柴油机的换气与增压

1、4 柴油机的换气与增压（10）41二冲程柴油机的换气过程 二冲程柴油机换气过程各阶段的特点 图4-2示出二冲程柴油机换气过程曲线图。根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段。 第一阶段：自由排气阶段（BR) 在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B点），此时气缸内的压力pb比排气管中的压力pr高得多，pr/pb之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。超临界流动持续到pr/pb之比值等于临界值的K点。此后废气以亚临界速度自由排出气缸。当气缸内压力约等于扫气箱空气压力时（即R点），自由排气阶段的结束。如图所示，扫气口刚打开时（D点），气缸压力仍略高于扫气压力。但因

2、压差不大而时间很短，倒流可忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。 第二阶段：强制排气和扫气阶段（RC） 此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。 第三阶段：过后排气阶段（CE) 活塞上行先关闭扫气口（C点）。此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空

3、气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。 二冲程柴油机换气的持续时间约为120150曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400500曲轴转角。如果转速相同， 则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3。因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难。42换气过程评定指标 421残余废气系数的概念和意义 残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量Gr与充入气缸的新鲜空气量G0之比，即 （8-5） 残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度。显然，此数值越

4、小，废气排得越干净，换气过程越完善。 一般在标定工况下，gr的数值如下： 四冲程非增压柴油机 gr =0.030.06 四冲程增压柴油机 gr =0.000.03 二冲程气口气阀直流扫气柴油机 gr =0.060.08 二冲程回流扫气柴油机 gr =0.050.15 二冲程简单横流扫气柴油机 gr =0.250.40 从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。 422充量系数（充气系数）的概念和意义，影响充量系数主要因素在进气过程结束时，由于存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力。同时由于壁面对吸入空气的加热

5、，进气与残留在气缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，气缸里进气温度比进气管处空气温度高。因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积。 充气系数hv是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量G0与在进气状态下充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即 （8-6）式中：g0进气状态下的空气密度； V0进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积。 所谓“进气状态”，对不同类型的柴油机来说是不同的。四冲程非增压柴油机，一般取大气状态p0、T0，二冲程柴油机一般取扫气箱内状态ps、Ts，增压柴油机取进气管状态pk、Tk。 换气过程结束时，气缸内除了有新

6、鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气。气缸内混合气体的重量为： （8-7） 根据气体状态方程，气缸中的实际空气量G0和在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量Gs可写成： （8-8） （8-9） 将公式（8-8）、（8-9）中的G0、Gs代入公式（8-6）中，并引进关系式，则得到柴油机充气系数公式： 更正 （8-10） 这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。但应当注意，对二冲程柴油机，如以有效气缸工作容积定义充气系数，即，则（8-10）中的压缩比应该用有效压缩比ee来代替，即 （8-11)式中：hve以有效气缸容积为准的充气系数； ee有效压缩比。 （8-12）式中：ys失效冲程系数【y

7、s=V损失/Vs（名义），所以V有效=Vs(1-ys)】。 可见，hv的影响因素有pa、Ta、r。不是影响因素，是定义带来的。按定义，hv有可能大于1。 一般充气系数的范围如下： 四冲程柴油机 hv = 0.750.90 二冲程直流扫气 hv = 0.800.90 二冲程回流扫气 hv = 0.750.80 在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下： 四冲程非增压柴油机 pa=（0.850.95）p0（p0为大气压力） 四冲程增压式柴油机 pa=（0.921.0）pk二冲程低速柴油机 pa=（0.961.0）ps 各影响因素对v的影响如图4-3所示。直线1表示一假想的没有流动阻力、没有

8、进气加热的理想换气过程。曲线4表示实际的换气过程。曲线3可看成没有吸入空气加热的换气过程。曲线2表示仅有进气流动阻力的换气过程。根据此图可了解影响充气效率的有关因素： 1)进气流动阻力的影响【pa】：由于进气流道存在流动阻力，产生压降pa，所以进气结束时缸内压力pa=p0-pa。 从流体力学得知： 式中：n柴油机转速； f进气阀通道截面积； K比例系数。 可见，要提高v，必须减小pa，要求尽可能增大进气通道截面积f。因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多（2甚至3）个进气阀结构。而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高v更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径大于排气阀直径，

9、以达到提高v的目的。 图4-3中曲线2与曲线1之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的v下降。随着转速的升高，pa增大，v下降。图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造成的v下降占有主要的份额。它是影响v的主要因素。因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁，以减少流动阻力。 2)进气过程结束时气缸内气体温度的影响【Ta】：在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导致v的下降。当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高，v有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少。

