第四章柴油机增压及中冷技术

斜流涡轮增压器
增压中冷技术
❖ 增压空气温度增加，在柴油机中引起增压条件下进气密度减小， 即在保持不变过量空气系数下，意味着功率下降，不然需要进 一步提高增压压力，但柴油机机械负荷又要增加。虽然气缸内工 质温度提高有利于柴油机的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的热 负荷增加，排温过高，NOx增加。汽油机中增压温度升高，除与 柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。
改善了燃烧过程。
❖ 增加了发动机的比功率；
❖ 扩大了内燃机高原适应性：
❖ 有利于降低有害气体的排放。
内燃机增压的类型
❖ 按照实现增压所提供的能量可分：
机械增压； 废气涡轮增压； 气波增压。
康明斯增压发动机局部解剖图
机械增压
❖ 机械增压增压压力高，压气机消 耗的功率大。为使内燃机机械效 率不要过分下降，增压压力不能 过高。
❖ 增压的方式：恒压、变压（脉冲）
恒压涡轮增压内燃机热力循环
❖ 等压涡轮增压内燃机热力循 环由12 3’ 3 4 1和燃气轮机循环7 1 5 6 7组成。
❖ 涡轮增压内燃机热力循环热 效率：
i
1
0k1[(
k1 1) k(
1)]
＝ V6 为初膨胀比； ＝ V7 为后膨胀气机的需求。
变截面涡轮增压器工作原理
日产公司射流 涡轮增压器
❖ 通过一个活阀改变喷嘴的面积，进而改变不同转速的增压压力匹配。 ❖ 仅用一个活阀就可改变涡轮进气截面，非常紧凑，效率偏低。
可变喷嘴环增压器特性
❖ 左图中①～④是喷嘴环角度以此 减小的情况。随着内燃机转速下 降，压气机的增压压力不但没有 下降，反而提升到高转速水平， 从而保证增压内燃机的低速性能。
4.2 柴油机增压、中冷
4.2.1 内燃机增压的基本知识 4.2.2 柴油机增压、中冷
4.2.1 内燃机增压的基本知识
❖ 广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密 度的一切方法，都称为增压。
❖ 增压的范围（按增压压力pc大小）
低增压： pc<0.18MPa（内燃机平均有效压力pe＝0.8～1.0MPa）； 1.5中M增P压a）：；pc＝0.18～0.25MPa（内燃机平均有效压力pe＝0.9～ 2.2高M增P压a）：；pc＝0.25～0.35MPa（内燃机平均有效压力pe＝1.4～ 超高增压： pc>0.35MPa（内燃机平均有效压力pe>2.0MPa）。
❖ 分开式空－水中冷：中冷器采用独立的冷却介质。该方案可提高中冷器 的冷却效率，能较低地降低空气地温度。结构要复杂些，布置上会增加 难度。
❖ 共用冷却风扇空－空中冷：中冷器装在内燃机冷却系水散热器前或后， 依靠风扇和车辆行驶时地空气气流冷却增压空气。该方案由于它的 最少 能量消耗而得到广泛应用。
❖ 独立冷却风扇空－空中冷：中冷器带有独立地冷却风扇，它可由直流电 动机或空气涡轮带动。
❖ 可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。
可变叶片增压器
本田可变叶片增压器
三菱多阀VG增压器
❖ 可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来调整增 压压力与发动机转速负荷的匹配关系。
❖ 多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。
废气放气增压器
❖ 车用增压内燃机为获得低速 大扭矩和良好的加速性能， 涡轮增压器一般按内燃机低 速、小流量设计。
废气放气增压器工作原理
❖ 废气门3与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上。废气门的 阀门固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机 出口的增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机 排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。
❖ 一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废 气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压 力回落，以实现空气增压压力的自动调节。
进气回流增压器
❖ 为避免由于负荷突变及环境变 化而使压气机出现喘振而损坏 增压器，在增压器的压气机进 口装上整体式的回流阀。
❖ 当进气管压力低于某一值时， 作用在回流阀上的进气管压力、 弹簧压力和压气机出口的空气 增压压力不平衡，回流阀顶开， 压气机出口的空气通过回流阀 和回流通道进入压气机进口， 以增加通过压气机的空气量。
❖ 轿车用增压器设计转速为内 燃机标定转速的40%左右。
❖ 公共汽车、重型车用的增压 器设计转速为内燃机标定转 速的60%左右。
❖ 高速时，将会使增压压力过 高，增压器超速，柴油机爆 发压力过大，汽油机容易引 起爆震。
❖ 为此，设计增压器常增加废 气放气阀，在高速时将一部 分废气旁通掉，加以控制增 压压力。
❖ 一般，当增压空气的压力超过0.15MPa时，就值得采用中冷。 ❖ 解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。 ❖ 增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低20K，燃
油消耗率可减少3g/kW.h。
增压中冷方案
❖ 闭式空－水中冷：中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系统中的循环水。 该方案结构与布置简单，但不能将增压空气温度冷却较低。
V5
V6
＝ p5 为压力升高比；
p4
1

