市污染与噪声已成公害，再加上石油危机，这就促使汽油机增压技术得到较快的发展。

1、汽油机增压技术发展需要攻克的技术的难点主要有：
（1）爆燃倾向增大：爆燃是气缸内未燃部分混合气在火焰前锋到来之前自行燃烧，在气缸内形成无方向的爆炸燃烧。

因爆燃发生时，缸内的压力曲线出现高频大幅度波动，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，故又称为敲缸或爆震。

增压使压缩终了混合气的温度和压力趋于升高，致使爆燃的倾向增大。

汽油机由于受爆燃限制，压缩比ε较低，因而造成燃烧膨胀不充分，致使排气温度较高。

（2）热负荷加重：汽油机混合气的浓度范围窄，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大，又因为汽油机不能利用加大扫气来冷却受热零件，因此使得汽油机在增压后的热负荷偏高。

（3）混合气的控制：汽油机采用变量调节，化油器式发动机进行增压时气体流经化油器喉口的压力是变化的，不仅难于精确供应一定浓度的混合气，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。

（4）汽油机与增压器匹配困难：与柴油机相比，汽油机的转速范围宽，从低速到高速混合气质量变化大。

当节气门突然开打时，增压器相应滞后；增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏；并出现低速时增压压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。

2、为了解决上述问题，汽油机涡轮增压发展的主要技术成果：
（1）汽油机增压爆燃的技术措施
①降低压缩比ε：降低压缩比可以降低压缩中了混合气的温度Ta，控制爆燃的发生，正是增压后解决爆燃的常用方法。

其次，也可以在缸体一侧安装保证传感器
来监测发动机的爆震情况，由ECU适时地根据爆燃强度调整点火定时，是发动机点火始终工作在最佳的点火时刻。

②增压中冷：增压后增压器出口温度（即进入气缸的进气温度）T k自然吸气式的相比要高很多。

增压中冷就是在增压器出口与进气管之间加装中间冷却器，对进入气缸的空气进行冷却，可以有效地降低压气机后气体的温度，增加混合气的浓度，这是废气涡轮增压发展的一个方向。

采用增压中冷技术可使汽油机在高速高负荷工况下得到较好的经济性和功率输出，降低热负荷，延长零部件的使用寿命。

发动机中间冷却技术的类型根据所采用的冷却介质的不同分为两种，一种是利用发动机的循环冷却水对中冷器进行冷却，即水－空中冷系统。

另一种是利用外界空气冷却，即空－空中冷系统。

这种系统结构简单，性能可靠，热传导效率高，汽车发动机大都采用空气冷却式中冷器。

空－空中冷系统由中冷器,进出气连接管路组成，其中中冷器是其核心部件。

③其他措施：如采用高辛烷值的汽油，提高发动机的抗爆性；减小点火提前角；采用双火花塞点火及向汽缸喷水等都可以降低汽油机在增压后发生爆燃的倾向。

（2）汽油机增压热负荷高的技术措施
采用排气放气阀控制增压压力的方案可简单有效地限制热负荷，在有些发动机上，排气旁通阀的开闭由安控单元控制的电磁阀操纵。

电控单元根据发动机的工况，由预存的增压压力脉谱图确定目标增压压力，并与增压压力传感器检测到的实际增压压力进行比较，然后根据其差值来改变控制阀的开启时间，进而改变排气旁通阀的开度，控制排气旁通量，借以精确地调节增压压力以限制发动机的热负荷。

其次，电控废气再循环、增压中冷技术对降低热负荷也是有效的。

（3）汽油机与增压器匹配的技术措施
汽油机要与增压器良好匹配需要解决几个问题：
①需要对增压压力进行控制：车用汽油机工作转速范围较宽，发动机进气质量流量的变化范围也较宽，这就要求增压器具有较宽的流量范围，以适应车用汽油机的要求。

车用汽油机增压要求在部分符合和部分转速工况具有良好的转矩特性及动态响应特性，要求汽油机在匹配涡轮增压器时其基本匹配点必须选择在部分
工况，然而这会导致额定工况时增压压力过高。

