涡轮增压发动机气体动力循环分析

涡轮增压内燃机军体动力循环分析

随着汽车产业的不断开展，汽车已经成为百姓普遍的交通工具，2013年

中国汽车保有量已到达了1.37亿辆，然而，汽车的不断增加一方面极大地消

耗着化石能源同时也为环境带来了污染，因此为了在发动机高输出功率、低尾

气排放和燃油经济之间寻找到平衡点，涡轮增压汽车发动机孕育而生。

1961年，瑞典萨博汽车公司成为了第一家把涡轮增压器成功批量应用到

汽车产品上的汽车制造商。配装涡轮增压发动机的萨博99车型，在1969〜1984

色间销售量高达近59万辆，足以显示市场对该技术的肯定，至此，汽车发动

机在应用涡轮增压技术上，真正走向成熟，宣告了汽车产业一个新时代的诞生。

在欧洲，2010年车型已到达61%的应用了涡轮;曾压技术，预计到2015年，该

技术在欧洲市场的增长幅度将达77%,2020年将到达85虬在中国轻型车中，

约17%应用了涡轮增压技术，出于能源、环保方面的考虑，涡轮增压技术在中

国的增长速度会非常快，预计汽油机应用的比例到2015年将到达34%,2020

生将到达67%。因此，涡轮增压发动机成为未来汽车产业开展的必然趋势，我

们小组将就涡轮增压发动机的结构特点与动力循环等方面进行全面的学习和

分析。

与传统汽油发动机相比，涡轮增压发动机体积更小、质量更轻，却拥有更

好的动力输出及更为清洁的排放。其配置的涡轮增压器实际上就是一个空气压

缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带

动同轴的叶轮，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。

当发动机转速加快，高速的废气推动涡轮提速，废气排出速度与涡轮转速同步

加快，空气压缩程度得以加大，发动机的进气量就相应地增加，气缸内燃烧更

充分，动力输出就更高。

涡轮增压的发动机可在不增加发动机排量的根底上，大幅度提高发动机的

功率。非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮增压发动

机由涡轮增压器向发动机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多所以允许喷

入较多的燃油使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台

尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率或者说一台小排量发

动机经增压后可产生与较大发动机相同的功率。其它还有节约燃油和降低排放

等优点。由于涡轮增压器为发动机提供了更多的空气燃油在发动机气缸里燃烧

时会燃烧得更充分、更彻底。发动机进气管的空气保持正压力对发动机也有好

处，当发动机进排气门重叠开启时新鲜空气吹入燃烧室去除所有残留在燃烧室

早的废气同时冷却气缸头、活塞和气门。一般而言，加装废气涡轮增压器后的

发动机功率及扭矩要增大20%-30吼

为了更加深入研究涡轮增压内燃机的工作，我们将对其动力循环进行分析。

等压涡轮增压内燃机的理想循环

7-1压气机中的绝热压缩过程;

1-2气缸中的绝热压缩过程；

2-3,定容加热过程；

3'-3定压加热过程；

3-4绝热膨胀过程；

4-1定容放热过程；

1-5定压加热过程；

5-6涡轮中的绝热膨胀过程；

6-7涡轮中的定压放热过程；

图为等压涡轮增压内

燃机热力循环。它由内燃机根本循环If2f3，f3f4fl和涡轮循环7—If

5-6-7组成。压气机将气体从状态7（大气压力"）等焰压缩到状态1（压

力为之后进入内燃机。按内燃机热力循环到达状态4。气体在排气过程进

入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、

涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。气体从4-5

这局部能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。气体在

等压涡轮中从状态5等烙膨胀到状态6,然后排入大气。

定压涡轮增压内燃机的理想循环效率:

脉冲涡轮增压内燃机的理想循环

6-1绝热压缩（压气机）过程;

1-2绝热压缩过程；

2-3'定容加热过程；

3,-3定压加热过程；

3-4绝热膨胀过程（气缸）；

00

4-5绝热膨胀过程（涡轮）：

5-6定压放热过程；

图示为脉冲泯轮增压内燃机的等容放热过程4-1可看成为泯轮的等容加

热过程1-4，然后为气体在涡轮内的等端膨胀4-5。5-6为等压放热过程。

6fl为气体在压气机中的等焙压缩过程。与等压涡轮增压内燃机热力循环不

同，变压涡轮增压内燃机中气体从状态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，进入变压涡轮前的气体压力在“与分之间变化。

