发动机增压和中冷技术

1、废气涡轮增压技术自问世以来已有90余年历史。早期废气涡轮增压的主要目的是改善发动机的动力性。至今，废气涡轮增压仍是提高柴油机功率、减轻单位功率质量、减小外形尺寸、降低燃油消耗和强化现有非增压柴油机的最有效的措施之一。 压气机出口压力称为增压压力，用Pb表示；压气机出口压力与进口压力之比称为增压比，用b表示；内燃机增压后的标定功率与增压前的标定功率之差值与增压前标定功率的比值称为增压度,用b表示。为满足越来越严的排放法规要求，必须提高燃料质量和采用先进的发动机技术。要达到各阶段排放限值需有相应的发动机技术作保证。图1和图2分别为满足欧洲轿车、重型汽车不同阶段排放限值的技术措施的实例。 1.增压的

2、主要方式 增压方式主要有: 机械增压、排气涡轮增压、复合增压、惯性增压、气波增压等机械增压机械增压，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。机械增压的特点是：不增加发动机背压，但消耗其有效功率，总体布置有一定局限性；增压压力一般不超过0.150.17MPa；过多地提高增压压力，会使驱动气压机耗功过大，机械效率明显下降，经济性恶化。排气涡轮增压排气涡轮增压，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是：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。排气涡轮增压分单级涡轮增压和二

3、级涡轮增压两类。单级涡轮增压：由一台涡轮机和一台压气机组成的或几台涡轮增压器并联的涡轮增压叫单级涡轮增压，多用于中、小型柴油机。小型柴油机、汽油机一般用径流式涡流式涡轮、离心式压气机； 二级涡轮增压：空气经两台串联的涡轮增压器压缩后进入发动机，这类增压系统称为二级涡轮增压。2.增压器涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。发动机排气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机进气管。1）压气机）压气机有轴流式和离心式。离心式压气机结构紧凑、质量轻、在较宽的流量范围内能保持较好的效率，对于小尺寸压气机，效率优于轴流式。 离心式压气机结构如图2-5

4、7所示，由进气道、叶轮、扩压器和压气机蜗壳等部件组成。 1-进气道；2-压气机叶轮；3-压气机蜗壳；4扩压器图2-57 离心式压气机结构进气道的作用是将外界空气导向压气机叶轮，为降低流动损失，通道为渐缩形。压气机叶轮是压气机中唯一对空气作功的部件，它将涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能。压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分，中、小型涡轮增压器两者做成一体，大型涡轮增压器则是将两者装配在一起。 导风轮是叶轮入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向前倾，直径越小处前倾越多，其作用是使气流以尽量小的撞击进入叶轮。导风轮的结构及通道如图2-58所示。图2-58 导风轮结构根据叶轮轮盘的结构形成，压气机

5、叶轮可分为开式、半开式、闭式、星形等形式.扩压器的作用是将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定熵过程动能转化为压力能的转化量之比，扩压器效率对压气机效率有重要的影响。按扩压器中有无叶片，可分为无叶扩压器和叶片扩压器。压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管。由于扩压器出来的空气仍有较大的速度，在蜗壳中还将进一步把动能转化为压力能，因此，压气机蜗壳也有一定的扩压作用。蜗壳效率是动能转化为压力能的实际转化量和定熵转化量之比。（1）压气机空气状态的变化 空气流经压气机通道时，压力P、速度C和温度T的变化趋

6、势如图2-59所示。图2-59 压气机通道中气体状态的变化在进气道入口，空气从环境状态进入，压力、速度、温度分别为Pa、Ca、Ta。由于进气道是渐缩形的通道，少部分压力能转化为动能。因此，在进气道中，空气的压力略有降低，速度略有升高。由于压力降低，温度随之降低。在进气道出口，亦即叶轮入口，空气的压力、速度、温度分别为P1、C1、T1。在压气机叶轮中，叶轮对空气作了功，使空气的压力、温度和速度都升高。在叶轮出口，亦即扩压器入口，空气的压力、速度、温度分别为P2、C2、T2。在扩压器中，由于扩压器流通面积渐扩，使气体的部分动能转化为压力能。因此，空气的流速降低，压力升高，温度亦随压力而升高。在扩压