因此，要使车用汽油机在涡轮增压后能在常用转速范围内保持一定的转矩储备，避免效率压缩而导致重启温度过高，而且又能使其在额定增压压力下不至于过高而引起爆燃，因此需要对增压压力进行控制。

如采用进气减压阀和排气放气阀、变截面涡轮、双涡轮增压器等。

②涡轮增压器响应之后的对策：非增压汽油机的加速性较好，增压后，当节气门位置突然变化时，要求混合气浓度迅速变化，但增压器供气往往跟不上，从而增压汽油机的“反应滞后”现象比增压柴油机更为严重。

一般可采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案；带旁通阀的控制系统，减小进排气管长度及容积、提高压缩比及可变点火正时等措施，来减少“反应滞后”现象。

5、试述涡轮增压对发动机有害排放物和噪声的影响
答：1、增压发动机对有害排放的影响：
（1）涡轮增压对排放的影响：非中冷增压发动机在高速高负荷时充气温度较高，一般使燃料的着火滞后期缩短。

在稀燃火焰熄灭区内积存的燃料较少，可减少HC 和醛类的生成。

此外，涡轮增压发动机为了降低热负荷，一般采用比增压机更大的过量空气系数α，搞得充气温度大的空燃比都将促进氧化反应的进行，因此HC 的排放较低。

但在低速低负荷时，由于增压机压缩比较低，着火滞后期加长，HC 反而可能增加。

由于涡轮增压发动机燃烧温度较高和大的过量空气系数α，促使CO 氧化，CO排放率下降。

非中冷涡轮增压发动机的NOx排放率比非增压机高，采用中冷后，NOx的排放率大致与非增压机相同。

（2）中冷对有害排放的影响：中冷增压发动机可使空气温度下降和空燃比增大，都可使NOx生成率下降，使排烟率减少。

发动机低速低负荷时，中冷器冷却作用过度，使着火滞后期拉长，HC排量增加。

（3）关于推迟喷油定时的效果：推迟喷油提前角θ是降低NOx的有效措施。

2、增压发动机对噪声的影响：涡轮增压发动机由于压力上升平缓，燃烧噪声可望降低，但Pmax增大，机械噪声要增大，涡轮增压器将使高频噪声成分增大。

（1）与非增压发动机相比，涡轮增压发动机在进气噪声频谱特性上的特点是低频噪声较小而高频噪声较大，进气噪声是涡轮增压发动机的主要噪声来源。

（2）排气在涡轮中膨胀，排气中部分能量变成涡轮有效功输出，使涡轮后排气管内的压力波振幅大大减小，因而排气噪声降低。

（3）全负荷时低频干扰力的振幅较大；但涡轮增压机由于提高了充气温度和压力，是着火滞后期缩短，减少预混燃烧阶段的着火燃油量，因此气缸压力升高率下降。

在空负荷时，噪声比非增压机高。

（4）增压发动机在加速时的噪声远比正常运行时的大。

一般来说，相同功率的涡轮增压发动机的总噪声级比非增压机低。

6、增压器主要部件及关键尺寸参数分析（参见：朱大鑫教材）
答：1、增压器主要部件：废气涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成。