V1 V2
为压气机的压缩比；

＝
2
V3 V4
为内燃机压缩比；

0＝
1
为增压内燃机总增压比
2
；
变压（脉冲）涡轮增压内燃机热力循环
❖ 与等压涡轮增压热力循环不同， 变压涡轮增压内燃机气体从状态 4进入变压涡轮中排气能量不会 由于排气管突然变粗而膨胀损失， 进入变压涡轮前气体压力在p4与 p4’之间变化。如不计气体流动摩 擦损失，气体在涡轮中的膨胀从 开始排气时的p4→p5到最后p1’ →p5。
❖ 主要用途：提高发动机低速扭矩
机械增压的种类
❖ 机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机上 常用容积式压气机：
罗茨式； 螺杆式； 转子活塞式。
气波增压
❖ 气波增压是通过气波增压器利用 气体质点和压力波的反射特性， 使排气和进气之间进行直接的能 量交换，以增大进气密度。
❖ 气波增压对内燃机工况反映迅速， 使气波增压的加速性好，且低速 时空气的压缩程度高，低速扭矩 好。工作温度低，不需要耐高温 材料。但体积大，噪声大，安装 位置受到一定限值。匹配要求高， 防止窜烟。
❖ 可调喷嘴环用于增压器与内燃机 的高速匹配。通过可调喷嘴环改 善低速性能。
变截面涡轮增压器VGT或VNT
可变涡轮喉口截面增压器
低速
高速
1.压气机；2.可变喉口截面调整板；3.调整板及调整机构；4.操纵机构； 5.操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面
可变涡轮喉口截面增压器工作原理
❖ 内燃机的等容放热过程4→1可看 成为涡轮的等容加热过程1→4， 然后为气体在涡轮内的等熵膨胀 4→5。5→6为等压放热。6→1为 其他在压气机中的等熵压缩。
内燃机增压的优缺点
优点：
缺点：
❖ 改善了发动机性能：
提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率；
❖ 增加了柴油机的机械负荷； ❖ 增加了柴油机的热负荷。 ❖ 增加了发动机的体积
❖ 废气涡轮分：
轴流式； 径流式； 斜流式（混流式）。
❖ 由于内燃机排气能量利用 的不同，有两种经典的、 基本的增压形式：
脉冲涡轮增压；
等压涡轮增压。
双增压器顺序增压
❖ 多缸发动机上使用两台增压器。 ❖ 在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反映性
能。 ❖ 在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。
可变进气道增压器
❖ 低速时使用一个进气 通道；高速时，进气 量大，使用两个通道， 可以改善增压发动机 的过渡性能。
可变进气道增压器性能
可变喷嘴环增压器
❖ 通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮流通截面。 ❖ 各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上，再经传动杆3与喷嘴控制盘4相连。
转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。 ❖ 低速时，喷嘴角度小，流通截面小；高速时喷嘴角度大，流通截面能保
❖ 可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入 涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉 口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击 力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加， 从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负 荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最 大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。
废气涡轮增压
❖ 废气涡轮增压利用内燃机排气中 能量来实现增压，比机械增压经 济性好，比非增压自然吸气式内 燃机燃油好率可低5%～10%。
❖ 质量功率和体积功率比非自然吸 气内燃机明显改善，因而在内燃 机上得到广泛应用。
废气涡轮增压的分类
❖ 废气涡轮增压器主要由压 气机和废气涡轮组成。
❖ 压气机主要是离心式的。
4.2.2柴油机增压、中冷新技术
❖ 双增压器顺序增压； ❖ 可变进气道增压器； ❖ 可变喷嘴环增压器； ❖ 可变涡轮喉口截面增压器； ❖ 可变叶片增压器； ❖ 废气放气增压器；
❖ 进气回流增压器； ❖ 射流涡轮增压器； ❖ 斜流涡轮增压器； ❖ 增压中冷技术。
双增压器顺序增压布置
双增压器顺序增压气体流动与增压效果