10、图4-3曲线3与曲线4之间的差距就是纯粹由于壁面传给进气热量导致的v下降。进气过程结束时气缸内气体温度有所升高对v的影响较小，是影响v的次要因素。 3)剩馀废气系数r的影响：当换气终了时气缸内的剩馀废气系数r（即换气结束时气缸里残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使v下降。如排气背压增加，将使r增加，从而使v 下降。但由于四冲程柴油机的r【正常工作时】很小且变化范围也很小，故实际影响很小。 4)柴油机气阀正时的影响： (1)排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推

11、出废气消耗的功增大。残余废气量增加，充气效率v下降。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。图4-4表示不同的排气提前角的影响。a-最合适，b-过早开启，c-过晚开启。 (2)排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。 (3)进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，提高v外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高v。 (4)进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度，

12、不致因开度不足而使pa增大。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。图4-3中曲线3与曲线2之间的差距，可认为是所选定的气阀正时，主要是进气阀关闭正时的影响。其中在某一转速附近时，这个损失最小。高于这个转速时，进气阀关闭过早，未能充分利用进气惯性；低于这个转速时，进气阀关闭过迟，则造成进气倒流。不同转速下，存在不同的最佳正时。因此要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。但常规的气阀启闭控制机构做不到这一点。因此，变速使用的船舶主柴油机，说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能取得最佳的v。二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩馀

13、废气系数r等因素对v的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对v有很大的影响。为了达到在耗费新气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口。保证扫气气流在气缸中的流向，减少流动阻力。 423扫气效率、扫气系数和给气比（扫气过量空气系数）的概念和意义 扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标。 扫气效率hs的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比【衡量扫气质量】，即 更正（8-13） 扫气系数js的定义是，在一个循环中通

14、过扫气口的全部扫气量Gk与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量G0之比，即 （8-14） 扫气过量空气系数jk的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量Gk与在进气状态下（ps、Ts)充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即 （8-15） 二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量的。扫气效率hs是衡量扫气干净程度的指标。hs愈大，标志着扫气扫得愈干净。hs的极限值是1。然而单纯用换气干净程度的指标hs来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗。扫气系数js是用来说明扫气空气消耗的相对量【与是否

15、扫干净有关】，而扫气过量空气系数jk则说明扫气空气消耗的绝对量【与是否扫干净无关】。一般扫气系数js =1.22.0，扫气过量空气系数jk=1.01.3。显然，扫气效率hs愈高，扫气系数js和扫气过量空气系数jk愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。 43柴油机废气能量分析柴油机提高功率的主要途径 由公式，可看出提高柴油机功率有以下几种途径。 1.增加柴油机的排量 由于柴油机排量，可看出要加大排量来提高柴油机功率具体可有下述三种方法。 1）加大气缸直径D。加大气缸直径D可提高柴油机功率，但柴油机重量、体积增加，成本提高。 2）加大冲程S。前些年，为了提高经济性，降低柴油机转速的同时，加长其冲程是

16、主机重要发展方向，但用加长冲程来提高功率毕竟有一定限制，否则高宽尺寸、重量增加过多，成本过高。 3）增加气缸数目i。增加气缸数目i当然可提高柴油机功率，但柴油机结构复杂了，制造、维修、管理、保养工作量加大，维护费用大。而且柴油机长度尺寸加大，只得加长机舱，缩短货舱。所以气缸数目不宜过多，少缸数机更受欢迎。少缸数机更受欢迎还因为，当船舶所需功率一定时，选用少缸数机，其单缸功率较大，转速较低，可节约燃油。 2.增加单位时间的工作冲程数 1）采用二冲程（每转工作冲程数m大一倍）。低速柴油机均用二冲程。中、 高速机采用二冲程的优点就不那么肯定。二冲程机热负荷较高，柴油机转速高了换气较困难，新鲜空气消耗

17、率较高。因此，中、高速二冲柴油机实现高增压来提高pe较困难，燃油消耗率ge偏高，而且已积累的成熟经验较少。所以在中、高速机范围，二冲程柴油机受到了较多限制。 2）提高柴油机转速n。在冲程一定时提高转速也就是提高了活塞平均速度Cm，它是决定柴油机耐久性的主要因素，Cm提高了对耐久性不利。对与螺旋桨直联的低速机，n降低才能选配大直径螺旋桨，提高螺旋桨的推进效率。所以提高转速n来提高柴油机功率受到限制。有的船（如集装箱船），要求高航速（大功率），而螺旋桨直径却有一定限制。其低速机就应适当提高n，而相应地减小冲程S。 3.提高柴油机的平均有效压力 我们已知： 而 式中：gb每一工作循环喷入气缸的燃油量

