第十一章增压(中冷)技术

工作轮进口处的叶片顺着工作轮转动方向扭转 一定角度，通常称为导向器，其作用是使空气进入 工作轮时不发生冲击现象。导向器与工作轮制成一 体，导向器也可单独制造与工作轮装在一起。 闭式工作轮与半开式工作轮不同之处是具有前 封闭盖，其特点是可以大大降低空气流经相邻叶片 沟槽时的损失和空气与完体的摩擦损失，这种工作 轮适宜于耗气量大、增压比高的发动机压气机，增 压比愈高、耗气量愈大，封闭式工作轮的优点就愈 突出。但这种工作轮又重又大，制造难度比半开式 工作轮高。
空气沿进气道进入工作轮随工作轮一起旋转，受到 离心力的作用沿着工作轮上叶片所构成的通道流动， 使空气受到压缩，这时压力从p1增加到p2，气流速 度从c1增加到c2，驱动工作轮的机械功转化为空气 在工作轮中获得的动能，和以压力形式表现的势能。 工作轮出口处的功能一般为气流总能量的一半，因 此，在工作轮后装有扩压器，使其转换为压力能。 当气流在扩压器中流动时，由于流通面不断扩大， 气流的速度从c2下降到c3，压力从p2升高到p3。此 时产生的损失是压气机损失中的主要部分。吁片式 扩压器的损失比无叶片式扩压器的损失为小。
3．进、排气系统的变化。 增压后发动机气缸进气 量增加，为减小进气阻力，应适当加大进气流通截 面积；为了改善扫气效果，增加充气量，以降低热 负荷，应增加气阀重叠角；有的增压系统还要求将 排气管分支，以充分利用废气能量并改善扫气效果。 此外，由于气阎机构零件的工作温度升高，变形加 大，须相应加大气阀间隙，以保证配气机构正常工 作。 4．此外，增压发动机的润滑系统、冷却系统以及主 要运动机件的结构强度都应适当的加强。
2．废气涡轮增压系统 压气机K由内燃机废气驱动的涡轮机T带动(右 上)，与发动机之间无任何传动机械联系。压气机与 废气涡轮机组成废气涡轮增压器。在增压压力比较 高时，压气机出口和内燃机进气管间装有中间冷却 器，对空气进行冷却，以降低发动机的机械负荷和 热负荷。由于增压器的运转不需消耗发动机所发出 的有用功，经济性得以提高，因而这种增压系统在 发动机上获得最广泛的应用。
二.螺旋型转子压气机 螺旋型与上述转子式压气机不同，其流通部分 的空气运动是斜线方向，而且旋转的螺杆和壳体间 的空腔有容积变化，进行内部压缩，将空气压缩到 一定的压力。 螺旋型转子压气机，两个平行的转子制成螺旋 形，由两齿轮传动，在外壳中旋转，转子之间间隙 很小。进气口和排气口位于对角线上，空气沿螺旋 槽流动。 转子叶型的横截面如下图所示。
三、增压发动机的结构特点 增压后发动机性能显著变化，机械负荷及热负 荷大为提高，要求发动机结构也要相应地改变： 1．适当地减少压缩比。防止燃烧压力过大，以保 证发动机工作可靠，延长使用期。但过低的压缩比 将造成起动困难。 2．供油系统的变化。增压后由于进气量的增加， 可燃烧更多的燃料，要求供油量增加，同时要求增 大喷油压力，加大喷油器喷孔的直径。此外，增压 后压缩压力和温度的增加，将使燃料着火落后期缩 短，为防止最大燃烧压力过高，应减少供油提前角， 但如供油提前角过小，会使燃烧恶化。
离心式压气机由以下几部分组成。包括进气道、工 作轮(又称叶轮)、扩压器及出气蜗壳。扩压器可以 是有叶片式也可以是无叶片式的。 空气经滤清器进入气道，进气道的断面沿气流 方向逐渐缩小，以便提高气流的稳定性。进气道一 定要能保证在流动损失为最小的情况下，把空气均 匀地导向工作轮。工作轮装装花链轴上，尺寸小的 可安装在光轴上。工作轮可由曲轴通过机械驱动， 也可直接由涡轮机驱动。
