内燃机的换气过程

1关于内燃机的换气过程2第五节内燃机的增压内燃机所能发出的最大功率受到气缸内所能燃烧的燃料的限制，而燃料量又受到每个循环内气缸所能吸人空气量的限制。如果空气能在进入气缸前得到压缩而使其密度增大、则同样的气缸工作容积可以容纳更多的新鲜充量，从而就可以多供给燃料，得到更大的输出功率。这就是增压的基本目的。内燃机的增压问题，涉及到增压器本身、增压器与内燃机的匹配以及内燃机为适应增压需要而进行的必要调整等内容，第2页,共170页，2024年2月25日，星期天3增压器直观认识第3页,共170页，2024年2月25日，星期天4第4页,共170页，2024年2月25日，星期天5第5页,共170页，2024年2月25日，星期天6第6页,共170页，2024年2月25日，星期天7内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第7页,共170页，2024年2月25日，星期天8增压技术萌生于19世纪，在20世纪初期得到初步应用。随着材料科学及制造技术的进步，柴油机的涡轮增压技木在20世纪中叶开始走向大规模商业应用、并逐步推广到汽油机中。目前，大功率柴油机的绝大部分、车用柴油机的半数以上以及相当比例的高性能汽油机，均采用了增压技术。一般而言，增压后的功率可比原机提高40%~60%甚至更多。发动机的平均有效压力可达到3MPa。事实上，增压已经成为发动机强化的一个十分重要而有效的技术手段。一、增压技术概述第8页,共170页，2024年2月25日，星期天9二、内燃机的增压方式

根据方式的不同，内燃机增压可以分成四种类型：(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压器，实现对进气的压缩。这种方式提出最早，但其优点与缺点同样突出。(2)排气涡轮增压压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。(3)气波增压利用进气及排气系统中的波动效应来压缩进气，著名的气波增压器(Comprex)就是其中之一。(4)复合增压由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。从实际应用的情况来看，较为常见的是涡轮增压和机械增压，其中涡轮增压占了绝大部分，而机械增压则在近年来重新得到重视，发展较快。第9页,共170页，2024年2月25日，星期天10（一）机械增压系统

增压器由柴油机直接驱动的增压系统称为机械增压系统。此时驱动增压器所需的能量由柴油机本身提供。

福特增压式6.8升V-10氢内燃发动机第10页,共170页，2024年2月25日，星期天11图1-l机械增压系统图

1-排气管；2-柴油机气缸；3-曲轴；4-齿轮；5-压气机；6-进气管系统中的增压器采用离心式，转瓣式（罗茨式）、或其它型式的机械泵，由柴油机曲轴通过齿轮等传动机构直接驱动或利用十字头往复运动来带动。机械增压工作原理图

第11页,共170页，2024年2月25日，星期天12第12页,共170页，2024年2月25日，星期天13优点：机械增压的特征，除了在低转速便可获得增压外，增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压引擎的操作感觉与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。

缺点：机械增压系统驱动增压器要消耗柴油机的有效功率，增压压力越高，驱动增压器所消耗的功率也越大。当达到一定增压压力后，增压器所消耗的功率将超过柴油机由于增压而提高的功率。

因此机械增压系统只适用于低增压柴油机，一般单独机械增压压力不超过0.15～0.17。这种增压系统制造容易、成本低，运转范围宽，柴油机加速和加载性能较好，且在启动与低速运转时也能获得一定的进气压力，因而机械增压在轿车发动机上的应用重新受到关注。

机械增压系统的优缺点第13页,共170页，2024年2月25日，星期天14（二）废气涡轮增压系统

增压器由柴油机排气驱动的废气涡轮所带动的增压系统称为废气涡轮增压系统。中冷涡轮增压kavachi发动机

第14页,共170页，2024年2月25日，星期天15图1-2废气涡轮增压系统

1-排气管；2-柴油机气缸；3-压气机；

4-进气管；5-涡轮该系统中的增压器由废气涡轮和压气机两部分组成，称为废气涡轮增压器。驱动增压器所需的功率由柴油机的排气能量来提供，即柴油机的排气驱动涡轮增压器的涡轮，由涡轮带动同轴上的压气机来压缩空气，经进气管送入气缸。

第15页,共170页，2024年2月25日，星期天16（三）复合增压系统

compound-super-chargeddieselengine采用机械增压器和废气涡轮增压器联合工作的增压系统称为复合增压系统。

●

串联增压系统

●

并联增压系统

第16页,共170页，2024年2月25日，星期天17串联增压系统图1-3串联增压系统

第17页,共170页，2024年2月25日，星期天18（四）气波增压气波增压器是利用气体的压缩波和膨张波来传递能量的一种增压器。它由一个转子和两个定子组成(图1—6)。从发动机排出的高压燃气流经定子，在转子中对空气进行压缩。被压缩的空气压力、温度升高后、从另一定子进入气缸。同时，空气对高压燃气产生一个膨胀波、使燃气压力、温度下降。低压燃气从原来的定子排入大气。转子由发动机曲轴通过传动装置驱动，约消耗整机有效功率1．0％一1．5％。

图1-6气波增压器工作原理图第18页,共170页，2024年2月25日，星期天19与涡轮增压相比

优点：低速运行特性、经济性、加速性↑结构简单，制造方便缺点：结构尺寸较大，在发动机的安装位置受到一定的限制躁声较大

第19页,共170页，2024年2月25日，星期天20

从第二章中可知，内燃机的动力性指标(以有效功率Pe为代表)与经济性指标（以有效燃油消耗率be为代表）可以表示为

(4—7)(4—8)三、增压对经济性及动力性能的影响第20页,共170页，2024年2月25日，星期天21假设增压后发动机转速n和过量空气系数φa保持不变增压后换气过程形成正的泵气功，指示热效率ηit增加增压度增加，ηm增加增压度增加，ρa增加增压度增加，φc增加所以Pebe第21页,共170页，2024年2月25日，星期天22四、发动机增压技术的优势与代价优势代价第22页,共170页，2024年2月25日，星期天23第23页,共170页，2024年2月25日，星期天24优势1)增压器的质量与尺寸都较小，内燃机的总体质量增加不大，而输出功率可以以得到大幅度的提高，整机的比质量减小、升功率相应增大。采用增压技术可降低内燃机单位功率的造价，提高材料的利用率。对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。第24页,共170页，2024年2月25日，星期天25优势2)由于与非增压内燃机相比，排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀，的排气噪声有所降低。第25页,共170页，2024年2月25日，星期天26优势3)增压后，有利于内燃机在高原稀薄空气条件下恢复功率，以达到或接近平原性能。第26页,共170页，2024年2月25日，星期天27优势4)增压后，由于压缩终点温度与压力提高，滞燃期缩短，压力升高比有所降低。燃烧柔和，燃烧噪声有所降低。第27页,共170页，2024年2月25日，星期天28优势5)过量空气系数较大，HC、CO和烟度排放降低第28页,共170页，2024年2月25日，星期天29优势6)技术适用性广，从低速到高速、二冲程到四冲程、大缸径到小缸径．都有应用第29页,共170页，2024年2月25日，星期天30代价1)增压后缸内工作压力以及温度提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性受到严峻的考验。2)低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到影响以及车用发动机十分不利。3)由于在涡轮增压器中，从排气能量的传递到进气压力的建立需要内燃机的加速响应性能较非增压机型差。4)增压发动机性能的进一步优化．受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料、耐热性能、润滑、效率等方面，而中冷器则要求体积小、效率高、质量轻。第30页,共170页，2024年2月25日，星期天31采用增压发动机的利弊：

