第六章 废气涡轮增压..
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两种基本形式 恒压系统和脉冲系统
恒压系统与脉冲系统的比较和选择 1）脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量， 所以系统的可用能量比恒压系统大。
2）脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处。
脉冲系统的PT正处于波谷，因此即使在低增压和高 增压的部分负荷工况，仍能保持有足够的扫气压力 差PK-PT，保证气缸内良好的扫气。而在恒压系统 中由于PT波动小，扫气压力差就大为减小，不容易 保证气缸的扫气。
3．配气机构 采用较大的气门重叠角，即增加进气门的开 启提前角和排气门的关闭迟后角，利用活塞 在上止点附近Pk和PT的压力差进行扫气。
加大进排气门升程：
4．进排气系统 在脉冲系统中，为了使扫气期间各缸的排气不互相
干扰，因此排气管必须分支。分支的原则是一根排
气管所连各缸排气必须不相重叠（或重叠很少）。
增压柴油机的排气管承受的热负荷很高，排气管开 裂是常见的故障。 增压柴油机的进气管容积希望尽可能大一些，以减 少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发 动机性能。空滤也应相应增大，以免压气机进口压
4.涡轮增压器的润滑及冷却 来自发动机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上的机油进口1进 人增压器，润滑和冷却增压器轴和轴承。然后，机油经中间体上的机油出口 2返回发动机油底壳
涡轮增压器的润滑油路及冷却水套
1一机油进口 2一机油出口 3一冷却液进H 4一冷却水套 5一冷却液出口
第三节
废气涡轮增压对发动机功率 和经济性的影响
第六章 车用发动 机的废气涡轮增 压概述
第一节 发动机增压概述
一、增压的基本概念
定义：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。
作用：增加每循环进入气缸的新鲜充量密度，使实
际充量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济
性的目的。
提高发动机单机功率的方法，根据
pe Vh i n Ne 103 [ kw ] 30 1. 改变发动机结构参数 — 缸数i，缸径D，冲程S, 冲程数;
k Pk T0 0 P0 Tk
1 Tk T0 ad k P k 1/ k k 1 1 P 0
k Pk 1 1 0 P0 ad k
P k P 0
（3）压气机转速nk； （4）压气机的绝热效率η η
ad-k；
ad-k：1kg空气的绝热压缩功had-k与实际压缩功hk
之比。
（5）压气机功率。
2．压气机特性曲线
（1）流量特性：表示在
压气机转速不变时，压气
机的增压比πk和绝热效率
η
ad-k随空气流量mk（或V0）
的变化关系。
（2）压气机的喘振与堵塞 在压气机的特性曲线上有一条喘振线，又称 为稳定工作边界。含义：当压气机工作在喘 振线右侧时，其工作是稳定的；而当处于喘 振线左侧时，压气机的功作就变得不稳定甚 至有危险了。因此，把出现喘振的工作点称 为喘振点，对应的流量就是喘振流量。 喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工 作现象。
k 1 / k
1
1
二、对指示效率的影响
表示Pk增加以后，供油系
统保持不变，供油提前角也 不变，保持 θ =30°的情况， 改变供油系统的结构参数 由于增压后要求增加每循环 ，如改变凸轮型线，加大柱塞
的供油量，为此加大供油持 直径，增大供油速率等，使供 保持供油系统不变，加大 续角，使膨胀冲程后燃增加 油持续角保持不变，并且调整 供油提前角，使压力升高比 ，传导给冷却水和废气中的 供油提前角，使压升比为常数 为常数是的试验结果，此时 热量增大，从而使指示效率 ，指示效率反而提高。 指示效率随Pk的增加而下降 下降。 ，但由于后燃减少，指示效 率下降幅度较小。