18、。因此 (6-1) 燃烧gb千克燃油实际所耗空气量G就等于每循环实际进入气缸的空气量。 因此，它既可表示为： 又可表示为： 式中：进入气缸的空气密度 由上两式可得： 代入公式(6-1)得： 因此： (6-2) 从上式可看出提高平均有效压力pe（即提高功率）可有下述几种途径： 1）减小过量空气系数。减小，每循环喷油量增加，可加大柴油机功率。但会造成燃烧变差，指示效率i下降，柴油机热负荷升高。所以减小是受限制的。2）提高充气效率v、机械效率m和指示效率i。这些途径提高柴油机功率很有限。 3）增加进入气缸的空气密度a增压。这是提高柴油机功率的最主要途径。pe随a的增加成比例地增加，降低了单位功率的重

19、量尺寸。当然机械负荷与热负荷也与pe成比例地增加。采用废气涡轮增压，由于利用了废气能量，柴油机的经济性还可同时得到提高。 431废气能量的来源 1.废气能量的组成 为说明废气能量的组成，我们画出 四冲程 等压 涡轮增压的理论示功图（图4-15）。其中： 3-a：进气过程，进气压力为pk。 a-c-z-z-b：压缩、燃烧、膨胀过程。 b-5-4：排气过程，排气管中的压力为pT。 b点：排气阀打开时气缸中燃气的状态。 b-f-1-b：废气等熵膨胀到大气压p0时作出机械功的最大能力，即排气阀打开时气缸中废气具有的 可用能（火用）。 o-a-3-2-o：压气机压缩进入柴油机气缸的空气所需能量。（3-a

20、长度为气缸工作容积。） i-g-3-2-i：压气机压缩扫气空气所需能量。（g-3长度表示扫气空气体积。） o-a-g-i-o：压气机消耗的总能量。 e-f-i-g-e：涡轮前废气的可用能。它由以下四部分组成： (1)e-f-1-5-e：废气到达涡轮前仍保留的可用能。 (2)5-4-2-1-5：活塞以pT将Vs体积的废气从气缸中推出所给予的可用能。 (3)i-g-4-2-i：扫气空气带来的可用能。 (4)e-f-f-e-e：由于损失废气可用能b-e-5-b而获得的热量使废气温度升高，这样涡轮前的废气温度比等熵膨胀后的e点的温度高（以e点来表示），由此废气得到 复热回收的可用能。当然，它远小于损失

21、掉的可用能b-e-5-b。 b-f-i-g-5-b：废气总的可用能。它包括排气阀打开时气缸中废气具有的可用能，活塞推出废气而给予的可用能以及扫气空气带来的可用能。废气总的可用能也可看成由以下两部分能E1和E2组成：E1（b-e-5-b）废气由压力pb降到涡轮前压力pT的可用能。或称脉冲能。E2（e-f-i-g-e）废气由压力pT降到p0的可用能。或称定压能。 能量E1在废气总可用能E1E2中所占的比例（）随pT的不同而不同。pT低，其所占比例大；pT高，其所占比例小。 432不同形式的废气能量在涡轮增压器中的利用情况在定压增压和脉冲增压中讲。44定压增压和脉冲增压及其他增压形式 441定压增压

22、柴油机的工作特点 1)等压增压 (1)结构特点 柴油机所有气缸的排气管都连接于一根粗大的排气总管，排气总管再与废气涡轮连接，如图4-16所示。这样，排气总管实际上还起了 稳压箱 的作用，尽管各气缸轮流排气，但进入涡轮时气体压力的波动不大。 (2)废气可用能的损失。 在等压涡轮增压系统中，排气管中维持着恒定的压力pT。排气阀刚打开时，废气在超临界压差作用下，以临界速度迅速排出。当气缸内压力下降到与排气管压力差低于临界值时，排气流动变为亚临界流动。在这排气过程中废气的可用能损失 主要是 节流损失，它包括 流出气阀的高速气流进入排气管后由于管子较粗，流速大大降低，因此大量动能通过气体分子互相撞击、摩