利：有效功率↑30%——50%

燃油消耗率↓10%

排气净化、降低躁声，使在高原工作的内燃机恢复功率

弊：机械负荷↑热负荷↑排温要<650度压缩空气温度高，要采用中冷器发动机要做相应的改造第31页,共170页，2024年2月25日，星期天32内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第32页,共170页，2024年2月25日，星期天33涡轮增压器由压气机和涡轮两大部分组成。根据排气在涡轮中流动方向的不同，排气涡轮增压器可以分为两大类，即径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。一般大型柴油机多采用轴流式，以满足大流量、高效率的要求；而车用发动机多采用径流式，以适应高转速及较高响应性能的要求。增压器的压气机部分，一般都采用单级离心式结构。五、涡轮增压器的工作特性第33页,共170页，2024年2月25日，星期天34按涡轮型式分类（轴流式和径流式）

大型增压器多采用轴流式涡轮（即燃气在涡轮内的流动方向平行于转子轴方向）图2-1轴流式涡轮示意图

图2-2径流式涡轮示意图1-气壳；2-工作轮；3-涡轮轴；4-喷嘴环；5-进气壳a）向心式（径向进气轴相排气）；b）离心式；c）混流式1-进气壳；2-喷嘴环；3-工作轮；4-排气壳；5-涡轮轴小型增压器则采用径流式涡轮（燃气在涡轮内沿垂直于转子轴轴线的径向流动）五、涡轮增压器的工作特性第34页,共170页，2024年2月25日，星期天35第35页,共170页，2024年2月25日，星期天361.离心式压气机的工作过程五、涡轮增压器的工作特性离心式压气机的功用是提高气体的压力，它主要由进气道、工作轮(含手风轮)、扩压器和出气蜗壳等部件组成。1进气道2工作叶轮3扩压器4压气机涡壳

离心式压气机结构第36页,共170页，2024年2月25日，星期天371.离心式压气机的工作过程压气机通道内气体状态的变化五、涡轮增压器的工作特性第37页,共170页，2024年2月25日，星期天38首先，新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作轮．气流略有加速(图4—14b中的位置1)。然后，气流进人工作轮上叶片组成的气流通道。由于工作轮的转速很高(一般为每分钟几万转．有时高达每分钟几十万转)，离心力的作用使得新鲜充量得到了很大的压缩，其压力、温度以及气流速度均有较大程度的增加(图中位置2)，这部分能量是由驱动工作轮的机械功转化而来，而机械功又是来源于与之间轴铀相连的涡轮。第38页,共170页，2024年2月25日，星期天39然后，压力提高了的气体沿y作轮径向流出，进人扩压器和出气蜗壳。由于两者均是截面逐渐增大的通道，气体所拥有动能的大部分会在其中转变为压力能、这样，压力得以进一步升高．而气流速度则相应下降(图中位置3、4)：同时，出气蜗壳还兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的目的。由此可见，新鲜充量在压气机中完成了一系列的功能转换，并将涡轮机传给压气工作轮的机械能，尽可能多地转变为充量的压力能。第39页,共170页，2024年2月25日，星期天40***-----压气机的流量特性压气机的通流特性是指在一定环境条件下（、为一定时），在某一转速时，增压比和效率随流量而变化的关系曲线。以流量为横坐标，增压比和效率为纵坐标，转速为参变数绘出压气机的流量特性曲线。效率和流量的关系曲线以等效率线的形式画在增压比和流量的关系曲线上，以便于分析。压气机流量特性

2.离心式压气机的特性离心式压气机的特性曲线五、涡轮增压器的工作特性第40页,共170页，2024年2月25日，星期天41压气机特性曲线的变化主要特点：

2．较低转速时，增压特性线变化较平坦；转速愈高，则增压特性线变化愈陡削，这说明在高转速时，较小的流量变化所对应的增压比的变化较大。1.在等转速运行线上，随着空气流量的增加，增压比开始时是增加的，当增加至某一值时，达最大值。之后再增压便逐渐下降，所以，增压特性线似马鞍形状。由图中还可看出，在等转速运行线上，效率随流量的变化也大致与增压特性线相似。第41页,共170页，2024年2月25日，星期天423．有一条喘振线。它是不同转速下压气机稳定运转的最小流量点的连线，即压气机稳定运转的边界线。喘振线以左为喘振区,此时压气机工作不稳定。流过压气机的气流开始振荡，严重时，整台压气机发生振动并伴随着特殊的尖叫声。这种现象称为喘振现象。喘振线以右为稳定工作区。最小流量点的数值是随着转速的升高向增大的方向移动。第42页,共170页，2024年2月25日，星期天43***压气机流量特性的成因以径向叶轮为例，如压气机进出口气流速度相同，在没有流动损失情况下，有效功完全用来压缩空气，即

而

为叶轮出口处的轮周速度

为功率系数

压比与绝热压缩功的关系为：可见，增压比与流量无关，在特性曲线上是一条与横坐标平行的（a-a）直线。2.离心式压气机的特性第43页,共170页，2024年2月25日，星期天44可见，增压比与流量无关，在特性曲线上是一条与横坐标平行的（a-a）直线。但实际流动是有损失的，而且这种损失与流动最直接合关。这些损失有以下两部分。

1．流动损失包括摩檫损失、涡流损失等。这种损失以表示，与气流速度c有关。当流量增大，c必然加快，相应增大。则相应用来提高压力的绝热压缩功减少，压比降低。所以，在特性线上、计及流动损失后的压比线为b—b所示第44页,共170页，2024年2月25日，星期天452．撞击损失当压气机离开设计工况时，气流角度和叶片的几何角度不能保持一致，产生撞击现象。计及撞击损失后，压比与流量的关系线用c—B—c来表示。第45页,共170页，2024年2月25日，星期天46如图所示，当流量增大时，入口轴向分速增大，而—定，则气流撞击入口边的背面；当流量减小时，入口轴向分速减小，而不变，则撞击入口边的凹面。说明只要气流偏离设计工况，都会产生撞击损失。