高平均指示压力Pi而言，Pm/Pi比值却减小了，机械 效率得到了提高。
现代增压柴油机的机械效率在以下范围： 增压四冲程柴油机 非增压四冲程柴油机 增压二冲程柴油机 非增压二冲程柴油机 0.80~0.90 0.75~0.85 0.75~0.85 0.70~0.80
第四节 废气涡轮增压系统的两种基本 形式
若在整个增压过程中,
Tk
下降或保持为某一常数, 则
T0 const， Tk
此时
k pk C p0
pk k 成正比。 与 p0 0
通常, 为了不使 Tk 过高, 在增 压器与发动机之间设置一个中冷器,
对增压后的空气进行冷却, 称为中
间冷却。
（二） 增压度 增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的 功率之比。
三、对充气效率的影响
充气效率随增压压力的增加略有提高，但不明显。 充气效率随Tk的增加而提高，可用下式近视计算：
vk Tk v 0 T0
0.25
四、对机械效率的影响
发动机采用涡轮增压后，平均机械损失压力Pm从绝
对值来看有所增大，但相对于因增压后而大幅度提
k pk 0 p0
n
1 n
压力增长很多而密度增大不多。这主要是因为增压后温度 会升高的缘故, 若增压后温度不变, 则与p成线性关系。
pk 4 时, 才 pk 假定多变指数 n = 2, 则 p0
20
Tk k
则
pk
R
T0 0
p0
R
k T0 pk 0 Tk p0
3.6 10 ge imh
6
i Pe mv k
N ek Pek Pik mk k mk ik vk N e 0 Pe0 Pi 0 m 0 0 m0 i 0 v 0
一、增压提高了空气的密度
增压器的压气机把空气从状态“0”压缩到状态“k”所发生 的密度变化，根据状态方程可写为
N e k N e 0 N e k k 1 N e 0 N e 0
Ne-0、Ne-k——分别为增压前、后的功率。
目前车用：10%-60%范围内，大部分20%-30%
二、增压的分类
1．按增压比分类 πk Pe（kP)
低增压 中增压 高增压
超高增压
1.3~1.6 1.6~2.5 〉2.5
一、离心式压气机的工作原理与特性 1．基本工作原理和主要参数 离心式压气机一般由进气道1、工作轮2、扩 压器3及出气蜗壳所组成。
压气机的主要参数为：
（1）空气的增压比π k=Pk/P0；
（2）流经压气机的空气每秒质量mk（kg/s）或容积
流量V0（m3/s）（相应于压气机的进口状态）；
堵塞：在某一增压器转速下，通过压气机的气体流
量随增压比的降低而增加。当流量增加到一定数值
后，压气机通道中的某个截面达到临界条件。当增
压比继续降低时，气体流量却不再增加，此时的气 体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压气机所对 应的最大流量。
3．通用特性
流量折合成标准大气状态下的参数值。
二、径流式涡轮机的工作原理与特性 1．基本工作原理
3）在脉冲系统中，由于排气管容积小，当柴油机 负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速 传递到涡轮机，引起增压器转速较快的变动，所以 脉冲系统的加速性能好。
４）从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均
绝热效率比恒压系统的略低。
５）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，
其瞬时最大流量比恒压系统的流量（相当于脉冲系
2．涡轮机特性曲线
（1）涡轮效率η T：涡轮将废气能量转换为机械功
的有效程度，即
η T＝ＷＴ／ｈＴ
式中：ＷＴ——涡轮机轴上的有用功（Ｊ／ｋｇ废
气）；
ｈＴ——１ｋｇ废气所具有的能量，可以用焓降表
示（Ｊ／ｋｇ废气）
（２）膨胀比πＴ
代表气体在涡轮中具有做功能力的重要参数， 定义为涡轮进口气滞止压力ＰＴ＊与涡轮出口气体 静压力Ｐ０′之比，即 πＴ＝ＰＴ＊／Ｐ０′ （３）气体质量流量 m T 单位时间内通过涡轮的气体在涡轮的气体质量称为 涡轮的气体流量。
而平均有效压力
hu i pe m v 0 L0