23、擦和形成涡流而损失，以及废气流入排气总管时产生 不可逆膨胀的损失。超临界阶段的节流作用强烈，超临界阶段的节流损失是废气可用能损失的最主要部分。亚临界阶段的节流损失数值不大。除节流损失外，还有废气在管道中流动的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，它们在数量上更是小部分了。 因此，在等压涡轮中可利用的能量为废气由压力pT膨胀到压力p0的可用能e-f-i-g-e 。实际上由于废气锅炉、烟囱有流动阻力，废气在涡轮中只能膨胀到p0(p0p0)，即可用能还要少些。 (3)脉冲能量E1的利用。 等压增压中脉冲能量E1复热回收的比例DE1/E1很低。它随pT增加而增加。在高增压柴油机中，由于pT高，E1回收的比

24、例也较高一些。 442脉冲增压柴油机的工作特点 2)脉冲增压 采用脉冲增压的目的就是要尽可能多地利用脉冲能E1。 (1)结构特点。 将涡轮增压器尽量靠近气缸，并把柴油机各缸的排气支管做得短而细，总之使排气管容积尽可能小些。四冲程柴油机缸径较小，排气量较小。因此常是二、三缸为一组，共用一根排气支管，再让几根排气支管分别通往废气涡轮的几个进口。如图4-17所示。废气进入涡轮壳内相互隔开的几个腔，再分别流向喷咀环对应的部分。每根排气支管只与部分喷咀环接通【“部分进气”】。【低速机曾经也采用过脉冲增压。】这种系统工作时，排气管中形成脉冲压力波，进入涡轮的废气压力和速度都是变化的，所以称为脉冲涡轮增压。

25、 (2)脉冲能E1损失减少。 由于排气管短而细，排气阀一开启管内就迅速建立起压力。如图4-18所示。使排气的超临界阶段大大缩短，气缸内外压差很快变小进入亚临界阶段，节流损失减小了。这部分可用能就表现为 脉动的压力和速度，它包含了脉冲势能和脉冲动能。在设计良好的情况下，脉冲增压可利用E1的4050。 (3)脉冲涡轮增压柴油机气缸的分组。 如果脉冲涡轮增压柴油机也象等压增压那样，各缸的废气排入一根共同的排气管，由于排气管很细，就会产生扫、排气互相干扰。如某缸正在进行扫气而另有一缸开始排气，排气压力波传到扫气缸的排气口处，使该缸背压升高，妨碍扫气，甚至可能使排气倒灌。因此，气缸必须进行分组。分组的原

26、则是：同一组气缸的扫、排气时间相互不重叠或重叠很少。（排气管中的压力波不是排气阀（口）一开始打开就达到高峰，而且压力波是以音速传递的，传到正在扫气的气缸得花一点时间，而且对扫气的气缸而言，扫气后期，排气阀（口）已经关得很小，即使有些干扰也已很小了。因此允许有点重叠。） 在四冲程柴油机中，曲轴转过720各缸完成一个循环，而每一缸排、扫气持续时间约为240曲柄转角，根据上述分组原则，分在同一组各缸排气间隔应大于或等于240曲柄转角，所以同一组允许最多气缸数i720/240=3。在二冲程柴油机中，曲轴转过360各缸完成一个循环，而每一缸排、 扫气持续时间约为120曲柄转角，同理，同一组允许最多气缸数

27、i=360/120=3。对四冲程或二冲程柴油机，同一组气缸数少于3 固然不会产生排、扫气互相干扰，但废气不能连续供给，使废气传递过程可用能损失加大，也使涡轮间歇进气、部分进气引起的损失加大，使涡轮效率T下降。所以不管是四冲程还是二冲程柴油机，同一组中的气缸数以3为最佳。因而缸数为3的倍数(3、6、9、12缸)的柴油机采用脉冲增压效果很好。 例如某四冲程六缸柴油机发火顺序为1-5-3-6-2-4，各缸发火间隔为720 /6=120曲柄转角。按上述原则分组就得到，1、2、3缸为一组，4、5、6缸为另一组，见图4-17。 443定压增压和脉冲增压柴油机的比较 (1)排气可用能的传递效率E E定义为E