图2-10转速不变、流量变化时叶轮入口处的撞击现象（a）设计工况（b）流量增大（c）流量减小第46页,共170页，2024年2月25日，星期天47***压气机的喘振与堵塞2.离心式压气机的特性流量过小过大喘振堵塞当压气机的流量过小,气体会在叶轮或扩压器入口出现边界层分离,导致气体回流.分离涡流迅速扩展到压气机通道的其他部分,气流出现强烈的振荡,引起工作轮叶片强烈振动,产生很大的噪音,为压气机的喘振.当流量超过设计工况到一定数值后,压气机的增压比和效率均急剧下降,而流量却不再增加,这一现象称为压气机的堵塞.设计或选配时保证压气机具有宽广的工作范围,以满足增压发动机的运转要求.第47页,共170页，2024年2月25日，星期天48图2-10转速不变、流量变化时叶轮入口处的撞击现象（a）设计工况（b）流量增大（c）流量减小第48页,共170页，2024年2月25日，星期天49图2-11在一定转速、不同流量下叶片扩压器的空气流动情况（a）设计工况（b）流量增大

（c）流量减小第49页,共170页，2024年2月25日，星期天50一般来说,叶片扩压器流道内气体分离的扩大是压气机喘振的主要原因,而工作叶轮进口处气流分离的扩大会使喘振进一步加剧.如小型增压器中普遍采用的无叶扩压器,不仅使工作流量范围扩大,又可避免压气机的喘振现象的发生.第50页,共170页，2024年2月25日，星期天513.径流式涡轮机的工作原理五、涡轮增压器的工作特性**径流式涡轮的结构涡轮主要内进气壳、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勺的分布引导到涡轮喷嘴环的入口。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。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械功向压气机输出。排气壳

收集叶轮排出的废气并送入大气。第51页,共170页，2024年2月25日，星期天52**涡轮机工作原理喷嘴环上的导向叶片构成的是渐缩曲线型通道，废气进入喷嘴通道，在此弯曲的收缩通道内废气膨胀，部分压力能变成动能，废气的绝对速度↑，温度和压力↓。工作轮叶片一般也组成收缩通道，在工作轮叶片中，燃气继续膨胀，压力温度↓。当气流流过工作叶轮时，气流转弯，由于离心力作用的结果，在叶片凹面压力得到提高，而凸面降低。产生带动工作叶轮旋转的扭矩。3.径流式涡轮机的工作原理第52页,共170页，2024年2月25日，星期天53**废气涡轮的特性曲线与压气机一样，涡轮在变工况时气流参数的变化是通过特性曲线来表示的。涡轮特性曲线表示了在各种工况下涡轮主要工作参数间的变化关系，是确定涡轮与发动机匹配合理与否的至要依据。涡轮性能曲线最常用的形式是表征涡轮通流能力的流量特性曲线和表征涡轮效率变化的效率特性曲线。

3.径流式涡轮机的工作原理第53页,共170页，2024年2月25日，星期天54**废气涡轮的特性曲线3.径流式涡轮机的工作原理n一定时，随着流量的增加有一最佳效率值。每一转速下，有相应的流量及范围。随着流量的增加，有一最大值为A，再增大，流量不再增加，称为废气的阻塞现象。发生流量阻塞的原因是喷嘴环或涡轮叶轮中某处气流速度已达到了当地声速。涡轮实际工作时，由于喷嘴出口处流速最高。往往是该处先于叶轮发生流量阻塞。第54页,共170页，2024年2月25日，星期天55内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第55页,共170页，2024年2月25日，星期天56六、排气涡轮增压系统简介废气涡轮增压的两种基本形式

涡轮增压系统的两种基本形式

a）定压增压系统（b）脉冲增压系统第56页,共170页，2024年2月25日，星期天57六、排气涡轮增压系统简介1.定压涡轮增压系统内燃机所有气缸的排气管都连接于一根排气总管而排气总管的容积又尽可能做得大。这样一来，排气管实际上就起了集气箱作用。这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但由于集气箱的稳压作用，因而在排气总管内的压力振荡是较小的。可以认为涡轮前排气管内压力基本上是恒定的，即工质在恒定压力状态下进入涡轮。第57页,共170页，2024年2月25日，星期天58六、排气涡轮增压系统简介1.定压涡轮增压系统***定压增压对内燃机废气能量的利用2-0：增压器进气过程0-a：增压器充量的压缩过程，a为增压压力

a-3：增压器等压排气3-a：内燃机等压吸气过程a-c：压缩过程c-z：燃烧过程z-b：膨胀过程b-5：排气门打开时的定容排气5-4：定压排气排气管为恒定压力4-e：涡轮进气e-f：涡轮中的膨胀f-2：涡轮等压排气第58页,共170页，2024年2月25日，星期天59排气门打开时排气等熵膨胀至大气压力时所作的功1－b－f－1排气经排气门节流和排气歧管中自由膨胀所损失的能量排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量1.定压涡轮增压系统***定压增压对内燃机废气能量的利用第59页,共170页，2024年2月25日，星期天60活塞推出排气使排气增加的能量排气中涡轮的可用能量扫气空气进入涡轮后具有的能量排气在涡轮中的膨胀功1.定压涡轮增压系统***定压增压对内燃机废气能量的利用第60页,共170页，2024年2月25日，星期天61活塞推出排气使排气增加的能量扫气空气进入涡轮后具有的能量排气在涡轮中的膨胀功损失的能量E1中的一小部分，转变为热能，加热排气，使焓值增加而得到的附加能量涡轮前排气的可用能量***定压增压对内燃机废气能量的利用1.定压涡轮增压系统第61页,共170页，2024年2月25日，星期天62废气的拥有能分为：(b-e-5-b)(5-e-f-1-5)无论是变压还是恒压系统均在涡轮中膨胀做功恒压系统、变压系统的差别很大。恒压系统中，由于排气管压力维持恒定，全部在节流中损失，损失而产生的热量将用来加热排气管中的工质，使温度提高。涡轮功面积增加e-e’-f’-f-e.***定压增压对内燃机废气能量的利用1.定压涡轮增压系统第62页,共170页，2024年2月25日，星期天63废气回收率占损失能量的比例为:

且废热回收的比例愈大.