代入上式, 得未增压时发动机功率的分析式
1 hu i N e i D m v Cm 0 4 L0
2
增压后, 空气密度由未增压时的大气密度 变为增压后的密度
0
pk k R Tk
代入上式, 得到增压后的发动机功率分析式
统的平均流量）大，因此，脉冲涡轮的尺寸较大。
其排气管的结构也复杂，受每根排气管联接气缸数
目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废 气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂， 柴油机的轮廓尺寸加大。
综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压
较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮 增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部 分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩 特性、加速性能要求比较高，即使是在高增 压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。
第五节 废气涡轮增压柴油机的特点和 性能
一、特点 1．主要参数的选取 适当降低压缩比 适当加大过量空 气系数
2．供油系统 增加每循环的供油量： 方法：增大柱塞直径，增加供油速率（喷油 泵凸轮轮廓线较陡），提高喷油压力以及加 大喷油嘴喷孔直径等。 减小供油提前角： 供油系统材料、流通面积：
N e kБайду номын сангаас
pk i 1 2 hu i D m v Cm 4 R L0 Tk
N e k
pk Tk
增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。
增压前 — 增压后 —
0 , p0 , T0 , v0
k , pk , Tk , vk
pk v 0 p0 v k
（４）涡轮转速ｎ
涡轮机所发出的功率为
T hTTm NT m
现代废气涡轮增压器的涡轮机效率η ０．６５～０．８５
Ｔ＝
3.增压压力的调节 在涡轮增压系统中都设有进气旁通阀和排气旁通阀，用以控制增压压力。排气 旁通阀及其控制装置在增压器上的安装位置如图所示。
排气旁通阀及其控制装置的安装位置 1一控制膜盒 2一连动杆 3一排气旁通阀 4一排气管 5一涡轮机叶轮 6一涡 轮机蜗壳 7一增压器轴 8一中间体 9一压气机蜗壳 10一压气机叶轮 11一连 通管
（受安装位置和自重的严格限制）
2 提高转速n及活塞平均运行速度Cm; （充气效率和机械效
率下降、燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命、噪声
限制）
3 提高平均有效压力Pe。（最经济有效的方法）
增压 γk Pe Ne
其中 γk — 充量密度。
特性参数 （一） 增压比 k
〉3.5
700~1000 1000~1500 1500
2．按增压系统的机构分类 1）机械增压系统
2）废气涡轮增压系统
3）复合式发动机
4）组合式涡轮增压系统
5）气波增压系统
第二节 废气涡轮增压器的工作原理
车用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
双涡轮增压系统示意 1-空气滤清器 2一进气旁通阀 3一中冷器 4一谐振室 5一增压压力传感器 6 一进气管 7一喷油器‘8一火花塞 9一涡轮增压器 10一排气 旁通阀 11一排气 旁通阀控制装置 12一排气管
•增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比，即 πk=Pk/P0。 由公式
pe Vh i n Ne 103[ KW ] 30
因为
Vh
4
D2 s
30 Cm n s
sn Cm 30
代入上式
pe Cm Ne i D 4
2