7、器出口，亦即蜗壳的入口，空气的压力、速度、温度分别为P3、C3、T3。在压气机蜗壳中，仍有部分动能进一步转化为压力能，使空气的速度进一步降低，压力和温度升高。在蜗壳出口，亦即整个压气机出口，空气的压力、速度、温度分别为Pb、Cb、Tb。（2）压气机的特性压气机的主要性能参数有增压比b，空气流量qmb，定熵效率adb及转速nb等。并用这些参数及其相互关系表示压气机的性能，如图2-60所示。图2-60 压气机的性能曲线由图可见，在转速保持一定的情况下，有如下特点：在某一流量下，增压比和效率有一最大值时，随流量的增大或减小，增压比和效率都降低。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

8、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，这种现象称为压气机的喘振。 每一转速下都有一个喘振点，在效率特性上各喘振点的连线称作喘振线，喘振线以左的区域为喘振区，压气机不允许工作在喘振区。压气机产生喘振是由于压气机在某一小流量下工作时，在导风轮入口或叶片扩压器入口气流撞击叶片，在叶片通道内产生并加剧了气流的分离而引起的。当叶轮或叶片扩压器通道内产生强烈的气流分离时，使压气机内的压力低于后面管道内的压力，因此发生气流由管道向压气机倒灌。倒灌发生后，管道内压力下降，气流又在叶轮的作用下正向流动，管道内压力升高，再次发生倒灌。如此反复，压气机内的气流产生强烈的脉动，使叶片振动、噪声加

9、剧、管道内压力大幅度波动，此时即产生所谓喘振。当流量增大到某一数值时，增压比和效率均急速下降。换言之，即使以增压比和效率下降很多作为代阶，流量也难以增加。这个现象称为压气机的阻塞。产生阻塞的原因，是在压气机叶轮入口或扩压器入口这种局部喉口截面处，气流的速度达到了当地声速，从而限制了流量的增加。由于阻塞点难以严格界定，通常人为地规定，当效率降低到adb=55%时，就认为出现了阻塞。2）涡轮 涡轮的工作过程与压气机相反，是把发动机排出的废气的能量转化为机械功来驱动压气机叶轮。涡轮增压器的性能，在很大程度上取决于涡轮的性能。在涡轮增压器所使用的涡轮中，按气流流动方向，可以分为轴流式涡轮、径流式向心涡

10、轮和混流式涡轮。涡轮的结构：主要由进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳等部件组成。进气壳（也称蜗壳）的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以尽量小的流动损失和尽量均匀的分布引导到涡轮喷嘴环的入口。进气壳的效率是指在进气壳进气状态和膨胀比一定的条件下，压力能转化为动能的实际转化量与定熵转化量之比。喷嘴环又称导向器，流通截面呈渐缩形，其作用是使具有一定压力和温度的燃气膨胀加速并按规定的方向进入工作叶轮。喷嘴环效率的定义与进气壳相同，即在进气状态和膨胀比一定的条件下，压力能转化为动能的实际转化量与定熵转化量之比。工作叶轮（简称叶轮）是唯一承受气体作功的元件，它与压气机叶轮同轴，把气体的动能转化为机

11、械功向压气机输出。叶轮的效率是在叶轮进气状态和膨胀比一定的条件下，气体对叶轮的实际作功与定熵过程对叶轮作功之比。排气壳收集叶轮排出的废气并送入大气。为了降低叶轮的背压，使气体在叶轮中充分膨胀作功，排气壳是一个渐扩形的管道。3.中冷器在增压柴油机，为降低进入气缸的空气温度、增加空气密度、减少排放，使增压后的空气先在中间冷却器中冷却，再进入气缸，称为增压中冷。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低、以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率，还可提高发动机的经济性、降低排放。为了反映中间冷却程度，通常用中冷度来表示。即中冷器前后空气温度差与中冷器前空气温度的比值为中冷度。目前采用的

12、中冷器都属错流外冷间壁式冷却方式，根据冷却介质的不同，有水冷式和风冷式两大类。水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式：（1）用柴油机冷却系的冷却水冷却 这种冷却方式不需另设水路，结构简单。柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。（2）用独立的冷却水系冷却 柴油机有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器。这种冷却方式冷却效果最好，在船用和固定用途柴油机中普遍应用。风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同，可分为以

13、下两种方式：（1）用柴油机曲轴驱动风扇 这种方式适用于车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇与汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用柴油机普遍采用这种冷却方式，但在低负荷时易出现充气过冷现象。（2）用压缩空气涡轮驱动风扇 由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器。由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮作功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上安装方便，在军用车辆上也有应用。4.排气能量的利用目前