当增压压力较低，而涡轮增压器的综合效率又不很高时，恒压系统就难以实现功率平衡要求。其原因就在于能量E1没有很好地加以利用。

为了很好地利用E1，提出了脉冲增压系统。第63页,共170页，2024年2月25日，星期天642脉冲增压系统使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动，涡轮增压器尽量靠近气缸；把排气管做得短而细，尽量减小排气管容积。为在一根排气管中形成互不干扰的排气脉冲波进入废气涡轮机，要根据气缸数按内燃机的发火顺序组成几根排气管，每根排气管各自连接几个气缸(通常为2缸或3缸)。必须把涡轮的喷嘴环(即涡轮进口)，根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。如发火顺序为l—5—3—6—2—4的六缸四冲程增压柴油机排气管分组情况。六、排气涡轮增压系统简介第64页,共170页，2024年2月25日，星期天65

两种增压系统在废气能量利用的区别（1）采用脉冲增压可以对面积E1所示脉冲能量加以利用。在脉冲增压系统中，由于排气管容积很小，在排气阀开启后，排气管中压力迅速升高，形成了图中所示的压力波---排气脉冲波。由于排气管的压力迅速提高，使气体处于亚临界流动。排气压差的减小，使排气节流损失下降，从而提高了对能量E1的利用率。且瞬时进入涡轮的废气压力较高，在涡轮内瞬时膨胀功大。（2）排气管截面细，气流速度高，部分气流的动能可以在涡轮中加以利用。

可见，脉冲增压系统比定压增压系统可以较好地利用内燃机的废气能量。

第65页,共170页，2024年2月25日，星期天663．脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用排气能量的利用比较六、排气涡轮增压系统简介脉冲增压:排气节流造成的排气能量的损失比定压增压系统小,而且能利用排气的脉冲能量。而定压增压不能利用脉冲能量。所以脉冲增压对排气能量的利用比定压要好。但当增压比提高时，排气管内压力升高，定压系统的排气能量损失有所下降。且脉冲能量在排气能量中所占的比重降低，所以两种系统对排气能量的利用效果随增压比的提高而接近。当增压比小于2.5时，脉冲增压对排气能量的利用比定压要好。第66页,共170页，2024年2月25日，星期天673．脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用扫气作用

比较定压增压系统：

脉冲增压系统：

较小，组织良好扫气有一定困难

因排气前期高，排气速度大，后期下降快，正处于气门叠加期，

大，有利于扫气第67页,共170页，2024年2月25日，星期天683．脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用加速性能比较脉冲增压的加速加载性能较好，由于脉冲增压排气管容积小，几个工作循环后压力很快上升，增压器能迅速加速到规定转速，保证柴油机扫气的要求。而定压增压在柴油机加速加载时反应性能差，即快速加速加载时，排气能量不能快速增加，压力因而也难于快速提高，造成短时间内空气流量不足，使柴油机冒烟。此外，在内燃机转速减低时，脉冲增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。第68页,共170页，2024年2月25日，星期天693．脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用增压器的效率比较定压增压由于进入涡轮的压力基本恒定，故涡轮效率较高。脉冲增压：在开始排气时排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加；脉冲增压涡轮为脉动进气，进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期地改变，使气流撞击损失增加；脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，因此涡轮效率较低。第69页,共170页，2024年2月25日，星期天703．脉冲增压系统和定压增压系统的比较和选用增压器的结构比较定压增压系统排气管结构简单，这对于气缸数目很多的柴油机在结构布置上尤为重要。而脉冲增压系统排气管要进行分支，使排气系统结构复杂，布置困难。第70页,共170页，2024年2月25日，星期天71脉冲系统和定压系统的选用

高增压柴油机高，排出的废气能量回收比例大，故多采用定压增压。且涡轮前压力恒定，涡轮效率提高。低增压柴油机定压系统低，节流损失大，采用脉冲增压系统更好。高增压柴油机变工况特别是出现低负荷情况下，用脉冲增压系统更好。船用、发电用车用第71页,共170页，2024年2月25日，星期天72内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第72页,共170页，2024年2月25日，星期天73七、涡轮增压器与发动机的匹配内燃机与涡轮增压器只通过内燃机的进排气流动联系。内燃机的工作特性参数是用转速和负荷来表示的，不同转速和负荷下排气的流量和温度不同，即排气的能量不同，通过增压器转换后，反过来影响进气状态，进而影响发动机的性能和排气状态，在稳定状态下达到一种平衡。内燃机的转速范围是从最低稳定转速到标定转速，负荷变化从零到满负荷，要使增压内燃机有良好的性能，就必须使涡轮和压气机的联合运行在宽广的范围内与内燃机有良好的配合，彼此适应，这就是所谓的涡轮增压器与发动机的匹配。第73页,共170页，2024年2月25日，星期天741.内燃机使用特性的坐标转换第74页,共170页，2024年2月25日，星期天75第75页,共170页，2024年2月25日，星期天762.联合运行线联合运行线

为了讨论运行线的联合，以单级涡轮增压系统为例

2发动机某一工况下，对应该工况功率所需的增压力基本确定，因此，压气机提供的增压压力必须等于发动机所需的增压压力。根据质量守恒定律，压气机所提供的空气正好等于内燃机所需的空气量。因此，在稳定工况下，压气机特性线上的流量和内燃机所需的流量相等。

因此，可以将内燃机的使用特性图与压气机特性图统一起来，构成增压器和内燃机联合后的工作运行线。第76页,共170页，2024年2月25日，星期天77第77页,共170页，2024年2月25日，星期天783、联合运行线的限制

内燃机增压系统由压气机、涡轮及内燃机等联合运行，它们之间的参数互相影响，十分复杂。各自的限制条件均反映在运行线上。换句话说，联合运行线的限制条件是压气机、涡轮和内燃机三者限制条件的综合反映。

第78页,共170页，2024年2月25日，星期天793、联合运行线的限制

压气机的限制

1最高转速限制线

发动机按负荷特性运行时，随着负荷的增加，虽然发动机转速不变，但循环供油量增加，废气温度和压力都相应提高，既涡轮进口焓值增加，增压器转速增加。第79页,共170页，2024年2月25日，星期天80压气机的限制

1最高转速限制线

当发动机按外特性运行时，循环供油量变化不大，随着负荷减小，发动机转速升高，流量增大，废气流量也增大，涡轮转速升高。

当增压器转速超过某一值后，离心力增加过大，以致超过叶轮机械强度所能承受的程度，就会发生事故。因此压气机有一条最高转速限制线(曲线6)。第80页,共170页，2024年2月25日，星期天81压气机的限制

2.喘振边界线

当发动机负荷或转速降低都伴随着流量的减少。若发动机流量减少到压气机喘振边界线以左，使压气机进入喘振区，即无法工作。因此，压气机运行受喘振边界线的限制(如曲线5)。第81页,共170页，2024年2月25日，星期天82涡轮限制条件1.最高温度限制线

随着发动机负荷增加，转速升高，都伴随着排气温度升高。当排气温度超过涡轮材料热应力承受的程度，就会发生事故。因此，涡轮有一条最高温度限制线(如曲线7)。

第82页,共170页，2024年2月25日，星期天83涡轮限制条件2.最高转速限制线

这与压气机一样，转速过高，离心力过大，以致超过叶轮材料强度所能承受的程度，就会发生事故。涡轮叶轮的材料优于压气机叶轮，但涡轮工作温度显著高于压气机。所以增压器最高转速限制线应根据压气机和涡轮的实际薄弱环节来确定。第83页,共170页，2024年2月25日，星期天84涡轮限制条件

