第十章 内燃机增压技术

增压比

出口压力与进口压力之比

增压度
第1节 三、百度文库压方式
机械增压

内燃机增压的基础知识
所谓机械增压，是 指压气机由内燃机 曲轴通过传动装置 直接驱动的增压方 式。 不增加发动机背压， 但消耗其有效功率。 增压压力不超过 0.17MPa

第1节
三、增压方式

内燃机增压的基础知识
排气涡轮增压

EV ：能量传递中的主要损失，占总损失2/3。设计中，增 大排气流通面积（4气门）开启速度快，使排气门后压力 很快升高。排气管容积不应过大，排气管应细而短。在结 构受限时，“细而长”比“短而粗”好。
第3节 排气能量的利用
3.1 排气可用能量及其利用方式

排气涡轮增压系统的基本形式

脉冲增压系统：利用排气脉冲能（E1），排气管容积 小，排气管中压力有波动。实际柴油机中，采用脉冲 增压系统时，E1最多利用40%－50%。在低增压时， 对脉冲增压系统有利 ，高增压时得益不多。 定压增压系统：不利用排气脉冲能（E1），排气管容 积较大，脉冲能转变为热能，提高涡轮前排温，回收 了Eq面积（E1），从损失的E1中回收了一部分。 通常，定压系统用于高增压而大部分时间在高负荷运 转的柴油机，如发电机组以及气缸数为7缸、14缸等 柴油机上。脉冲系统用于车用、船用等变速、变负荷 运行较多的场合。


第3节 排气能量的利用
3.2 影响脉冲能量利用的因素
为充分利用排气脉冲能量，要求：

排气门打开后，排气歧管内的压力应尽快建立起来，以减少 流动损失。 排气自排气门逸出应迅速，阻力尽可能地小。 柴油机扫气过程中，排气管中的压力要尽可能低，利于扫气 进行。 开启较早，缸内压力高，排气管压力建立快，涡轮作功能力 大。过早，燃气缸内膨胀作功减小。找出最佳开启定时。



保证良好扫气
充分利用脉冲能量 涡轮前排气压力接近恒定，涡轮 效率提高。
第3节 排气能量的利用
3.4

脉冲转换器和MSEM系统
脉冲转换系统优点：兼顾脉冲增压与定压增压系统的优点

对于能量传递效率来说，接近脉冲系统 对涡轮效率来说，接近定压系统 燃烧室扫气量大，低工况性能改善 涡轮流通面积小，涡轮有可能全进气，定熵效率 提高。4，8，16缸，脉冲转换系统比脉冲增压系 统好。
片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，多 在小型涡轮增压器中应用。
图13 压气机叶轮的结构形式 a）开式 b）半开式 c）闭式 d）星形
根据叶片沿径向的弯曲形式分：
前弯叶片叶轮：叶片沿径向向旋转方向弯
曲。对空气的做功能力最大。但主要增加 了空气的动能，对压力能却提高较少，压 气机效率低。
径向叶片叶轮：叶片径向分布，不弯曲。
所谓排气涡轮增压， 是指利用排气能量使 排气在涡轮中进一步 膨胀作功，用于驱动 压气机的增压方式。 排气涡轮增压的特点： 不消耗发动机有效功， 增压器可以自由布置 在所需的位置，涡轮 有一定的消声作用， 并进一步减少排气中 的有害成分。

第2节 废气涡轮增压器
第2节 废气涡轮增压器
第2节 废气涡轮增压器

低工况时，保证有一定空气量，以满足燃烧及降低 热负荷要求。
在整个运转范围内，不发生增压器的喘振与阻塞。

第4节 柴油机与增压器的匹配
4.1 增压特性匹配及联合运行线的调节
联合运行线的调节

涡轮喷嘴环出口面积fc的调整

流式大得多。
第3节 排气能量的利用
3.1 排气可用能量及其利用方式
排气的最大可用能
第3节 排气能量的利用
3.1 排气可用能量及其利用方式

排气的最大可用能

压气机耗功：1-2-a-3-1， 其中，留在缸内空气压缩耗功：8-2-a-6-8 扫气空气压缩耗功：1-8-6-3-1 柴油机指示功：a-c-z-b-a，6-7-4-a-6
后弯叶片叶轮：叶片逆旋转方向弯曲。做
功能力小，空气压力的提高大部分是在叶
轮中完成。压气机效率高，应用较广泛。
前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮)：叶片
图14 压气机叶轮叶片的形式 a）前弯叶片叶轮 b）径向叶片叶轮 c）后弯叶片叶轮 d）后掠式叶轮
沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾。在
车用柴油机涡轮增压器上得到应用。
dq dh d (c / 2) dw
2
7、压气机特性（流量特性）
压气机的特性曲线：主要性能参数在各种不
同工况下的相互关系曲线
流量特性：在不同转速下，增压比和定熵效
率随流量的变化关系
喘振（线）：当流量减小到某一数值时，压
气机出现不稳定流动状态。压气机中气流发 生强烈的低频脉动，引起叶片的振动，并产 生很大的噪声。
一、离心式压气 机