28、 =ET/(E1+E2) 。其中ET为涡轮前废气拥有的可用能。E 的大小代表了从柴油机排气阀（口）到涡轮喷咀环之前这一段排气系统工作的良好程度。脉冲增压由于节流损失减少了，它相对于等压增压可多利用一些脉冲能，E 较高。但随着增压度的提高，pT提高，E1在E1+E2中所占比例变小，这一优势就逐渐减小了。而等压增压的脉冲能E1复热回收比DE1/E1却因增压度的提高有所提高。因此，脉冲增压排气可用能传递效率E在 低增压 时明显高于等压增压，但随着增压度的提高，等压增压的E与脉冲增压的E差别不断减小。在高增压时，二者的差别就消失了。 (2)涡轮增压器的综合效率Tk 在脉冲增压柴油机中，涡轮前的废气压力

29、波动较大，气流进入涡轮叶轮叶片 相对速度 的方向、大小在一个排气脉冲内不断变化，而且 有的 涡轮喷咀环是部分进气。因此，脉冲涡轮的效率T较等压涡轮的低。由于涡轮增压器的综合效率Tk=T.k.m，而脉冲增压与等压增压的压气机效率k、增压器机械效率m差别不大，所以，脉冲涡轮增压器的综合效率Tk也就比等压增压的Tk低。 (3)涡轮增压系统的有效性指标K K定义为：K=E.Tk。K代表了整个增压系统效果好坏的程度【总的效率】。当柴油机增压度不高时，脉冲增压的E远高于等压增压，尽管其Tk较低，但K还是明显高于等压增压。但当柴油机增压度较高时，哪种增压方式更有效就不那么明显了。当柴油机发展到高增压时，脉冲

30、增压的E高于等压增压不多，由于其Tk较低，就使得等压增压系统的K较脉冲增压大。【低速机因此均改为等压增压。】 (4)部分负荷时的K值 当柴油机在部分负荷工况运转时，由于pT较低，E1在E1+E2中所占的比例变大，脉冲增压的E高于等压增压较多，使其K值较高。也就是说，在部分负荷工况运转时，脉冲增压方式比等压增压方式有效。这是一些增压度相当高的中速机仍采用脉冲增压的原因。 (5)扫气性能 当柴油机在满负荷工况下运转时，两种增压方式均能很好地扫气，但在低负荷时，情况就不一样了。脉冲增压系统由于排气管内形成脉冲波，前期压力较高，使排气管中燃气排空很快，后期排气管内的压力会出现波谷（如图4-18所示），

31、使扫气背压较低。因此即使在低负荷时，扫气质量仍然很好。 而等压增压系统由于部分负荷时pT有所降低，E1/(E1+E2)的比值较大，节流损失加大，E比脉冲增压下降快。这使涡轮获得能量减少、扫气压力ps下降均比脉冲增压快。而其pT 在排气过程中波动很小，不会出现压力波谷。所以扫气压差ps-pT迅速变小，使扫气质量迅速恶化，甚至出现废气倒流的现象。因此在部分负荷工况下，等压增压方式的扫气质量比脉冲增压方式的差。 (6)加载性能 脉冲增压柴油机的排气管容积小，其中压力建立较快，涡轮前废气压力可随柴油机的加载而迅速上升。等压增压由于排气管容积大。当柴油机加载时，虽然从气缸中排出的废气温度压力已经开始升高

32、，但在容积较大的排气管中废气的压力温度升高得较慢，涡轮增压器转速跟不上柴油机的加载，不能迅速及时地增大供气量，以满足柴油机因加载喷油量增大而增大的空气需要量，出现了较大的滞后现象。因此其加载性能较脉冲增压差。这就是发电机组的柴油机发展到高增压仍采用脉冲增压的原因。 (7)其它 脉冲涡轮由于间歇进气、部分进气，其叶轮叶片容易发生较强的振动，在叶片根部产生较大的附加应力。等压涡轮叶片振动则小得多。为了有效地利用废气的脉冲动能，脉冲增压对排气系统的布置、构造和加工等都有较严格的要求。如要求排气管尽量短而细、光滑且弯头少。因此脉冲增压对气口、管道的清洁程度 较敏感。脉冲增压的涡轮离排气阀（口）很近，燃

33、气中的燃烧产物较容易 污损 涡轮。所以其维护管理工作量较大。 444脉冲转换增压、多脉冲增压和模件式脉冲转换增压的特点 可见，缸数为6、9、12、18的柴油机采用脉冲增压方式，每三缸连一根排气支管，各缸扫排气可互相不干扰，保证良好的扫气；而排气能量的传递效率E高；又能对涡轮连续供气，涡轮效率较高，接近等压增压的涡轮效率。所以，气缸数为3的倍数时，采用脉冲增压性能很好。即使柴油机的增压度达到高增压时，其部分负荷性能好的优点仍很突出。 但缸数为4、8、16和5、7、10缸的柴油机情况就不同了，就会出现二缸接一根排气支管或一缸接一根排气支管的情况。例如四冲程4、8、16缸柴油机，为了避免扫气时受干扰