3.喷嘴环出口流量阻塞线

废气流经涡轮，在喷嘴环出口处流通面积最小，流速最大。根据喷嘴流动理论、喉部最大流速为当地音速，即当发动机流量增大，以致喷嘴中的膨胀比为临界膨胀比时，流经涡轮的流量达到最大值。这时，即使发动机流量再增大，涡轮的流量也不再增大，除非增大喷嘴环喉部流通而积。因此，涡轮有一条最大流量的限制线，也称流量阻塞线(如曲线l0)。

不过，在增压系统中，涡轮的流量范围很宽，而且喷嘴环面积可以变动，所以这条限制线一般不会出现。

第84页,共170页，2024年2月25日，星期天85发动机的限制条件

1.冒烟限制线

当发动机转速、负荷降低时，废气温度降低，涡轮转速下降，压气机压比和流量减少，然而按外特性运行的柴油机供油量不变，造成低速冒烟，烟度超标后，柴油机不能运行。因而，运行线受冒烟限制线的制约。（如曲线9）

第85页,共170页，2024年2月25日，星期天86发动机的限制条件

2.最低效率线

增压系统的热效率与发动机的热效率、涡轮增压器的总效率有关。涡轮增压器的总效率和压气机绝热效率、涡轮绝热效率及机械效率有关。尤其是压气机绝热效率的高低对增压系统的热效率关系最为密切。若联合运行线在压气机的低效区工作，则发动机的功率、油耗率将会直接受损。因此，运行线受压气机最低效率线的限制(见曲线8)。

第86页,共170页，2024年2月25日，星期天87综合增压系统的各组成件的限制条件，联合运行线受6条限制线的制约：即喘振边界线：最高转速线；最高温度线；冒烟限制线；流量阻塞线及最低效率线。换句话说，联合运行线必须在这6条限制线之内，工作才会正常。

第87页,共170页，2024年2月25日，星期天88联合运行线合理性判别

增压系统的联合运行线即使在6条限制线以内，仍不一定说明匹配合理。联合运行线的合理与否判别标准有以下两条：1．运行线在压气机特性线的高效区，即发动机各使用工况都在压气机特性线的高效区。

2．为避免运行线窜入喘振区，运行线应和喘振边界线大致平行，并与其保持一定的距离，大体为设计工况流量的10％一15％★如果联合运行线不符合上述标准，就应进行调节。第88页,共170页，2024年2月25日，星期天894、联合运行线的调整

为了达到匹配要求，尽管改变内燃机的某些参数（如排气管设计、配气系统参数等），可使联合运行线的位置发生变动，但改变涡轮增压器的某些参数（如喷嘴环截面积、压气机叶片扩压器叶片安装角等），也可以使联合运行线和喘振线位置发生移动，达到满意的效果。后者更方便。第89页,共170页，2024年2月25日，星期天904、联合运行线的调整

每个型号的涡轮增压器都有其合适的使用流量范围，通常是从喘振线到某一效率等值线或堵塞线所包括的区域**流量范围的选择若联合运行线在压气机喘振边界线左边较远的距离，如下图中的曲线1所示位置，说明选取的压气机型号偏大，无法匹配，应另选小一号的压气机。若联合运行线在线2所示的位置，则说明所选用的压气机太小，其流量可以勉强满足发动机的要求，但压气机在低效区工作，增压系统的热效率不高，应换取大一号压气机。

第90页,共170页，2024年2月25日，星期天91平行移动法

若联合运行线在喘振边界线附近，但离喘振线距离大近，换一个型号、离高效区又太远。在这种情况下，可采取平行移动法使压气机特性曲线相对原位置平移一个较小的距离。

水平移动法

垂直移动法

4、联合运行线的调整

第91页,共170页，2024年2月25日，星期天92平行移动法

水平移动法

4、联合运行线的调整

第92页,共170页，2024年2月25日，星期天93平行移动法

垂直移动法

增大压气机涡壳尺寸，减少无叶扩压器及集气涡壳动能对压力能的转换，可以减小压气机出口静压力，使压气机特性垂直下移，反之，上移。4、联合运行线的调整

第93页,共170页，2024年2月25日，星期天94转动移动法

若联合运行线在喘振线附近，但又不平行，或大流量在工作区，小流量在喘振区；或大流量在喘振区，小流量在工作区。对采用有扩压器的压气机，可以改变扩压器叶片安装角的方法使特性曲线转动一个角度，以适应联合运行线的需要。当扩压器叶片安装角减小，流通面积缩小，同时，气流进入扩压叶片产生撞击损失。这影响扩压器效率及压气机出口压力，在大流量时表现更为突出，故压气机特性曲线顺时针转动一个角度。反之，逆时针转动。但减小安装角的方法是以降低效率为代价。

4、联合运行线的调整

第94页,共170页，2024年2月25日，星期天95利用喷嘴环出口面积的变化对涡轮增压及内燃机发生的一系列影响来实现的调节法。这种影响互相牵连和制约。对增压器的影响当喷嘴环出口面积减小，在发动机及增压器其它条件不变的情况下，喷嘴出口气流速度增大，转子速度升高，压气机出口压力升高，压气机特性线上移。反之既下移。4、联合运行线的调整

第95页,共170页，2024年2月25日，星期天962、对内燃机的影响

当喷嘴环出口面积减小，内燃机通流能力减小，使用特性线向减小流量方向移动。反之，向增大流量方向移动。

4、联合运行线的调整

第96页,共170页，2024年2月25日，星期天97喷嘴环面积的变动对内燃机排气背压有直接影响，这影响内燃机的换气品质。另外，喷嘴环面积变化过大，大于15%以后，对反动度有明显的影响。实验结果表明，当喷嘴环出口通流面积减小20％，反动度将下降10％左右，这时涡轮效率下降约6%。喷嘴环出口通流面积变动20％左右，可以认为是调整的一个限度，否则要同时改变动叶轮通流面积。

4、联合运行线的调整

第97页,共170页，2024年2月25日，星期天98在试验中，一般用负荷特性来寻找最佳喷嘴环出口通流面积，减小喷嘴环出口通流面积将增加活塞排气推出功，使燃油消耗率增加，只是在高速、高负荷时由于涡轮功增大，压缩空气功增大，使进入的空气量增大．才使燃油消耗率下降，因此涡轮喷嘴环出口通流面积的选取在于高、低负荷工况下燃油稍耗率值之间的折衷。4、联合运行线的调整第98页,共170页，2024年2月25日，星期天994、联合运行线的调整