当转子转动时，下转子把一定容积的空气挤向压缩 腔．与此同时，由于上转子的齿离开出气口边缘， 压缩空气在压力差的作用下，自压气腔倒流入上转 子和壳体之间的空腔，一直持续到两腔压力相等为 止。从压力平衡的时刻起到相应于位置Ⅲ的时刻止 为压缩过程，位置I和位置Ⅲ在工作过程中所起的 作用是相同的，所以双叶转子压气机气流流通部分 的压力和速度的脉动周期，相当于转子的90°转 角。
二.增压后发动机性能的变化 采用废气涡轮增压后发动机性能在以下各方面 得到改善： 1.功率大大提高 功率提高的程度视增压程度而定，可增加50～ 200％，甚至更高。发动机增压后的功率Peh与不增 压时功率Pe之比值尺称为增压度。 2.发动机机械效率提高 虽然增压后燃烧压力将提高，使各摩擦面上的 摩擦损失增加，但发动机的功率增加的更多，因此 机械效率得到提高。
两空心转子由铝合金铸成，每个转子的两端都装 有钢轴，转子的外旋轮线型经过精加工，以保证 在工作过程中各单独空腔的密封性。斜齿轮同步 转动可保证转子和壳体间的必要间隙，以避免转 子和壳体间以及转子相互间的接触。转子的径向 间隙和在轴向与壳体间的间隙大小应合理选择， 使其能保证空气的泄漏量最小，又可完全避免转 子工作时互相接触。
工作轮可制成半开式或闭式的，半开式工作轮 将径向叶片和轮盘制成一体。半开式工作轮的特点 是强度高，工艺性好，当空气流经叶片间的沟槽时， 流动损失变化平缓。闭式工作轮还具有前封闭盖， 特点是可大大降低流动损失和空气与压力比工作轮前面 的压力高，为了减少由于压差造成的 使轮盘向左 移动的轴向推力，在工作轮轮毂上钻有平衡a如下 图，以使工作轮前后的压力得到平衡。
一个转子的叶片位于节圆之外呈凸出状，而另一个 转子的叶片在节圆之内呈凹入状。在转子的全长上 叶片的扭转角度为240°。
当转子旋转时，其凹处开始与外壳上的进气口 相通充满空气，随后凹处与进气口断开，各转子间 的接触线则逐渐地沿轴线方向向外移动。同时，由 凹处所构成的容积也逐渐缩小，使其中的空气受到 压缩，当凹处与排气口相通时，受压缩的空气就进 入增压腔。 螺旋转子压气机可连续而均匀地向增压腔供气， 能达到较高的压力。当增压压力Pk≥0.17MPa时， 采用这种压气机较为合适。这种增压器的缺点是尺 寸较大，因为横截面的大部分为转子本身所占满， 此外，型线复杂制造困难。
11.2 离心式压气机的工作原理
容积式压气机是按照空气披压缩时容积缩小、压力 升高的原理而工作的压气机。它把从进气腔来的一 定量的空气或可燃混合气进行压缩，并转送到压缩 腔。进气腔和压气腔被转于隔开互不相通。在内燃 机上应用较广的为转子－齿轮式的罗茨压气机。
一.罗茨式压气机 它的工作原理是：两转子支承在壳体中，另外一个 转子由曲轴带动，转子轴上的齿轮传动转子上的齿 轮，因此它为主动转子．两个转子支承在完体两端 的轴承上同步转动，并保证转子与转子、转于与壳 体间互不相碰，但间隙很小。转子外廓把进气口和 出气口隔开。
压气机性能的主要参数是：单位时间内压气机提供 给内燃机的空气量，称为流量，并有两种表示方法。 容积流量为单位时间内所提供的空气客积V(m3/h或 m3/min)，重量流量为单位时间内所提供的空气重 量mk(kg/s)。 另一个参数是增压比或压力升高比，为压气机出口 空气压力pk与进口空气压力p0之比，表示为 πk=pk/p0。
