第十三章廢氣渦輪增壓發動機能發出的最大功率受汽缸內能燃燒的燃料的限制就可以容納更多的穎充量，從而可以供給更多的燃料，得到更大的輸出功率。依據提高進氣密度增加功率的設想，早在1905年，瑞士的艾爾弗萊德·布奇(AlfredBiichi)就提出了渦輪增壓方案，并進展了早期的柴油機定壓增壓及脈沖增壓系統試驗，1925年取得成功并獲得專利。此后瑞士的布朗·保弗利(BrownBoveri)公司在船用發動機輪范圍寬，能滿足車輛發動機變工況的要求。而且還要求構造簡潔，體積小，質量輕，造價低2050機40％一60％，甚至更多，3MPa。增壓技術特別是增壓中冷技術，被視為提高車用發動機動力性、經濟性及降低排放的有效措施。§13—1 發動機增壓的根本概念及增壓類型一、發動機增壓的根本概念1．增壓是提高發動機升功率的有效措施提高發動機功率特別是升功率是提高車用發動機性能的重要途徑發動機有效功率的表達式為： ．戶’牛巍嚴 (13—1)式中只——有效功率；Pm*--平均有效壓力；Vh--汽缸工作容積；i——汽缸數；n——轉速；，——沖程數，四沖程t：4，二沖程f’2。發動機升功率為：PL‘號lien” (13—2)由升功率的定義可以看出，升功率越大，發動機的強化程度越高，發出肯定有效功率的動機的尺寸越小，它是評定發動機動力性能和強化程度的重要指標之一。提高發動機升功率有三個途徑：承受二沖程；提高轉速；提高平均有效壓力。承受二沖雖然能提高發動機的有效功率，但由于經濟性差、熱負荷高等缺點，在車用發動機中不能到廣泛應用。而提高轉速也會帶來運動件慣性增大、燃燒過程惡化等問題。因此，提高平有效壓力是提高升功率的切實可行措施。由發動機的能量轉換過程，平均有效壓力可以表示為：增壓就是利用專用的裝置(增壓器)在進氣過程中承受強制的方法將穎充量送人汽，使其進氣量大大高于自然吸氣的進氣量，從而大幅度提高發動機的平均有效壓力。因，增壓不僅是目前發動機提高升功率的最切實可行的方法，而且也是高原低氣壓地區的發機防止因空氣淡薄而導致功率下降，燃油消耗率上升的最有效措施。增壓柴油機的不功圖增壓度與壓比 ．發動機增壓后，其功率提高的程度稱為增壓度。增壓度用丸。來表示：Az—Pek’耙*Pa)· (13—4)式中Pekmek＼psk--增壓后的發動機功率、平均有效壓力及進氣密度；戶小PmeO、p~o--未增壓時發動機功率、平均有效壓力及進氣密度。壓氣機出口壓力稱為增壓壓力，用戶dc表示，它與壓氣機的構造、尺寸、轉速及效率等有關。壓氣機出口壓力PskKk表示，即丌kPsk (15)3．5以上。增壓比直接影響進入發動機汽缸的進氣量Psk進入發動機汽缸內氣體的進氣密度也越大。增壓比的選取取決于應用對象。總的來說，增壓技術對發動機的性能有三個根本的作用：即提高升功率、改善經濟性及降低排放。汽車發動機的設計者一般著眼于合理的功率密度、低排放和最正確拱油經濟性，所以選取的壓氣機壓比一般不高，在2．5以下，尤其是車用汽油機一般承受較低的壓比。而賽車和軍用車輛的設計者追求的是最大限度的功率輸出，因此這一類發動機承受增壓器的壓比較高。二、增壓的根本類型1。按增壓比的不同分類按發動機增壓比不同可分為四種增壓類型： ·(1)低增壓，吼<1．6，對應的戶。二0．7～1．0MPa； ‘(2)中增壓，1．6<gk<2．5，對應的戶me二1．0～1．5MPa；(3)高增壓，2．5<xk<3．5，對應的戶In。二1．5MPa以上；(4)超高增壓，丌k>3．5。車用柴油機多為低增壓，局部為中增壓；車用汽油機一般承受低增壓。2．