**联合运行线的调整调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将发动机的联合运行线向下移动。对于书上的例子，将使其离开喘振线进入正常区域。当喷嘴环出口面积减小，在发动机及增压器其它条件不变的情况下，喷嘴出口气流速度增大，转子速度升高，压气机出口压力升高，压气机特性线上移。反之既下移。第99页,共170页，2024年2月25日，星期天1004、联合运行线的调整

**压气机堵塞的控制压气机堵塞现象的产生，是在某个流通截面下，气体运动速度达到了声速而导致流量不再增加。临界截面一般出现在叶片扩压器的进口喉部附近，但当叶轮进口喉部面积过小时，也可能造成在叶轮喉口发生堵塞。因此，适当增加叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积，可以提高压气机的堵塞流量，从而扩大压气机的工作流量范围。第100页,共170页，2024年2月25日，星期天1014、联合运行线的调整

**涡轮增压器超速和增压压力的调整涡轮增压器超速采用增大涡轮喷嘴面积的方法，减小涡轮前的排气能量，可克服增压器的超速问题。增压内燃机的功率尚未达到标定值时，增压器转速已经达到允许的最大值，若继续增加发动机功率，增压器将处于超速状态，这是不允许的。第101页,共170页，2024年2月25日，星期天1024、联合运行线的调整

**涡轮增压器超速和增压压力的调整为避免涡轮增压器超速，同时改善车用增压发动机的转矩特性放气（废气旁通）可变几何参数涡轮第102页,共170页，2024年2月25日，星期天103第103页,共170页，2024年2月25日，星期天104第104页,共170页，2024年2月25日，星期天105第105页,共170页，2024年2月25日，星期天106第106页,共170页，2024年2月25日，星期天107第107页,共170页，2024年2月25日，星期天108第108页,共170页，2024年2月25日，星期天109内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第109页,共170页，2024年2月25日，星期天110为了适应增压的要求，内燃机的结构与工作参数要进行适当的改动c1．压缩比与过量空气系数为了降低爆发压力，增压内燃机应适当降低压缩比。增压比越高，压缩比降低越大，但过高的降幅会恶化内燃机的经济性能，而且会引起冷起动困难。对于汽油机而言，更容易诱发爆燃，故降低压缩比更是比较普通的选择；为了降低内燃机的热负荷和改善经济性。增压内燃机可适当加大过量空气系数，如车用柴油机的a：一般较小，增压后一般将其增大10%~30%。八、内燃机的增压改造第110页,共170页，2024年2月25日，星期天1112．供油系统为厂适应增压后功率增大的要求，需要增加每循环的供油量。对于增压柴油机而言，为了使供油持续期近似不变，常采用以下方法：增大柱塞直径、增加供油速率、提高喷油比例、加大喷孔直径等，这些措施也可保证燃油喷注在空气密度提高的情况下有足够的贯穿距离。同时，适当地减小喷油提前角，可以限制最高爆发压力的增长。化油器式汽油机在增压后．也需要对量孔、供袖泵、点火角调整装置等处进行调整。八、内燃机的增压改造第111页,共170页，2024年2月25日，星期天1123．配气系统利用增压压力比排气压力高的有利条件，应合理地加大配气系统的气门叠开角。以增加气缸扫气，从而降低内燃机的热负荷。增压柴油机的试验表明，气门叠开角每增加10º（CA）活塞平均温度降低4º（CA）。合理增大气门叠开角，除了降低发动机的热负荷以外，还由于气缸内废气扫除彻底和进气终点温度的降低，使充量系数增大。此外，由于降低了排气温度，涡轮的工作条件也在一定程度上得到了改善；但当增压压力较高(如pb＞300kPa)和采用进气中冷技术后，气门叠开角反而和非增压相差不多，主要是为了防止低负荷时的排气倒流以及过大的活塞顶上的避让坑。八、内燃机的增压改造第112页,共170页，2024年2月25日，星期天1134．进排气系统进排气系统的设计，要与增压系统的要求相一致。如脉冲系统，为了使排气期间各缸的排气不致于互相干扰，要求同一排气文管所连各缸内的排气不能重叠或尽可能地减小重要如发火次序为1-5-3-6-2-4的六缸机，可以来用1、2、3缸和4、5、6缸各连一根排气管，每一根管内相邻两缸间的工作夹角为240º(CA)，与排气脉冲波的持续时间大致相同，排气间干扰不大。增压内燃机的进气管容积希望尽可能大一些效率和改善发动机的性能。八、内燃机的增压改造第113页,共170页，2024年2月25日，星期天1145．增压空气的冷却将增压器出口空气进行冷却，一方面可以进一步提高内燃机进气管内空气的密度，从而提高内燃机的功率输出；另一方面可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度、从而降低内燃机的排气温度、热负荷以及N02排放：为达到这一目的，一般利用中冷器、用循环冷却水或冷却风扇气流对增压后的充量进行间接冷却。利用冷却风扇或车辆运行过程中所产生的高速气体流动来冷却增压空气的“空一空”中冷方式，可以获得比较好的冷却效果、且布置较为灵活，近年来在车用发动机上应用较多。八、内燃机的增压改造第114页,共170页，2024年2月25日，星期天115内容提要一、增压技术概述二、内燃机的增压方式三、增压对经济性及动力性能的影响四、发动机增压技术的优势与代价五、涡轮增压器的工作特性六、排气涡轮增压系统简介七、涡轮增压器与发动机的匹配八、内燃机的增压改造九、汽油机的增压技术第115页,共170页，2024年2月25日，星期天116

从排气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质的区别，但长期以来，涡轮增压技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动机中得到应用外，在其他应用领域，其普及性远不如柴油机。究其原因，是由于两种发动机在工作过程中的不同特点所决定的。限制汽油机增压的主要技术障碍是爆燃、混合气的控制、热负荷和增压器的特殊要求等方面，现分述如下。九、汽油机的增压技术第116页,共170页，2024年2月25日，星期天117汽油机增压后，由于混合气压缩始点的压力、温度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因，将促使爆燃的发生。为此，必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等技术措施，但相应会带来热效率下降、排温过高、成本增加等不利影响。正因为如此．汽油机的增压比一般比柴油机低得多，一般不超过2，这样，功率最高增加幅度约为40%~50%，而燃油经济性则不一定有所改善。1．爆燃第117页,共170页，2024年2月25日，星期天118爆燃控制：（即点火提前角控制）应用点火提前角自适应控制系统克服由于增压而增加的爆燃倾向。利用爆震传感器检测爆燃信息，并传送给ECU，电控单元则发出指令推迟点火时刻以消除爆震。待爆震消除后，自适应地加大点火提前角，使发动机在最理想的状况下工作。爆震传感器1—爆燃传感器2—切换阀控制电磁阀3—ECU