组成 ：进 气 道、 叶 轮、 无叶扩压器、 叶片扩压器、 集气 管（ 蜗 壳）

工作原理：
离心式压气机结构 l-进气道 2-压气机叶轮 3-压气机蜗壳 4-扩压器
dq dh d (c 2 / 2) dw
１、进气道
将外界空气导向压气机叶 轮，保证工作轮进气均匀和轴 对称。

排气管长度


涡轮流通面积

涡轮流通面积减小，排气管压力升高，排气能量增加，但 活塞排空耗功增加。
第3节 排气能量的利用
3.3 脉冲增压排气管方案设计 排气管分歧

四冲程柴油机排气管最 多联接三个气缸。（一 般增压柴油机排气门开 启持续角为240320CA） 定压系统：排气管容积 为2倍排量。排气流速不 超过50m/s。 脉冲系统：每排气歧管 容积为
阻塞：当流量增大到某一数值时，增压比和
效率均急速下降。即使以增压比和效率下降 很多作为代价，流量也难以增加。这个现象 称为压气机的阻塞。
第2节 废气涡轮增压器
二、涡轮

组成：进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳 按燃气在涡轮中流动方向分类：轴流式、径流式 按燃气在涡轮中焓降分配分类：冲击式、反力式 （气流速度低，流动损失小，涡轮效率较高）

排气管设计


VP=(1.3-1.5)VS
第3节 排气能量的利用
3.4 脉冲转换器和MSEM系统

三脉冲增压系统，在较高增压时， 仍为有利。（三缸共用一排气管） 双脉冲增压系统，排气管数多， 结构复杂。脉冲间隔角360度， 中间出现一段曲轴转角涡轮入口 压力较低，使涡轮效率下降。 脉冲转换器（喷管与混合管）

一根排气总管，管径较定压系统小，管系尺寸小，质量轻， 适用于各缸数柴油机。
涡轮前压力波动小，近于定压系统，涡轮效率高 排气总管直径较定压系统小，部分脉冲能量以速度形式进入 总管和涡轮，能量传递效率高。 60%负荷以下低工况性能接近脉冲增压系统，优于定压系统 高工况性能优于脉冲而近于定压系统。

第1节
内燃机增压的基础知识
二、增压术语

增压压力

压气机出口压力称为增压压力，用Pb表示。它与压气机结 构、尺寸、转速及效率等因素有关。通常Pb ≤0.17MPa的 增压称为低增压、0.17MPa＜ Pb≤ 0.25MP的增压称为中 增压，0.25MPa＜ Pb≤ 0.35MPa的增压称为高增压，Pb ＞ 0.35MPa的增压称为超高增压。

MPC：Modular Pulse Converter
第4节 柴油机与增压器的匹配
4.1 增压特性匹配及联合运行线的调节
联合运行线
第4节 柴油机与增压器的匹配
4.1 增压特性匹配及联合运行线的调节
涡轮增压器与柴油机配合运行的基本要求

标定工况下，须达到预期增压压力和空气流量，有 足够的过量空气系数，使燃烧完善；涡轮前排温、 增压压力不过高；增压器转速不过高；增压器总效 率要高等。
3、扩压器
将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。

无叶扩压器 叶片扩压器
图15 叶片扩压器形式 a）平板形叶片 b）圆弧形叶片 c机翼形叶片
4、压气机蜗壳
收集从扩压器出来的空气， 将其引导到发动机的进气管， 具有一定的扩压作用。