按驅動壓氣機的動力源分類依據驅動壓氣機的動力源不同，發動機的增壓可以分為機械增壓、廢氣渦輪增壓及復合增壓三種類型：機械增壓機械增壓見圖13—2a(壓氣機)，實現對進氣的壓縮。其主要優點是發動機與壓氣機的匹配較好，加速響應性較佳，且對排氣無干擾；缺點是傳動簡單，且消耗發動機功率使燃油消耗率上升，主要用于增壓度不高的發動機。廢氣渦輪增壓壓氣機與渦輪同軸聯接，構成渦輪增壓器。見圖13—2b所示。利用排氣過程中所排出廢氣的剩余能量來帶動壓氣機，實現增壓。由于利用了廢氣的能量，不僅使發動機的功率上升，燃油消耗率下降，改善了經濟性，而且有利于降低有害排放和噪聲；增壓器與發動機只有管道聯接而無剛性傳動，使構造大大簡化。復合增壓 ，復合增壓見圖13—2c，它利用上述兩種增壓方式聯合工作。綜合了兩種增壓方式的優點，高速時利用渦輪增壓，啟動時利用機械增壓，因此低速、低負荷時仍能保證肯定的增壓壓力，主要應用于大型二沖程柴油機。由于廢氣渦輪增壓的突出優點，目前車用發動機的增壓大多承受這種類型。§13—2 廢氣渦輪增壓的工作原理一、廢氣渦輪增壓的工作原理廢氣渦輪增壓器的工作原理如圖13—3所示。廢氣渦輪增壓器由渦輪和壓氣機兩局部組成。渦輪3置于渦輪殼4內，壓氣機葉輪8置于壓氣機殼9內，渦輪與＼ -5相連，進氣管與壓氣機的出口相連。在排氣過程中，仍有肯定壓力的高溫廢氣由排氣管1經渦輪殼中的23，由于噴嘴環是收縮形的，廢氣在其中連續膨脹，壓力和溫度下降，而氣流速度快速上升，廢氣在噴嘴環中按肯定方向高速噴出，推動渦輪高速旋轉，膨脹作功后的廢氣由軸向的出口排出。在渦輪高速旋轉的同時，也帶動壓氣機以同樣的速度轉動。經過濾清的空氣由軸向被吸人壓氣機殼內，高速旋轉的壓氣機葉輪將吸人的空氣甩向葉輪邊緣，使其壓力與速度提高，被提高了壓力和速度的7(進口小、出口大)使壓力進一步提高而速度下降。由于壓氣機的環形渦殼斷面也是由小到大，空氣由渦殼9處流出壓氣機時，壓力連續上升，這些壓力較高的空氣經由發動機進氣管進入汽缸，由于經過擴壓，進入汽缸的空氣密度有較大的提高。由于壓氣機所消耗的功率完全由廢氣渦輪供給，不需消耗發動機本身的功率，從而提高了發動機的機械效率。在非增壓柴油機上經簡潔改裝承受廢氣渦輪增壓措施后，其功率可提高30％～50％，燃油消耗率可降低5％左右。另外，由于工作循環溫度較高，使燃燒過程進行得比較完善，廢氣中的有害排放物含量下降，削減了排氣污染由于發動機與廢氣渦輪增壓器聯合工作時能量傳遞的特點，使增壓發動機的加速性及轉巨特性不如非增壓發動機。隨著渦輪增壓器向小型化和輕量化進展，以及增壓器與發動機的)。理匹配，目前在增壓度不高時(戶me<1MPa)，上述問題可以得到較好解決。二、廢氣渦輪增壓的形式廢氣渦輪增壓的根本形式渦輪增壓器依據其能量的利用方式可分為定壓增壓與脈沖增壓兩種根本的工作方式，見13——4。定壓增壓這種增壓系統的特點是把發動機全部汽缸的廢氣都集合到一個排氣管中，然后再導人廢[渦輪的整個噴嘴環，由于排氣總管截面和長度(即排氣管的容積)較大，起到穩壓箱的作I，同時各缸排氣相互交替補充，使得排氣管中的壓力波動很小，進入渦輪前廢氣的壓力基；上恒定，故稱為定壓增壓。這種增壓方式由于排氣總管中有渦流損失，脈沖能量幾乎消耗}盡，不能將廢氣能量全部利用，而是利用廢氣在渦輪中的膨脹功，并且由于渦輪前的壓力：化比較緩慢，加速性能比較差，特別是在低增壓時，排氣能量利用程度差，加速性能不＼但這種增壓系統的排氣管構造簡潔，并能保證渦輪有較高的效率，一般應用于高增壓柴I機。脈沖增壓I匝序分成幾個單獨的分支，使排相位互不重疊的汽缸組成一組，每組汽缸的爿汽被導人—個細而短的排氣總管后進人渦輪。