4—进气管绝对压力传感器5—空气流量计

6—喷嘴环控制电磁问7—喷嘴环驱动气室

8—切换阀驱动气室

第118页,共170页，2024年2月25日，星期天119汽油机采用定质变量调节，化油器式发动机进行增压时，气体流经化油器喉口的压力足变化的，不仅难于精确供应一定浓度的混合气，还增加了一些如增压方案的选挥、化油器的密封、加速响应性能等新问题。电控汽油喷射技术的应用，为增压技术在汽油机中的应用扫除了大障碍。2．混合气的调节第119页,共170页，2024年2月25日，星期天120汽油机的过量空气系数小．燃烧温度高，膨胀比小，排气温度也比柴油机高200º~300ºC。增压后．汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题加重。同时，为避免可燃混合气的损失，一般气门叠开角不大，燃烧室的扫气作用不明显，因此，增压汽油机的排气门、活塞、涡轮等处的热负荷均比增压柴油机严重。为此，汽油机在进行涡轮增压时，一般都采用涡轮前放气的调节方案，以抑制发动机高速、高负荷时增比压力的过度增长，这不仅是限制最高燃烧压力的需要，也是抑制爆燃、降低热负荷的需要。3．热负荷第120页,共170页，2024年2月25日，星期天121抑制爆震燃烧和降低热负荷汽油机的最大增压压力主要受爆震的限制，而爆震加剧的最大原因是由于热负荷增加。对一台汽油机要进行涡轮增压首要问题是防止发生爆震燃烧。方法1.降低压缩比2.减小点火提前角3.对增压空气进行中冷第121页,共170页，2024年2月25日，星期天122抑制爆震燃烧和降低热负荷1.降低压缩比2.减小点火提前角3.对增压空气进行中冷可改善排放，压缩比从8.5下降到6.5，HC降低50%，氮氧化合物减少30％～40％，但压缩比下降，使热效率下降。推迟点火提前角有助于防止爆燃，但过晚点火，使后燃加剧，使有效功率下降，排温升高，对涡轮不利。理想的点火提前角是调整到即将爆震而尚未爆震时，动力性和经济性均最好。中冷使指示功率增大，热负荷降低，防止爆震。第122页,共170页，2024年2月25日，星期天123汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速变化范围大c这就要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率还要保证在一定的范围内，还要求有增压调节装置。因此，要求是很苛刻的，这就造成它的成本比柴油机用增压器要高。实际上，汽油机增压技术的应用与进步，很大程度上取决于高性能涡轮增压器的发展情况c在这方面，已经有较多的适合于汽油机增压的涡轮增压器产品可供选择，除此之外，有些新技术还在进一步的发展中，如陶瓷涡轮转子、可变截面涡轮增压器等。4．对增压器的特殊要求第123页,共170页，2024年2月25日，星期天124

总体而言，汽油机的增压技术在过去的20年中获得了重大的突破，各种装备增压汽油机的高性能轿车陆续维出。统计数据显示，1990年全世界的增压汽油机已经占到厂汽油机总量的15%。随着电子控制技术以及发动机管理系统的大规模应用，以及高性能增压器的不断出现，汽油机增压技术的发展将有一个新的局面。第124页,共170页，2024年2月25日，星期天125补充一：车用柴油机对增压系统的要求车用柴油机的增压度还不高，从废气能量利用程度考虑应采用变压增压系统。

车用柴油机是在相当广泛的转速、负荷范围内变化，为了使低负荷时仍具有良好的扫气应采用变压增压系统。

从瞬间反应来看，当负荷和转速突然变化时，对于恒压系统主要由于排气管容积较大，显然需要较长的时间才能反应气缸状态的变化，使瞬间反应迟缓。变压系统由于排气管小而短，改善了反应。

一、增压系统1.车用柴油机应以采用变压系统为宜

第125页,共170页，2024年2月25日，星期天1262.柴油机和涡轮增压器的最佳匹配点应放在低速扭矩最大处。一、增压系统对于车用柴油机一般在外特性上额定转速的50％一60％处出现最大平均有效压力，匹配点就选在该点，使涡轮增压器的效率在该点达到最大值，保证充气量达到最大，而在全负荷时涡轮增压器的效率反而略低一些，充气量也就低一些，来保证有较好适应性系数的可能性。3.车用发动机室的空间很小，因此要求增压器的体积小。4.车用柴油机的变工况多，起动性和加速性很重要。因而增压器的转动惯量应尽量小，质量要轻。

5.车用柴油机的变工况范围广，因此需要压气机的高效区也相应地宽广。同时与柴油机的配合运行线离喘振边界线应远一些，以避免出现突然的变工况时，进入喘振区。6.涡轮增压器的工作可靠，价格低廉。第126页,共170页，2024年2月25日，星期天127二、对废气涡轮的要求

1.车用柴油机相对其他类型柴油机而言，它的流量较小，又要具有较高效率，而且高效区较宽广，因此一般采用径流涡轮。2.涡轮所用的喷嘴环有整体式，可调喷嘴环和无叶喷嘴环三种。无叶喷嘴实质上是涡壳的一部分，其出口截面根据所需喷嘴面积决定。由于无叶喷嘴环有结构筒单、尺寸小、重量轻以及变工况适应性好等优点，尤其适合于车用柴油机需要，因而大部分车用柴油机用无叶喷嘴的结构。

第127页,共170页，2024年2月25日，星期天1283.由于车用柴油机的匹配点选择在低速时出现最大输出功率，这时流量较小，因此喷嘴环的流通面积或喷嘴角要小；但另一方面，在柴油机高速时往往使涡轮超速，使气缸的最大爆发压力超过允许值。因而最理想情况是低速时具有较小的喷嘴环面积而当高速时又有较大的喷嘴环面积。也就是采用可调喷嘴环或称可变几何参数涡轮，是车用增压的一个重要发展方向，但在非设计工况时，因效率低，部分抵消它的优越性，且结构复杂。

二、对废气涡轮的要求

第128页,共170页，2024年2月25日，星期天129三、对压气机的要求对于车用柴油机来说，低转速时，增压器的转速也相应降低，流入气缸的空气量就少，为了避免柴油机低速时冒黑烟，除了在燃油供应系统应适当采取措施外，压气机应尽量做到在低转速时仍有较大的空气量供应给柴油机。为此，压气机应尽最量提高其绝热效率，并且使高效区尽量宽广，以便压气机在低流量点和大流量点都接近较高的效率区域。但近年来出现的一种后弯(掠)式压气机叶轮能同时满足这两种工况。后弯叶轮的流量范围有显著的改善，稳定运行边界及剧烈喘振线均移向更低的流量区，还显示出它有较宽广的和较高的效率特性曲线。第129页,共170页，2024年2月25日，星期天130三、对压气机的要求2.由于车用柴油机的工况频繁变化，压气机的扩压部分也应以无叶扩压器结构为宜，这样可以避免因工况而产生喘振现象。