单涡轮增压系统示意图 l一进气旁通阀 2一节气门 3一进气管 4一空气滤清器 5一空气流量计 6一压气机 7一涡轮机 8一催化转换器 9～排气旁通阀 10一排气旁通阀控制装置 11一排气管
汽车用涡轮增压器结构 1一压气机蜗壳 2一无叶式扩压管 3一压气机叶轮 4一密封套 5一增压器轴 6一进气道 7一推力轴承 8一挡油板 9一浮动轴承 1 O一涡轮 机叶轮 11一出气道 1 2一隔热板 1 3一涡轮机蜗壳 14一中间体
恒压系统与脉冲系统的比较和选择 1）脉冲系统由于部分利用了废气的脉冲能量， 所以系统的可用能量比恒压系统大。
2）脉冲增压系统对气缸中扫气有明显好处。
脉冲系统的PT正处于波谷，因此即使在低增压和高 增压的部分负荷工况，仍能保持有足够的扫气压力 差PK-PT，保证气缸内良好的扫气。而在恒压系统 中由于PT波动小，扫气压力差就大为减小，不容易 保证气缸的扫气。
3．配气机构 采用较大的气门重叠角，即增加进气门的开 启提前角和排气门的关闭迟后角，利用活塞 在上止点附近Pk和PT的压力差进行扫气。
加大进排气门升程：
4．进排气系统 在脉冲系统中，为了使扫气期间各缸的排气不互相
干扰，因此排气管必须分支。分支的原则是一根排
气管所连各缸排气必须不相重叠（或重叠很少）。
增压柴油机的排气管承受的热负荷很高，排气管开 裂是常见的故障。 增压柴油机的进气管容积希望尽可能大一些，以减 少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发 动机性能。空滤也应相应增大，以免压气机进口压
4.涡轮增压器的润滑及冷却 来自发动机润滑系统主油道的机油，经增压器中间体上的机油进口1进 人增压器，润滑和冷却增压器轴和轴承。然后，机油经中间体上的机油出口 2返回发动机油底壳
涡轮增压器的润滑油路及冷却水套
1一机油进口 2一机油出口 3一冷却液进H 4一冷却水套 5一冷却液出口
第三节
废气涡轮增压对发动机功率 和经济性的影响
第六章 车用发动 机的废气涡轮增 压概述
第一节 发动机增压概述
一、增压的基本概念
定义：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。
作用：增加每循环进入气缸的新鲜充量密度，使实
际充量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济
性的目的。
提高发动机单机功率的方法，根据
pe Vh i n Ne 103 [ kw ] 30 1. 改变发动机结构参数 — 缸数i，缸径D，冲程S, 冲程数;
k Pk T0 0 P0 Tk
1 Tk T0 ad k P k 1/ k k 1 1 P 0
k Pk 1 1 0 P0 ad k
P k P 0
（3）压气机转速nk； （4）压气机的绝热效率η η
ad-k；
ad-k：1kg空气的绝热压缩功had-k与实际压缩功hk
之比。
（5）压气机功率。
2．压气机特性曲线
（1）流量特性：表示在
压气机转速不变时，压气
机的增压比πk和绝热效率
η
ad-k随空气流量mk（或V0）
的变化关系。
（2）压气机的喘振与堵塞 在压气机的特性曲线上有一条喘振线，又称 为稳定工作边界。含义：当压气机工作在喘 振线右侧时，其工作是稳定的；而当处于喘 振线左侧时，压气机的功作就变得不稳定甚 至有危险了。因此，把出现喘振的工作点称 为喘振点，对应的流量就是喘振流量。 喘振是离心式叶轮机械所特有的一种异常工 作现象。
k 1 / k
1
1
二、对指示效率的影响
表示Pk增加以后，供油系
统保持不变，供油提前角也 不变，保持 θ =30°的情况， 改变供油系统的结构参数 由于增压后要求增加每循环 ，如改变凸轮型线，加大柱塞
的供油量，为此加大供油持 直径，增大供油速率等，使供 保持供油系统不变，加大 续角，使膨胀冲程后燃增加 油持续角保持不变，并且调整 供油提前角，使压力升高比 ，传导给冷却水和废气中的 供油提前角，使压升比为常数 为常数是的试验结果，此时 热量增大，从而使指示效率 ，指示效率反而提高。 指示效率随Pk的增加而下降 下降。 ，但由于后燃减少，指示效 率下降幅度较小。
高平均指示压力Pi而言，Pm/Pi比值却减小了，机械 效率得到了提高。