34、，连在同一排气支管的排气间隔应大于每缸的排气时间（约240曲柄转角），即只能把排气间隔为360的两缸连一根排气支管，供给一个涡轮进口，这样必将有停止供气的间歇期，因此排气管在柴油机的每一循环中将发生充满、抽空的过程，使排气的超临界阶段较长，气流流经排气阀的节流损失增加；涡轮间歇进气、部分进气引起的损失也较大，涡轮效率较低；由于涡轮叶片承受周期性冲击增大，还会引起涡轮叶片的振动，容易造成疲劳断裂。这些问题在高增压时更加显著。 为了解决上述矛盾，脉冲增压技术发展中出现了其它几种增压方式，如下面介绍的脉冲转换增压，多脉冲增压以及模件式脉冲转换增压等。 1)脉冲转换增压 图4-19中，A和B为细的排气

35、支管，每根排气支管连接两个排气期不相重叠的气缸。A、B分别通过收缩管与混合管相连接构成了 引射喷咀，然后再与涡轮的 一个进口 连接。当连接排气支管A的某缸排气阀开启时，排气支管内压力迅速升高，形成一个压力波， 减少了 排气阀处的节流损失。排气压力波很快到达收缩管。气体流经收缩管时加速进入混合管，部分压力能转换为动能。此时接于B 管的某缸正处于排气末期和扫气时期，在收缩管处的气流已经减弱，所以排气支管A来的高速气流加速了B管来的气流，使B管的收缩管口压力下降产生一个膨胀波，使B管压力下降。即A 管对B管产生引射（抽吸）作用。这有助于B管扫气缸的扫气，改善了扫气效果；减少了排气末期活塞的推出功。两

36、股气流在混合管混合后，便较 稳定 连续 地进入涡轮，减少了涡轮由于间歇进气引起的损失。 脉冲转换增压用于缸数为四的倍数的柴油机效果最佳。它适用于高、中速机。 2)多脉冲增压 多脉冲增压的原理和脉冲转换增压相似。图4-20为一台7缸柴油机多脉冲增压的排气管布置方案。它将排气不重叠的气缸连接到一根细的排气支管上，每一根排气支管通入一个收缩管，各收缩管合成一束，形成一个花瓣形多孔渐缩锥形管与带喉口的混合管相连接，各收缩管相互起引射作用，最后进入涡轮增压器，实现 全周进气，提高了涡轮效率。它适用于高、中速机，气缸数不受限制。 3)模件式单排气总管增压（MSEM） 模件式单排气总管增压包括模件式脉冲转换

37、（MPC）增压、单管排气系统（SPES）等，它们工作原理类似，近年来发展迅速。其外表有些象等压增压，只是排气总管为组合式而且细得多（见图4-21），性能比多脉冲增压方式更好。下面以MPC增压方式为例加以说明。 MPC增压方式每个缸的排气出口均装有一个模件式脉冲转换器（如图4-21所示），其工作原理如下。排气出了排气阀，很快充满短小的排气支管，减少了超临界阶段阀出口处的节流损失。而且支管与总管之间由于 相互引射，起了良好的动力隔离 作用：(1)排气通过排气支管喷咀，这时其压力下降、流速升高，部分压力能转换为动能，变成高速气流并将这些动能传递给已在排气总管中高速流动的气体，使排气在总管中流速进一步

38、增加。或者说，排气的 脉动压力（脉冲势能）大部分 不直接 传到总管中去，而是转换为 脉冲动能 的形式来传递，以减少在总管中产生 压力波动。因而减少了对其它气缸扫气的干扰。(2)由于总管中 气流流速 较高，对各支管也有一定的 引射作用，使处于扫气阶段的气缸支管内压力较低。(3) 支管喷咀截面收小，所以总管内的压力波动对支管内压力波动影响减小（衰减）了，对各缸扫气的干扰也就减弱。因此，有利于扫气的进行，改善了扫气质量，减少了活塞的推挤功。最后在总管联接涡轮处装一段 扩压管，将排气的动能转换为压力能。总之，模件式脉冲转换增压能够使柴油机 扫气良好，排气脉冲能E1可得到较好的 传递，而且涡轮实现了 全