中间体又包括转子组件、增压器轴承和中冷器等。

（1）压气机：离心式压气机由进气人口、压气机叶轮、压气机壳、压气机后盖板等组成。

压气机的进口通过软管与空气滤清器相连，径流涡轮增压器多数采用轴向进气型进气道，其进气阻力较小。

进气道一般用铝合金铸造，为减少进气阻力，进气道表面必须经过精密机加工。

由压气机壳和压气机后盖板之间的间隙所构成的环形空间，称为压气机的扩压器。

压气机叶轮由叶片、轮毅、轮盘和轮盖组成。

它旋转时使空气在离心力的作用下受到压缩并甩向工作轮边缘，使空气的动能得到提高，其压力、流速和温度都有所增加。

压气机叶轮用铝合金铸造，用螺母固定在转子轴上。

涡壳的作用是收集从扩压管流出的空气，并将其引向压气机出口。

空气在涡壳中继续减速增压，完成由动能向压力能转变的过程。

（2）涡轮机：涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械能的装置。

径流式涡轮机由涡壳、涡轮和出气道等组成。

废气涡轮的叶片和轮盘用精密方法铸成一体，叶片的形状一般采用抛物线形或一般二次曲线形。

由于涡轮在高温、高速及腐蚀性燃气的冲击下工作，因此要求其材料强度高、耐高温、耐腐蚀，常用耐热合金钢铸造。

一般将涡轮与转子轴焊为一体。

（3）转子组件：废气涡轮、压气机叶轮和转子轴组成转子组件。

支撑在两个浮动轴承上并作高速旋转（在10万r/min以上）。

转子组件需进行精密动平衡试验，其不平衡度不大于0. 0015 Nmm。

（4）增压器轴承：浮动轴承采用滑动轴承形式。

浮动轴承与转子轴颈和中间壳轴承座之间均留有一定间隙。

转动时转子轴和浮动轴承全部浮在润滑油中，彼此之间不产生机械摩擦。

浮动轴承因为润滑油的赫性摩擦力的作用在内外两层油膜中随转子轴同向旋转，但其转速一般只为转子轴的1/4-1/3，由此使得轴承与轴颈的相对圆周速度降低，使摩擦力下降。

增压器转子轴和轴承之间的润滑采用压力润滑，润滑油来自发动机的主油道，通过细滤器滤清后，进人增压器的中间壳，经其下部柴油口流回曲轴箱。

为了防止润滑油窜人涡轮和压气机叶轮，在转子轴两端安装了密封环和密封套。

在涡轮壳和中间体之间装有隔热板，以减轻高温废气对润滑油的不良影响。

另外，对于热负荷大的发动机，为了使增压器的轴和轴承得到良好的冷却，而在增压器中间体的涡轮机侧设置冷却水套，并用软管与发动机的冷却系统连通。

（5）中冷器：增压的空气在进入发动机进气道前，采用中间冷却方式是提高废气涡轮增压柴油机功率的一种有效措施。

在不增加热负荷的情况下，可以提高功率15%-20%，同时也可以降低有害气体NO 的排放。

这种中间冷却措施就是中冷器。

中冷器的构造如同散热器，管壁上带有散热铜片，进气口位于底部，出气口位于上部。

一般当环境温度为20℃时，经增压后，压气机出口的空气温度约为135 ℃，经中冷器后，温度可降至50℃。

2、增压器关键尺寸参数分析：
（1）增压压力Pk 或压比πk ；
（2）空气流量m A （kg/s ）或容积流量Vo （m 3/s ）；
（3）涡轮前废气平均温度t T ；
1-k k -k k
1-k 1-k 1-k k -1-k k 621--11-11(））（（））（TC K M K TC T T T ηλρπεεπηπ=-= （4）大气压力0p 和大气温度0t 。

增压参数中最重要的是通过计算正确确定流量A m 和压比K π。

如果流量A m 选择不当，不但使增压器与发动机匹配不好，更重要的是涡轮流通能力确定不当，
从而导致增压压力K p 远离设计值。

而K π根据A m 计算得出，如果A m 确定不合适，将导致K π有较大的偏差。

正确确定K p 或K π也很重要，如果K p 选的过低，将造成达不到预定的增压发动机功率和出现发动机排气温度T t 过高的后果；如果K p 选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力max p 以及增压器过高的转速。