现代增压柴油机的机械效率在以下范围： 增压四冲程柴油机 非增压四冲程柴油机 增压二冲程柴油机 非增压二冲程柴油机 0.80~0.90 0.75~0.85 0.75~0.85 0.70~0.80
第四节 废气涡轮增压系统的两种基本 形式
若在整个增压过程中,
Tk
下降或保持为某一常数, 则
T0 const， Tk
此时
k pk C p0
pk k 成正比。 与 p0 0
通常, 为了不使 Tk 过高, 在增 压器与发动机之间设置一个中冷器,
对增压后的空气进行冷却, 称为中
间冷却。
（二） 增压度 增压度：指发动机在增压后增长的功率与增压前的 功率之比。
三、对充气效率的影响
充气效率随增压压力的增加略有提高，但不明显。 充气效率随Tk的增加而提高，可用下式近视计算：
vk Tk v 0 T0
0.25
四、对机械效率的影响
发动机采用涡轮增压后，平均机械损失压力Pm从绝
对值来看有所增大，但相对于因增压后而大幅度提
k pk 0 p0
n
1 n
压力增长很多而密度增大不多。这主要是因为增压后温度 会升高的缘故, 若增压后温度不变, 则与p成线性关系。
pk 4 时, 才 pk 假定多变指数 n = 2, 则 p0
20
Tk k
则
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R
T0 0
p0
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3.6 10 ge imh
6
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N ek Pek Pik mk k mk ik vk N e 0 Pe0 Pi 0 m 0 0 m0 i 0 v 0
一、增压提高了空气的密度
增压器的压气机把空气从状态“0”压缩到状态“k”所发生 的密度变化，根据状态方程可写为
N e k N e 0 N e k k 1 N e 0 N e 0
Ne-0、Ne-k——分别为增压前、后的功率。
目前车用：10%-60%范围内，大部分20%-30%
二、增压的分类
1．按增压比分类 πk Pe（kP)
低增压 中增压 高增压
超高增压
1.3~1.6 1.6~2.5 〉2.5
一、离心式压气机的工作原理与特性 1．基本工作原理和主要参数 离心式压气机一般由进气道1、工作轮2、扩 压器3及出气蜗壳所组成。
压气机的主要参数为：
（1）空气的增压比π k=Pk/P0；
（2）流经压气机的空气每秒质量mk（kg/s）或容积
流量V0（m3/s）（相应于压气机的进口状态）；
堵塞：在某一增压器转速下，通过压气机的气体流
量随增压比的降低而增加。当流量增加到一定数值
后，压气机通道中的某个截面达到临界条件。当增
压比继续降低时，气体流量却不再增加，此时的气 体流量称为堵塞流量，它也是该转速下压气机所对 应的最大流量。
3．通用特性
流量折合成标准大气状态下的参数值。
二、径流式涡轮机的工作原理与特性 1．基本工作原理
3）在脉冲系统中，由于排气管容积小，当柴油机 负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速 传递到涡轮机，引起增压器转速较快的变动，所以 脉冲系统的加速性能好。
４）从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均
绝热效率比恒压系统的略低。
５）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，
其瞬时最大流量比恒压系统的流量（相当于脉冲系
2．涡轮机特性曲线
（1）涡轮效率η T：涡轮将废气能量转换为机械功
的有效程度，即
η T＝ＷＴ／ｈＴ
式中：ＷＴ——涡轮机轴上的有用功（Ｊ／ｋｇ废
气）；
ｈＴ——１ｋｇ废气所具有的能量，可以用焓降表
示（Ｊ／ｋｇ废气）
（２）膨胀比πＴ
代表气体在涡轮中具有做功能力的重要参数， 定义为涡轮进口气滞止压力ＰＴ＊与涡轮出口气体 静压力Ｐ０′之比，即 πＴ＝ＰＴ＊／Ｐ０′ （３）气体质量流量 m T 单位时间内通过涡轮的气体在涡轮的气体质量称为 涡轮的气体流量。
而平均有效压力
hu i pe m v 0 L0