39、周进气，入口处 压力的变化 也相当稳定，涡轮效率 接近等压增压时的涡轮效率。使柴油机在 不同负荷下 均能获得较高的效率。 MSEM增压方式兼顾高负荷和低负荷、稳态 和 瞬态性能，还具有成本低、可靠性好、维修方便、结构紧凑等优点。它对各种气缸数的柴油机都适用。 【比较：】起动性能、部分负荷性能、加速性能和突变负荷适应能力较差是 各种增压方式 高增压 柴油机共同性的缺点，只是严重程度不同而已。比较下来，部分负荷性能最佳的是三脉冲增压，其燃烧保持良好，燃油消耗率仍较低，排气阀温度也较低。部分负荷性能最差的是等压增压。在高增压船用中速机上，各种增压方式大体都能适应，但综合性能以MSEM增压较佳。 45

40、废气涡轮增压器的工作原理和结构特点 涡轮增压器一般都采用离心式压气机。根据其涡轮的型式可分为轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。轴流式涡轮增压器用于大功率柴油机，径流式涡轮增压器用于功率较小的柴油机。废气涡轮增压器压气机的增压比k可分为低增压、中增压、高增压和超高增压。一般pk1.5MPa的，称低增压；pk=1.52.5 MPa的，称中增压；pk=2.53.5MPa的，称高增压；pk3.5MPa的，称超高增压。另外，按增压器的涡轮机外壳是否用水冷却，还可分为水冷增压器与非水冷增压器。 451单级轴流式涡轮机的工作原理 (1)废气在涡轮级中流动时压力、温度、流速的变化。 图4-22上图为轴流式涡

41、轮的结构简图。轴流式涡轮的主要工作元件是 固定的喷咀环 和 旋转的叶轮，它们组成涡轮的一个级。废气涡轮增压器一般均用单级涡轮。喷咀环的通道呈收缩形状，叶轮叶片间的通道也是 收缩形的。当废气流过喷咀环时，其压力从p0下降为p1，温度从T0下降为T1而速度从C0增加到C1。在喷咀中，废气的部分内能变成动能。当气流进入叶轮叶片间通道后 继续膨胀，其压力、温度继续下降到p2、T2，而其 相对速度 由W1增加至W2。由于叶轮在高速气流作用下旋转并作机械功，故气流的 绝对速度 从C1下降到C2。气流在 弯曲而渐缩 的叶轮叶片间通道中 转弯（冲动作用）和 膨胀 相对速度提高（反动作用），使叶片凹面上压力提高

42、，凸面上压力降低。作用在叶片表面上 压力的合力 形成了带动叶轮旋转作功的力矩。 (2)动叶的进口及出口速度三角形。 气流在涡轮中流动情况可用叶轮叶片（动叶）的进口及出口速度三角形来表示，见图4-23。由于叶轮是旋转的，而气流的 绝对速度 是由 牵连速度 和 相对速度 合成的，对其入口则有：。它们组成速度三角形。从速度三角形图可看出，当气流从喷咀流出的速度C1值和出口角1给定时，相对速度W1的大小和方向（1角）取决于牵连速度（即工作轮圆周速度）u的大小。显然，当结构上给定1角时，1角的大小就取决于u/C1比值。参数u/C1在涡轮机中是一个重要的参数，它决定了1角的大小，也就是决定了动叶入口处的流

43、动情况。 同理，对动叶出口则有：。结构上给定了相对速度W2的方向角2，C2的大小及方向取决于W2和圆周速度u的向量和。设计工况时，2接近90，C2最小，即余速损失最小。C2大大地小于C1。 (3)涡轮级中损失。 在涡轮喷咀及动叶中的损失主要有： 废气在喷咀和动叶中的 流动损失。流速越高，损失越大。 撞击损失。当涡轮工作于设计工况时，其气流的1角与动叶的构造角1k相等，气流平顺地流过动叶通道。涡轮工作于非设计工况或变工况时，u/C1变化，气流的1角变化，如图4-24所示，其中图a)11k，图b)11k，均造成气流撞击动叶前缘，产生涡流和分离，导致损失增加。 余速损失。余速损失也是设计工况时最小。