在不同的地方大气压力0p 和大气温度0t 也是不相同的，这要根据当地的情况来决定，一般情况是取标准值。

7、如何扩大增压器的流量范围
答：实际为扩大压气机的流量范围。

可采取如下措施：
（1）采用无叶扩压器。

其特性平缓，流量范围大于叶片扩压器。

另外 ，适当增大无叶扩压器的径向长度，对扩大流量范围也是有利的。

（2）采用长短叶片叶轮。

可减小叶轮进口处堵塞，增大叶轮进口处候口面积，从而增大流量范围。

（3）在踹振允许条件下，选用较大的叶片进口角。

（4）适当增大叶轮叶片的相对高度。

但过大引起踹振流量的增大。

（5）限制叶轮及叶片扩压器进口处M 1及M 3值使≯0.90。

（6）采用后弯叶轮。

可减小踹振流量，从而增大压气机流量范围。

（7）仔细设计叶轮内扩压度DR （=ω1/ω2，其中ω1、ω2为叶轮进出口相对速度）。

8、画出压气机叶轮进出口速度三角形，并解释相关参数意义。

β1b——叶片进口结构角
β1——叶片进口相对气流角
α1——进口绝对气流角（无导向叶片时为0）W1——气体进口相对速度
C1——进口绝对速度
U1——叶轮圆周速度
Cm1——进口径向分速度
Cθ1——进口圆周分速度
β2b——叶片出口结构角
β2——叶片出口相对气流角
α2——出口绝对气流角
W2——气体进口相对速度
C2——出口绝对速度
U2——叶轮圆周速度
Cθ——叶轮出口理论圆周分速度
Cθ2——实际出口圆周分速度
Cslip——滑移速度
Cm2——出口径向分速度
计算题：
1、求米勒系统的理论循环热效率ηt 。

解：几何压缩比：31V V =
ε，实际压缩比：32V V M =ε,压气机增压比：02p p K =π，涡轮膨胀比：03p p T =
π。

假定缸内工质为空气，定义预混燃烧分数45
3434Q Q Q R p += （1） 以及4534m Q Q H Q u m +==φ （2）
式中φ为空燃比。

4、5状态的温度可由下面的方程组
式中τ为循环周期，而λ、ρ、π定义如下：12
1+=-T C H R k M v u
p εφλ 1-121p u ++=-T c R kH R H p k M p u φερ）
（
循环最高温度为125-=k M T T ερλ
循环最高压力：35p p k M λε=
为了分析有效压缩比对NOx 排放的影响，使用NOx 排放和燃烧温度之间的关系： )11(ln ''f
f T T R E EI EI -= 式中EI 为NOx 比排放，Tf 为最高燃烧温度，E 为活化能。

2、用迭代法计算增压器与发动机在给定转速下的平衡运行点参数。

解：（1）确定已知条件：大气条件P0；T0。

中冷器效率ηc 。

（中冷器的冷却平
均温度Tw 。

中冷器压力损失△p ）涡轮出口环喷嘴面积F ，涡轮出 口平均直径 D ；
发动机参数。

（2）初选增压器，得到压气机特性和涡轮特性。

（3）
在压气机特性曲线上按增压器标定转速任取一点 A ，得到 G np ，p k /p 0,n np , k ，求得 Y 。

（4）求 T k ：T k ＝T 0(Y ＋1)
（5）求中冷后的温度 T k ’和压力 p k ’
w c k T T T c k ')1(ηη+-= p p p p p p p k k k ∆-=∆-=0
0' （6）求冷却后的折合流量
G = k p 0 1*105 293 T G np 0
np k
k k k k k G p p p T T p T G ∙∙∙⨯=0'0'5''k p 101293 （7）在涡轮机侧 R T p A G T
T T T T 2ψ= ])()[(1'''1''02
'0'''k k T k T T p p p p k k ---=ψ
式中，A T 是涡轮的当量流通面积。

（8）根据流量平衡，可以由Gk 计算出G T ，然后根据经验数据选初始T T ,由上式计算出Po ’/P T 。

（9）设排气背压Po ’=Po 。

0p p ÷=T T π
（10）由πT 和 n T （n np ）在涡轮流通特性图上得到T T T
P T G （11）
]1[1
k k 2n c u 1''0''---∙=k k T T T RT D ππ
（12）从涡轮特性曲线上得到ηT
（13）按前面公式求得x 。

（14）检验功率是否平衡。

X T T C C l Y T P PT 0
k 0)11(?∑+==α 若Y 等于右式，则在同一np n 线上另取一点， 重复3~14次，知道对Y 的相对误差%5≤∆Y
G T T T。