14、生产的车用增压柴油机中，几乎都采用排气涡轮增压系统，通过排气来驱动涡轮增压器工作，从而吸收排气能量来实现增压的目的。排气的最大可用能E由三部分组成：排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作的功Eb；活塞推出排气，排气得到的能量Ec；扫气空气所具有的能量Es。排气门前排气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气岐管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失E包括如下几个方面： （2-9） hFMDCVEEEEEEE式中:EV为流经排气门处的节流损失；EC为流经各种缩口处的节流损失；ED为管道面积突扩时的流动损失；EM为不同参数气流掺混和撞击形成的损失；EF为由于气体的粘

15、性而形成的摩擦损失；Eh为气流向外界散热所形成的能量损失。这些损失直接影响着排气的能量可被涡轮回收的程度，也是排气涡轮增压柴油机排气管设计和改进时所必须关注的重要方面。Ev是能量传递中的主要损失，约占总损失的60%70%。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。在设计中，应使排气门后的通流面积尽可能大（一般采用四气门结构）、开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气门后的压力Pr很快升高，从而减少节流损失。有些低速机为此而采用开启速度较快的凹弧排气门凸轮。另外，排气管容积不应太大，排气管要细而短。当在

16、结构上受限制时，做得“细而长”比“粗而短”要好。因为在排气初期，大量排气涌入较细长的岐管中，形成“堵塞”，很快在排气门后建立起较高的压力波峰，减小排气门前后压差，从而大大减少节流损失，并把气体所具有的较大速度在岐管中保持下来并传送到涡轮，提高了对排气动能的利用率。虽然由于岐管中流速高而使摩擦损失加大，但其他损失减小，所以总起来说，它的能量传递效率较高。细而长的排气管不仅能够使排气门后的压力Pr在排气初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排挤功减少，并有利于扫气。5.增压器和发动机的匹配以单级涡轮增压系统为例，根据质量守恒定律，在这个增压系统中，压气机所提供的空气正好等于柴油机所需的空气量。因此

17、，在稳定工况下，压气机提供的增压压力等于柴油机所需的增压压力。因此，可在压气机特性曲线图上，将该工况下以增压比b和空气流量qmb为表征的增压器和柴油机联合运行点确定下来。这样，当柴油机按某一特性运行时的所有工况点都可在压气机特性曲线上确定下来，从而形成了图2-61中1、2、3、4所示的特性曲线，通常称其为增压器和柴油机联合工作后的联合运行线。1-nmin负荷特性；2-nmax负荷特性； 3-外特；4-螺旋桨特性； 5-喘振边界线； 6-最高转速线； 7-最高排温线； 8-最低效率线；图2-61涡轮增压器与柴油机的联合运行线联合运行线反映了增压器与柴油机匹运行时两方的综合情况，因此通常都借助于联

18、合运行线来判断增压器与柴油机的匹配是否合适。不论哪一种涡轮增压柴油机及其运转特性，对配合性能的要求主要有以下三个方面：1）在标定工况下，须达到预期的增压压力Pb及空气流量qmb，有足够的燃烧过量空气系数，使燃烧完善，燃油消耗率各ge满足要求；涡轮前排气温度TT不超过预定值，以保证气缸热负荷不致过高，Pb不能过高，以免Pmax超过允许值，使机械负荷太大；涡轮增压器的转速ntb必须低于允许值，以保证涡轮增压器转子的强度符合安全的要求；在标定工况时，希望涡轮增压器的总效率Tb要高，扫气系数s亦能具有适当的大小。2）在低工况时，也必须保证一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求。这一点对于高增压柴油

19、机（Pme=1.82.3MPa）来说特别重要，尤其对一些特定用途的场合，快艇、拖船、坦克及车用等，这时低负荷、低转速性能往往是一个突出的问题。3）要求在整个运转范围内不发生增压器喘振与阻塞。由于涡轮允许运转的范围较广，高效率运转区亦较大，配合运行时的问题相对来说较少；而不论是有叶或无叶扩压器式的增压器，它能运转的流量范围较窄。因此，一般在研究配合特性时，首先要看柴油机与增压器的配合特性。希望柴油机依其特定用途运转时的空气流量特性曲线能通过增压器空气流量特性曲线的高效率区域，最好与增压器等效率曲线大致平行，而且必须在增压器的稳定工作范围内，既不喘振亦不阻塞。如果高增压柴油机主要是在高速、高负荷下