44、 除上述三种损失外，还有动叶与机壳之间径向间隙引起的漏气损失，叶轮端面与燃气之间的摩擦损失。脉冲涡轮因间歇进气、部分进气还会引起其它附加损失：鼓风损失、驱气损失、窜流损失等。至于轴承的摩擦损失，则放在增压器的机械效率中计算。 452单级离心式压气机的工作原理 (1)空气在离心式压气机中流动时压力、流速、温度的变化。 涡轮增压器中的压气机部分一般都采用 单级 离心式压气机。离心式压气机的结构简图如图4-25上图所示。它是由进气道1、叶轮2、扩压器3及出气涡壳4所组成。下图为各空气参数沿流道变化的情况，0-0、1-1、4-4分别为上述各部件的进、出截面。当压气机工作时，外界空气经过进气道沿轴向进入

45、压气机叶轮，并随叶轮作高速回转，在离心力作用下空气受到 压缩，同时沿着叶轮通道向外 加速 流动。压力从p1增加到p2，流速从C1增加到C2，温度从T1增加到T2。空气在叶轮中 压缩及加速 是需要消耗能量的，这部分能量来自驱动叶轮的 机械能。在扩压器中，由于流道逐渐扩大，从叶轮流出的高速气流 部分动能 转变为 内能，空气流速从C2降低到C3，压力从p2增加到p3，温度从T2增加到T3。排气蜗壳的流道也是 渐扩的，空气流过它时继续将动能转变为内能。 (2)空气在叶轮中的流动速度。 空气在压气机叶轮叶片间流道中的流动情况也可以用叶轮的进口和出口速度三角形来说明。如图4-26所示。先看b)图，空气沿轴

46、向进入叶轮的进口，其速度为C1，叶轮进口 平均半径 r1处的圆周速度为u1，因此空气进入叶轮时的 相对速度 为W1(）。再看c）图，在叶轮的出口处，空气流出叶轮的相对速度为W2，该处的圆周速度为u2，因此空气流出叶轮时的实际速度为C2（）。叶轮流道中流速分布很不均匀。速度大的地方压力小，速度小的地方压力大。叶轮叶片两面因此存在压差，形成了叶轮旋转工作时必须克服的力矩。 (3)空气在扩压器中的流动。 图4-25中，截面2-2至3-3为扩压器，其内圈没有叶片，为无叶扩压器。无叶扩压器中因出口面积大于进口面积，气流流过时速度下降、压力温度升高。气流质点通过无叶扩压器时的轨迹是一条 对数螺旋线。如图中

47、所示扩压器的外圈设置了一定数目的固定叶片，成为叶片扩压器。叶片的分布如图4-34所示。叶片扩压器有较大的 扩压能力，即达到相同扩压效果时其尺寸可较小。它的效率较高。大、中型涡轮增压器中广泛采用上述无叶扩压器与叶片扩压器两者组合的形式。其内圈无叶扩压器使叶轮出口的 超音速气流 无激波 地滞止到亚音速，能使叶轮出口很不均匀的气流趋于均匀，有利于叶片扩压器的工作，当运行工况有些偏离设计工况时仍能保持较高的效率。 (4)压气机中的流动损失。 见图4-27，当压气机转速一定时，如不计流动损失，则其压比如最上条横线，不随流量Q而变。但压气机中有流动损失，它可分为摩檫损失和撞击损失两类。摩擦损失随气流流速变

48、化，也就是随流量的增加而增大。压气机的撞击损失包括空气进入 叶轮 及进入 叶片扩压器 的撞击损失。在设计工况下，气流平顺地进入叶轮和扩压器，分别见图4-28和图4-29的a）图，这时的撞击损失最小。空气流量 大于设计流量的情况如图4-28和图4-29的b）图所示，这时气流在叶轮叶片的凸面和扩压器叶片的凹面上产生撞击，并在它们各自的反面形成涡流。这就造成 撞击损失，流量偏离设计值越多，撞击损失越大。但在这种情况下涡流 不致扩展，只局限于叶片进口边缘附近。这是由于空气质点的 惯性，使叶轮中空气挤向正在向前旋转的叶片，扩压器中气流则有按 对数螺旋线运动的趋势，使空气 挤回 叶片的凸面。因此在叶轮与扩压器中，气流仍然 压回叶片。空气流量 小于设计流量 的情况如图4-28和图4-29的c）图所示，这时气流在叶轮叶片的凹面和扩压器叶片的凸面上产生撞击，并在它们各自的反面形成涡流 及 气流脱离。这与空气流量偏大一样也造成撞击损失，流量偏离设计值越多，撞击损失越大。但不同的是流量偏小时，气流质点惯性 则促使反面的 旋涡区域 扩大，而且随着流量的减少而加剧，当流量小于 某一临界值时，就会发生气流