变截面蜗壳 等截面蜗壳
图16 离心式压气机蜗壳 a）变截面蜗壳 b）等截面蜗壳
第4章 内燃机增压
第1节 第2节 第3节 第4节
内燃机增压的基础知识 废气涡轮增压器 排气能量的利用 增压器与内燃机的匹配
第1节 内燃机增压的基础知识
it 1 PL K1c m s n a
一、提高内燃机动力性能和经济性能的途径
1、采用增压技术，增加进气密度（s ） 提高功率，改善经济性，降低比质量，降低排放等 最有效措施 2、合理组织燃烧过程，提高ηit 3、改善换气过程，提高充量系数c 4、提高发动机转速n 5、提高内燃机机械效率ηm 6、采用二冲程(τ=2)
图17 压气机通道中气体状态的变化
6、压气机主要性能参数
增压比b：压气机出口与进口压力之比 空气流量qmb （kg/s）
折合流量qmbnp(非标准大气状态下的流量
折合成标准大气状态下的流量)
压气机转速nb （r/min）
折合转速nbnp
压气机定熵效率 adb：表明压气机设计与制造的完善程度， 指将气体压缩到一定增压比时．压气机的定熵耗功和实际耗 功之比。



排气门打开等熵膨胀至大气压力所能作功：Eb=E1+ET
涡轮中排气总能量：E2=Es+Ec+ET+Eq 排气的最大可用能：E=Eb+Ec+Es=E1+ET+Ec+Es
第3节 排气能量的利用
3.1 排气可用能量及其利用方式 能量传递中的损失

E=排气的最大可用能-涡轮中排气总能量 =E1－Eq=EV+EC+ ED+ EM+ EF+ Eh

涡轮中的热功转换：
dq dh d (c / 2) dw
2
第2节 废气涡轮增压器
二、涡轮

径流式向心涡轮结构
第2节 废气涡轮增压器
二、涡轮

燃气最大可用能量：在—定 的膨胀比下，气体对涡轮作 功的最大可用能量就是涡轮 入口的滞止焓与定熵过程叶 轮出口的静焓。

实际涡轮作功：
第2节 废气涡轮增压器
时的流量称阻塞流量。发生流量阻塞的原因是
喷嘴环或涡轮叶轮中某处气流速度已达到了当 地声速。涡轮实际上作时，由于喷嘴出口处流
速最高。往往是该处先于叶轮发生流量阻塞。
第2节 废气涡轮增压器
第2节 废气涡轮增压器
涡轮特性曲线

流量特性曲线

径流式涡轮，由 于离心力的作用， 转速对膨胀比与 流量的影响较轴
第3节 排气能量的利用
3.4

脉冲转换器和MSEM系统
多脉冲转换系统

5、7、14缸中，出现一缸或二缸一管，排气能量传递较低

各岐管接入一个较大的带有缩口的混合管中。
第3节 排气能量的利用
3.4

脉冲转换器和MSEM系统
MSEM系统（Modular Single Exhaust Manifold）模件式 单排气总管增压系统
轴向进气道 径向进气道
图12 压气机中径向进气道
２、叶轮
根据叶轮轮盘的结构形式分：
开式叶轮：没有轮盘，流动损失大，叶
轮效率低
闭式叶轮：既有轮盘又有轮盖，流道封
闭，流动损失小，叶轮效率高；但结构 复杂，制造困难，强度差。
半开式叶轮：只有轮盘，没有轮盖。在
涡轮增压器中应用广泛。
星形叶轮：在半开式叶轮的轮盘边缘叶
5、压气机中空气状态的变化
进气道：空气从环境状态进入，由于 进气道是渐缩形的通道，空气的压
力略有降低，速度略有升高。
叶轮：叶轮对空气作了功，使空气的 压力、温度和速度都升高。 扩压器：空气的速度降低，压力升高， 温度亦随压力而升高。 蜗壳：仍有部分动能转化为压力能， 使空气的速度进一步降低，压力和 温度升高

排气门开启定时


排气门流通面积

流通面积增大，排空速率高，歧管中很快建立较高压力， 利于脉冲能量利用。
第3节 排气能量的利用
3.2 影响脉冲能量利用的因素

排气门开启规律

在气门机构允许的加速度范围内，开启速度越快越好。

排气管流通面积fP

长度一定， fP减小，容积小，排气管中压力建立快，脉冲 能量利用好。但fP过小，流动速度过大，流动损失增加。 长度主要影响压力波的反射时间、反射波和下一个波的互 相干扰程度，影响脉冲能量利用。
涡轮主要性能参数

定熵效率

膨胀比：

流量：无泄漏和放气时，通过涡轮的燃气流量等 于压气机流量与发动机燃烧的燃料流量之和。
涡轮转速

第2节 废气涡轮增压器
涡轮特性曲线
流量特性曲线

轴流式涡轮，当转速一定时，相似流量随膨胀 比的增大而增加，直至达到流量最大值。若再 继续增大膨胀比，涡轮流量也不会再增加．这