如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的%

到最后的PLP5Q

脉冲涡轮增压内燃机的理想循环效率：

虽然现如今涡轮增压发动机有很多优点但仍存在以下缺乏：

低速转矩性能变差

一般涡轮增压发动机在低速段转矩性能很不理想，影响了车辆的加速性能

及爬坡能力，其主要原因是由于低速时发动机排出的废气能量低，增区器增压

压力不高，致使循环供气量缺乏，转矩增量明显比高速时低。

加速性能变差内燃机对负荷与转速的迅速响应，对车辆行驶的平安性、经

济性都是有利的。可是由于废气涡轮增压器与内燃机没有机械联系，增压器自

身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差，因此，增压内燃机的加速性能比非

增压的要差，在加速过程中增压压力上升缓慢，使内燃机转速及平均有效压力

增加都要经历一段相当长的时间过程，而且在加速过程中烟度也会增加，为防

12加速时冒烟，需要加装增压压力未到达规定值时的限制供油量的装置，因而

进一步延缓了整个加速过程。

启动有一定的困难

发动机启动时\因无高温废气，涡轮机无法正常工作，压气机也就不能正

常供气。增压发动机在启动瞬时的进气压力及温度均不高，再加上增后发动机

的压缩较低，使启动时压缩终点的温度降低，造成着火与启动困难。

综合以上研究，为进一步改善涡轮增压发动机的缺点并提高其热效率，我

们还总结了相关措施和方法。

中冷技术

中冷增压（又称增压中冷）就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却

器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压

温度下降到50C以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。当空气进入

涡轮增压后其温度会大幅升高，密度也相应变高，从而影响发动机的充气效率。

而中冷器正是起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器的冷却，再进入发动

机中，充气效率就会提高。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发

动机，那么会因空气温度过高导致发动机损坏甚至死火的现象。

高压共轨

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压

力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高区燃油输

送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力

大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变

化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大

小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

共轨技术主要有以下优点：高压共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同

工况口」确定所需的最止确喷射压力，从而优化发动机综合性能。可独立地柔性

控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa〜200MPa）,柔性控制喷油速率变

化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和屡次喷射，保证优良的动力性和经

济性。由电磁阀控制喷油，控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为

零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可

得到改善，从而减轻发动机的振动和降低排放。

可变几何涡轮增压器

通过改变导向叶片的转角位置来改变涡轮流通面积，进而控制增E器转速

和增压压力。发动机低速时，通过减小涡轮流通截面枳而使增压压力提高，从

而改善发动机的低速特性；在发动机高速时，逐渐增大涡轮流通截面积，使增

压压力比普通（截面不可调）涡轮增压器的增压玉力小，使增压器不至于超速,

发动机的爆发压力不至于过大，同时还不会损坏高速工况时发动机的经济性。

与此相类似的还有多涡轮技术，例如宝马3.0L涡轮增压发动机采用了双

涡轮技术，其原理是通过双压气扇叶涡轮增压器采用同一个涡轮驱动两组压气

扇叶，从而在一个涡轮增压器中实现了两个涡轮增压器的效果，一大一小两个

涡轮增压器来提升不同转速下的动力表现。

废气再循环系统

将发动机机产生的废气的一小局部再送回气缸。再循环废气由于具有惰性

将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的E力形成

过程放慢，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外，提高废气再循环率会

使总的废气流量减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR

系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都到达最正确状况，从而使

燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低c由于废

气再循环量的改变会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响，因此所谓的

最正确状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放到达最正确的方案

过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机

的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明

显地影响发动机性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，ECU

控制废气不参与再循环,防止发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、

负荷及到达一定的温度时，ECU控制少局部废气参与再循环，而且，参与再循

环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以到达废

气中的氮氧化物最低。

随着世界各国都制定越来越严格的排放标准，就对汽车排放进行了的限制,

汽车生产企业需要不断地进行技术改良，适应其标准。如果要到达欧I