排氣管分支后，各汽缸的排氣壓力波相互干擾削減，且排氣管的容積較小，渦輪前的氣：參數脈動較大，當發動機負荷變化時，排氣管中的壓力也能快速反響，使進人渦輪的廢氣量隨之變化。這樣，渦輪增壓器可隨發動機負荷的變化而做出相應的反響，有利于改善發機的加速性能。另外，承受脈沖增壓，排氣阻力比定壓增壓系統小，利于汽缸的掃氣，提了充量系數。但由于脈沖增壓系統的渦輪前排氣溫度和壓力都是周期性脈動的，進人工作輪葉片的排氣流淌方向也周期性地轉變，使氣流的撞擊損失增大，有時還存在著渦輪機的分進氣現象，因此渦輪的效率比定壓增壓系統低。實踐證明當壓比不超過1．6—1．8時，廢氣的脈沖能量可以得到最有效的利用。因此，(高于2．5)時，承受脈沖增壓所得到的能增益不多，但考慮到對于高增壓發動機在局部負荷時，脈沖增壓系統仍舊具有能量利用率、發動機反響靈敏等車用發動機所期望的優點，因此，局部增壓度較高的發動機改聾其轉矩特性及加速性能，仍常承受脈沖增壓系統。對于四沖程發動機，排氣門開啟至關閉約連續240‘CA，而且在排氣末期與進氣門有氣：]重疊，以便于進展燃燒室掃氣，只有使排氣管內保持完整的排氣脈沖波，才能更好地利用麥氣能量及改善掃氣條件。因此，在設計脈沖增壓對排氣管進展分支時，應使發火間隔相差140‘CA以上的各缸排氣管連在一起。一根排氣管所連接的汽缸數目可以是兩缸或三缸。更多汽缸的排氣管連接在一起將會由于排氣重疊而使脈沖增壓系統接近定壓增壓系統。脈沖轉換增壓與多脈沖增壓系統如上所述，在發動機增壓度較低時，常規的脈沖增壓系統具有突出的優點，尤其是當汽虹數為3的倍數時，承受常規的脈沖增壓方式尤為有利，盡管汽缸數增加后會導致渦輪人口牧目的增加。但當汽缸數不再是3的倍數且照舊承受脈沖增壓方式時，為了防止排氣干預，不得不增加排氣支管的數目，以至于消滅兩缸或單缸直接排人一根排氣管的現象，特別是在噌壓度較高時，缺陷尤其嚴峻。主要問題如下：①排氣能量利用不好。由于在每一缸排氣時，其他缸已完全完畢排氣，排氣支管內的排氣可能已充分排空，氣體流經氣門的節流損失很大，尤其在增壓度高時更為突出。②排氣管內壓力波動大，撞擊損失顯著增加，渦輪效率下降。③不利于渦輪的牢靠性。渦輪葉片所承受的周期性沖擊增加，導致其振動加劇，渦輪的牢靠性及使用壽命均受到影響。④為了適應多人口要求，渦輪的進氣道較為簡單，體積與尺寸隨之增大。為了解決上述問題，幾種型的增壓系統應運而生，這就是脈沖轉換增壓系統、多脈沖轉換系統及模塊式脈沖轉換系統。脈沖轉換增壓系統脈沖轉換增壓系統試圖將脈沖增壓與定壓增壓系統的優點結合起來，以滿足汽缸數3的倍數的發動機之需。它主要針對4、8、16等汽缸數的發動機設計的，要求把發火間隔為360‘的兩個汽缸連接到同一根排氣支管，并與另一根排氣支管通過脈沖轉換器連接到渦輪的一個人口，即每一個脈沖轉換器通過兩個排氣支管與四個汽缸相連，如圖13—5。由圖13—5可以看出，脈沖轉換器分為噴管(收縮段)、混合管、擴壓管(漸擴段)及穩壓箱等幾個主要局部。其根本原理是：各缸排氣脈沖首先到達噴管，氣流加速而壓力降低，排氣均壓能轉換為動能，并在混合管中混合，各股脈沖氣流的能量相互交換，到達流速平衡。然舌，在擴壓管中氣流的動能又變為壓能，隨后流人穩壓箱，最終通過一個人口進入渦能量。這樣，脈沖轉換器在能量傳遞效率方面優于定壓系統，且在渦輪效率方面又優于脈沖系統。(動能變為壓能)損失及減小脈沖轉換器的體積，常將其構造簡化，稱為簡化的脈沖轉換器(圖13—5b)。多脈沖轉換系統脈沖轉換增壓系統雖然能夠利用脈沖能量，但仍舊存在排氣脈沖能量損失較大及壓力波反射干擾掃氣等問題，尤其在轉速變化時，問題比較突出。