第130页,共170页，2024年2月25日，星期天131补充二：涡轮增压柴油机的扭矩特性及其改善措施一．车用增压柴油机的扭矩特性要求

车用柴油机涡轮增压主要不在于其能在最高转速时有尽量大的输出功率，而是在于低转速时产生更大的扭矩，或提供更大的牵引力，以利于提高在大负荷下的起步和爬坡能力。一般车用柴油机有两个动力指标：速度系数

适应性系数或扭矩储备系数

第131页,共170页，2024年2月25日，星期天132动力指标1．速度系数

既表示柴油机的最高转速与柴油机最大扭矩时的转速之比。最大扭矩时的转速为额定转速的55％一60％。：55％一60％2．适应性系数或扭矩储备系数

即表示柴油机的最大扭矩和最高转速时的扭矩之比。

绝大多数生产厂对柴油机在额定转速的60％处能获得20%的扭矩增加就很满意。一般扭矩储备系数

第132页,共170页，2024年2月25日，星期天133一般车用柴油机与废气涡轮增压器匹配在60%的额定转速处，此时扭矩最大，增压器效率最高。农用、建筑机械工作条件差，匹配点转速要求低50%，而高

第133页,共170页，2024年2月25日，星期天134二、涡轮增压柴油机的扭矩特性

一般，四冲程柴油机在增压后，在0.9----1.0之间，采取适当措施，其扭矩特性就能满足车用柴油机的特殊要求，但随着增压压力的不断提高，涡轮增压柴油机的扭矩特性就越来越差。恒压增压系统

柴油机扭矩特性最差

燃气流量减少，增压比减小

明显减少

扭矩减小。

采用较大的气门重叠角有助于改善扭矩特性。因为转速降低一半时，较大的气门重叠角能使通过柴油机的空气流量大于全负荷流量的一半，因此压力的下降程度比以上所说的要少些。第134页,共170页，2024年2月25日，星期天135变压增压系统

比恒压增压系统有利得多，因为柴油机在低转速运转时，各个排气脉冲之间的时间间隔增大，每个气缸排气流过涡轮的时间相应延长，使排气压力波的波谷既深又宽。相当于缩小涡轮的等效流通面；也相当于提高了涡轮效率，这两项因素都使柴油机在低转速运转时，增压压力的降低程度不像恒压增压系统那样明显。

总之，对于一般增压柴油机在采用变压增压系统、低速匹配以后，再加上燃油供应系统进行适当的校正，使随着转速降低而供油量有适当的增加，那么有可能满足车用柴油机的一般要求。第135页,共170页，2024年2月25日，星期天136三、提高涡轮增压柴油机的扭矩措施

1.在车用柴油机中提高扭矩特性的最常用的方法是采用放气。

在高转速时采用放走一部分废气或在压气机后放走一部分空气。

旁通阀由增压空气控制。柴油机在高负荷时排气流量很大，这时增压压力加大，将旁通阀打开，部分燃气绕过涡轮直接进入涡轮后的排出管，以防止涡轮增压器的超速和供应过高的增压压力，在调试时应保证在时旁通阀完全关闭，其余工况则旁通阀有相应的开度。

第136页,共170页，2024年2月25日，星期天137第137页,共170页，2024年2月25日，星期天138第138页,共170页，2024年2月25日，星期天139用放掉增压空气的办法也可以达到同样目的。但从效果来看，放掉一部分排气比放掉一部分增压空气更有利。可是不管怎么说在柴油机高负荷下运行，放掉一部分排气总会降低涡轮增压器的效率，但对于车用柴油机高负荷运行时间不长，因此还是有效的。第139页,共170页，2024年2月25日，星期天1401采用匹配方法。2表示在排气放气情况下，可在较大的平均有效压力范围内具有最高扭矩储备。3是采用可调喷嘴环面积措施，得到最好的效果。但结构复杂。且喷嘴环在高温下工作，必须在喷嘴叶片安装环间留有较大径向间隙。当柴油机转速下降，排气温度降低，径向间隙间出现严重漏气现象，恶化叶栅中的流动状态，使涡轮效率明显下降，只在特殊场合下应用。

第140页,共170页，2024年2月25日，星期天1412.采用复合增压提高扭矩特性

通过利用内燃机进气管中的不稳定流动，回收进气过程中加速气流的大部分动能，这对涡轮增压柴油机特别有利。

第141页,共170页，2024年2月25日，星期天142包括谐振管的谐振系统与柴油机的进气管相连接。为了更好地利用不稳定流动，将进气相位互不重叠的气缸组成一个谐振系统，把六缸柴油机分两组，亦即用两个独立的谐振系统，它们通过稳压箱同涡轮增压器相连。第142页,共170页，2024年2月25日，星期天143谐振系统由谐振室和谐振管组成，气缸的进气频率越接近固有率，压力波动就越强烈，两个频率相同时就产生共振。共振时，活塞在前半部进气冲程中所做的功转化为谐振管中的动能；在后半部进气冲程中，这个动能使气缸的进气管内的压力升高，在正压力波的作用下，气缸内的气体压力要高于涡轮增压器出口压力，使充气效率提高。

由于利用进气管内空气的波动，在等于和低于共振转速的整个转速范围内柴油机的充气效率提高，改善其扭矩特性。

第143页,共170页，2024年2月25日，星期天144复合增压的主要性能：

充气效率和供气量更接近于车用柴油机的工作要求。

在车用柴油机工作转速范围内，泵吸损失减少，使比油耗比一般增压低。柴油机在一个较小的空气流量范围内工作，从而使柴油机和涡轮增压器更好的匹配。

第144页,共170页，2024年2月25日，星期天145补充三：车用增压柴油机的热负荷及解决途径

车用增压柴油机的热负荷问题增压柴油机，其新鲜充量的温度是压气机出口温度的函数，比非增压高，即使是低增压度，也要高60一80℃。压缩始温的增加，造成工作循环各特征点温度的相应提高。同时，循环供油量增加以后，固然用于转变为有用功的热量增加。但与此同时，损失的热量也增加。这表现在机油温度、冷却水温度及排气温度显著提高。这对柴油机和涡轮增压器都存在热负荷过大的问题，会出现气缸盖“鼻梁骨”断裂、燃烧室镶块烧裂、活塞环烧结、卡死、活塞烧裂等现象。涡轮转子也会因热负荷过大而损坏，如密封环烧结、叶片变形等。随着增压度的提高，热应力问题更加突出。在增压匹配试验中，如何解决热负荷过大是极其重要的一个问题。增压内燃机的热负荷表现形式很多，比较集中地反映在排气温度上。第1