20、运转，则必须把增压器的高效率运转区域设计得广一些。车用柴油机低转速工况要求较苛刻，不仅依外特性运转，而且转矩的适应性系数高，所以增压器的高效率区域选在柴油机转速较低的地方，这样做即使在标定工况时性能稍差一些也是值得的。对于超高增压柴油机，低工况性能更为突出。因此，在选配涡轮增压器时，除了要进行变工况运行的配合性能计算外，还必须进行样机的配合调整试验，以满足各方面的要求。6.可变涡轮增压在柴油机进行正常设计和经过估算及性能摸拟计算来选配涡轮增压器后，一般在配合性能上不会出现太大偏差。但对于车用柴油机，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足；如果满足低速时的供气量，则在高速时

21、就可能增压过量。因此，必须采取一些措施，才能弥补其高低工况不能同时满足较佳匹配的矛盾。对于车用高速柴油机及某些超高增压中速柴油机，为了改进低工况性能，可采用高速时放气的措施，但高工况经济性不好。近年来，发展了一种可变涡轮喷嘴环出口截面的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在发动机低速时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。采用变截面涡轮的优点是：在不损害高转速经济性的条件下，增大低速转矩；扩大了低油耗率的运行区；使柴油机的加速性能提高；可以满足要求越来越高

22、的排放和噪声规范等。但要使可变截面涡轮达到实用化，必须满足：从涡轮调节结构往外漏气应尽可能少，且当喷嘴面积改变、使气流流向偏离时，不致使涡轮效率降低过多；结构及操作系统简单，操作方便；所有结构操作系统具有较高的可靠性等。车用发动机大多用径流涡轮增压器，这给采用可变截面涡轮增压器带方便。在有叶径流涡轮的情况下，可以采用改变喷嘴叶片安装角度的方法来改变喷嘴环出口截面积。图2-62 为一有叶喷嘴变截面涡轮示意图。 图2-62 有叶喷嘴变截面涡轮示意图 喷嘴叶片与齿轮相连，齿轮受齿圈控制，当执行机构来回移动时，齿圈往复摆动，通过啮合的齿轮，使得各喷嘴叶片改变角度，从而实现喷嘴环出口截面积相应变化的目的

23、。在无叶喷嘴的情况下，可以在喷嘴环出口处用活动的挡板来调节喷嘴环出口截面积。图2-63为一轴向变截面涡轮示意图，其截面的变化由一轴向平行移动板控制。 图2-63轴向变截面涡轮另一种变截面增压器是在涡轮进气零截面后加一可调喷嘴叶片，如图2-64所示，通过一舌形叶片的摆动来改变蜗壳的A/R值，使得发动机在低速时A/R值减小，从而提高涡轮转速，增加增压压力；在高速时，有较大的A/R值，减小流通阻力，发动机背压较低，充量系数提高。图2-65为一变截面多叶片可变喷嘴增压器三维示意图。图2-64舌形变截面增压器蜗壳图2-65 变截面多叶片可变喷嘴增压器喷嘴环截面积大小及档数是由实际运转要求确定的，在最大转

24、矩时，增压压力最高。控制器（ECU）根据发动机转速、喷油泵齿条位移（相当于负荷）、水温和增压压力等信号对压力控制调节阀的开启和关闭时间比（负截比）进行调节，从而控制真空泵产生的负压。可以根据发动机工况的最佳负载比图谱预先输入到控制器中。控制器与电控柴油喷射系统的控制器也可互相通讯。由于采用可变喷嘴涡轮增压器，在低速时可变喷嘴涡轮增压器处于小喷嘴开度，增压压力可提高，因此大大改善了低速工况性能。由于采用了可变截面涡轮增压器，使柴油机加速、负荷特性都得到改善。整机稳态及瞬态性能改进，低油耗区域扩大，转矩储备系数加大。性能优越的可变喷嘴增压器已经被广泛采用，轿车直喷式柴油机已有半数以上采用了可变喷嘴涡轮增压。7.增压器的瞬态性能柴油机瞬态特性是指在变速或变负荷情况下柴油机的性能。涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和转速的突然变化。在加速、加负荷过程中，空气流量与加油量变化速率之间的差异导致了燃烧空气系数低于极限值，因此，涡轮增压柴油机瞬态响应特性较差的决定因素是供气量。供气量比供油量的时间滞后，其原因是多方面的。燃油入气缸