多脈沖轉換系統是在脈沖轉換增壓系統根底上實現的，它主要靠應用大的噴嘴環出口截面積，使壓力波幾乎不反射，或盡量減弱反射壓力波，因而前一缸的掃氣順當進展。同時，由于各個排氣支管在多脈沖轉換器的混合管中混合，然后與渦輪進口相連，可實現全周進氣，渦輪效率得到提高?！?3)模塊式脈沖轉換器系統MPC(ModularPulseConverter)是多脈沖系統的進一步進展，它兼顧了多脈沖系統和定壓系統的優點。有用的MPC系統是一種串接式的排氣管系統，如圖13—6所示。每個汽缸在其排氣出口處接一個模塊，模塊由引射器和圓柱體兩局部組成，引射器為收縮狀的噴嘴，以肯定角度與圓柱體相交，另一端與相應汽缸的排氣道連接。各個模塊的圓柱部分連在一起，構成排氣總管(圖13—6b)，一端封閉，另一端通向渦輪進口，向渦輪定壓供氣。MPC的工作原理懇：各缸排氣流人引射器并在其中加速，使排氣總管的氣流具有較高的速度，但壓力下降，利于降低壓力波動。并且由于各引射器出口的動能傳遞給總管內具有肯定速度的氣體，使氣體的加速度沿排氣管不斷增加，流人渦輪進口，能量利用率高，且阻止了壓力波的產生。引射器本體容積較小，可在排氣支管和總管間起到動力隔離作用，抑制了壓力波通過總管干擾各缸排氣。由于全部汽缸連到一根總管上，可承受全周進氣的渦輪，渦輪效率也得到提高。§13—3 廢氣渦輪增壓器構造13—7K27型廢氣渦輪增壓器的構造。廢氣渦輪增壓器由壓氣機、渦輪及中增壓器的綜合效率應能到達該增壓器所能到達的最正確值。在正常狀況下，綜合效率越高，則空氣的質量流量越大、排溫越低。渦輪增壓器應保證在發動機的各種工況下都能穩定、牢靠、高效率地工作?！τ谲囉冒l動機，還要求渦輪增壓器具有較好的變工況響應特性，發動機的外特性有足夠的轉矩儲藏、轉速儲藏及瞬態加速響應性能。二、增壓發動機的構造特點為了適應廢氣渦輪增壓的需要，發動機的構造與工作參數要進展適當的改動。壓縮比為了降低爆發壓力，增匝發動機應適當地降低壓縮比。尤其是汽油機，增壓更容易產生爆燃，因此，降低匝縮比是比較普遍的選擇。過重至氣糸數為了降低發動機的熱負荷和排氣溫度，改善經濟性，一般增壓柴油機的過量空氣系數比1030％。供油系統由于燃料供給量加大，柴油機需加大每循環供油量。為保證供油持續期根本不變，常用方法是增大柱塞直徑并加大噴孔直徑，以增加供油速率。又由于壓縮終點壓力和溫度提高，相應地提高噴油壓力，減小噴油提前角。汽油機增壓后，燃油供給裝置及點火系統也要相應調整。進、排氣系統 ；配氣相位 ；因增壓發動機熱負荷加大，應合理加大氣門重疊角，利用增壓空氣增加汽缸掃氣，降低；氣門、活塞等部件熱負荷。由于掃氣增加，排氣溫度降低，渦輪的工作條件得到改善；同時‘由于廢氣掃除徹底及進氣溫度降低，使充量系數提高。但當增壓壓力較高及承受進氣中冷技術時，氣門重疊角則與非增壓差不多。進、排氣偕進、排氣管的設計與增壓器的使用要求全都。增壓發動機的進氣管容積期望大一些，以削減進氣壓力脈動，提高壓氣機效率和改善發動機性能。曲柄連桿機構由于增壓柴油機的機械負荷與熱負荷增大，承受機械負荷的曲柄、連桿等零件在強度上相應加強，對熱負荷增大的零件，如活塞等，應加強冷卻。三、增壓空氣中冷承受中冷技術是進一步提高增壓發動機功率，改善性能的有效措施。將增壓后的空氣冷卻，一方面可進一步提高進氣管內空氣的密度，提高發動機功率；另一方面，可降低發動機壓縮始點的溫度及整個循環的平均溫度，從而降低發動機的排氣溫度、熱負荷及NOx排敖。依據試驗數據，增壓空氣每降低10C，發動機的功率大約可提高2．5％，燃油消耗率下降5％，排氣溫度叮降低30C左右。另外，承受空氣中冷后還能削減冷卻水帶走的熱量，因而