用于内燃机增压将空气或可燃混合气压缩到一定压 力的装置，称为压气机或增压器。空气被压后达到 的压力称为增压压力，一般以Pk表示。按增压压力 大小可将增压程度分为：低增压Pk＜0.14MPa，中 增压Pk＝0.14～0.2MPa，高增压Pk＞0.2MPa。压 气机一般是容积式或叶片式的，压气机由曲轴或废 气涡轮驱动。 压气机、压气机的驱动装置以及用 以冷却空气的冷却器等，构成了内燃机的增压系统。 空气冷却器亦称为中间冷却器或中冷器。按驱动增 压器的能量来源不同，增压系统基本可分为三类：
压气机通过弹性爪式离台器和扭力轴驱动，防止发 动机扭振时损坏压气机，也可防止曲轴转速急剧变 化时产生过载而损坏齿轮。转子式压气机是一种较 早应用于发动机增压的压气机,其优点是结构比较 简单，使用寿命长，平衡性好，增压压力随转于转 速变化的规律比较理想，适应发动机变工况工作的 要求。缺点是重量较大，噪音较高。罗茨式压气机 增压压力一般为Pk＝0.15～0.17MPa以下。
第十一章 增压（中冷）技术
从50年代起，随着涡轮增压器效率的改进，柴油 机采用涡轮增压技术后的功率和效率都得到了很大 提高，从而被广泛地推广应用，增压后，柴油机的 功率能提高1-3倍。废气涡轮增压对提高柴油机性 能作出了重大的贡献，在汽车发动机中有也采用比 较普遍的废气涡轮增压系统。
11.1 内燃机增压的基本概念
一.增压的作用及增压方式 内燃机增压的作用是将新鲜空气(或可燃混合 气)在内燃机工作气缸外面事先进行压缩，提高进气 压力以提高进入气缸内的空气(或可燃混合气)的密 度，供更多的燃料进行燃烧，从而提高发动机的功 率。 大量实践表明，增压是提高发动机功率、改善 经济性排污性的有效方法，因此得到了广泛的应用。
11.3 离心式压气机的工作原理
离心式压气机属于叶片机械，其工作原理是以 高速气流与工作叶轮和固定叶片的相互动力作用 为基础，与容积式压气机相比离心式压气机的优 点是：消耗同样的功率时， 比容积式压气机的效 率高，并能得到较高的增压压力，一般能达到 0.147～0.196MPa以上；结构简单紧凑，重量轻， 金属消耗量少。目前离心式压气机在内燃机增压 方面获得广泛的应用。离心式压气机的缺点是随 着转速的降低，增压压力便急剧下降。
１.机械增压系统 压气机由内燃机曲轴直接驱动(左上)，通常只 用在Pk不超过0.16～0.17MPa的场合，否则压气 机消耗的功率很大，使发动机的效率下降，导致 发动机经济性降低。这种增压系统主要用在小型 内燃机上，压气机可以来用容积式的如罗茨式压 气机，也可以采用离心式的。对于四冲程发动机， 采用驱动式离心式压气机，在二冲程机上应用最 广的是罗茨型容积式压气机，亦称为扫气泵。
将普通自然吸气的柴油机经过简单的改装为涡 轮增压，即可提高功率30～50％。目前单机功率从 35kW到35000kW的现代柴油机上，大都采用废气 涡轮增压。 由于限制排放的要求，汽油机废气涡轮增压得 到进一步的重视，因为增压有助于CH、CO的完全 燃烧，有助于抑制N0X的形成。
3．复合式增压系统 本系统包括由发动机机械驱动的增压器和与发 动机气体联接的废气涡轮增压器，并有两种基本型 式。(左下)为第一级压气机由曲轴驱动，用以保证 发动机在启动招低转速低负荷时仍有必要的扫气压 力。第二级由废气涡轮机驱动。(右下)的涡轮增压 器与曲轴连接，在发动机高转速高负荷下，废气涡 轮功率过剩时，这种结构能把过剩功本输送给曲轴， 而在低负荷低转速下即涡轮功率不足时，能从的轴 上取得功率。如果达到了涡轮和压气机的功率相等， 能量就不存在再分配的问题。