代入上式, 得未增压时发动机功率的分析式
1 hu i N e i D m v Cm 0 4 L0
2
增压后, 空气密度由未增压时的大气密度 变为增压后的密度
0
pk k R Tk
代入上式, 得到增压后的发动机功率分析式
统的平均流量）大，因此，脉冲涡轮的尺寸较大。
其排气管的结构也复杂，受每根排气管联接气缸数
目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废 气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂， 柴油机的轮廓尺寸加大。
综上：在低增压时，采用脉冲涡轮增压
较为有利。而在高增压是则宜采用恒压涡轮 增压。但考虑到车用柴油机大部分时间在部 分负荷（增压压力较低）下工作，对其转矩 特性、加速性能要求比较高，即使是在高增 压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。
第五节 废气涡轮增压柴油机的特点和 性能
一、特点 1．主要参数的选取 适当降低压缩比 适当加大过量空 气系数
2．供油系统 增加每循环的供油量： 方法：增大柱塞直径，增加供油速率（喷油 泵凸轮轮廓线较陡），提高喷油压力以及加 大喷油嘴喷孔直径等。 减小供油提前角： 供油系统材料、流通面积：
N e kБайду номын сангаас
pk i 1 2 hu i D m v Cm 4 R L0 Tk
N e k
pk Tk
增压空气在增压器中压缩是按多变过程进行的。
增压前 — 增压后 —
0 , p0 , T0 , v0
k , pk , Tk , vk
pk v 0 p0 v k
（４）涡轮转速ｎ
涡轮机所发出的功率为
T hTTm NT m
现代废气涡轮增压器的涡轮机效率η ０．６５～０．８５
Ｔ＝
3.增压压力的调节 在涡轮增压系统中都设有进气旁通阀和排气旁通阀，用以控制增压压力。排气 旁通阀及其控制装置在增压器上的安装位置如图所示。
排气旁通阀及其控制装置的安装位置 1一控制膜盒 2一连动杆 3一排气旁通阀 4一排气管 5一涡轮机叶轮 6一涡 轮机蜗壳 7一增压器轴 8一中间体 9一压气机蜗壳 10一压气机叶轮 11一连 通管
（受安装位置和自重的严格限制）
2 提高转速n及活塞平均运行速度Cm; （充气效率和机械效
率下降、燃料经济性、发动机运转可靠性、机件寿命、噪声
限制）
3 提高平均有效压力Pe。（最经济有效的方法）
增压 γk Pe Ne
其中 γk — 充量密度。
特性参数 （一） 增压比 k
〉3.5
700~1000 1000~1500 1500
2．按增压系统的机构分类 1）机械增压系统
2）废气涡轮增压系统
3）复合式发动机
4）组合式涡轮增压系统
5）气波增压系统
第二节 废气涡轮增压器的工作原理
车用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
双涡轮增压系统示意 1-空气滤清器 2一进气旁通阀 3一中冷器 4一谐振室 5一增压压力传感器 6 一进气管 7一喷油器‘8一火花塞 9一涡轮增压器 10一排气 旁通阀 11一排气 旁通阀控制装置 12一排气管
•增压比：增压后气体压力与增压前气体压力之比，即 πk=Pk/P0。 由公式
pe Vh i n Ne 103[ KW ] 30
因为
Vh
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D2 s
30 Cm n s
sn Cm 30
代入上式
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2
单涡轮增压系统示意图 l一进气旁通阀 2一节气门 3一进气管 4一空气滤清器 5一空气流量计 6一压气机 7一涡轮机 8一催化转换器 9～排气旁通阀 10一排气旁通阀控制装置 11一排气管
汽车用涡轮增压器结构 1一压气机蜗壳 2一无叶式扩压管 3一压气机叶轮 4一密封套 5一增压器轴 6一进气道 7一推力轴承 8一挡油板 9一浮动轴承 1 O一涡轮 机叶轮 11一出气道 1 2一隔热板 1 3一涡轮机蜗壳 14一中间体