第四章柴油机增压及中冷技术

1、4.2 柴油机增压、中冷柴油机增压、中冷 4.2.1 内燃机增压的基本知识内燃机增压的基本知识 4.2.2 柴油机增压、中冷柴油机增压、中冷 4.2.1 内燃机增压的基本知识 v广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密 度的一切方法，都称为增压。 v增压的范围（按增压压力pc大小） 低增压： pc0.35MPa（内燃机平均有效压力pe2.0MPa）。 v增压的方式：恒压、变压（脉冲）恒压、变压（脉冲） 恒压涡轮增压内燃机热力循环 v等压涡轮增压内燃机热力循 环由12 3 3 4 1和燃气轮机循环7 1 5 6 7组成。 v涡轮增压内燃机热力循环热 效率： 为压气机的压缩比； 2 1

2、 1 V V 为初膨胀比； 5 6 V V 为后膨胀比； 6 7 V V 为内燃机压缩比； 4 3 2 V V 为压力升高比； 4 5 p p ；为增压内燃机总增压比 210 )1() 1( 1 1 0 1 k k k i 变压（脉冲）涡轮增压内燃机热力循环变压（脉冲）涡轮增压内燃机热力循环 v与等压涡轮增压热力循环不同， 变压涡轮增压内燃机气体从状态 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， 进入变压涡轮前气体压力在p4与 p4之间变化。如不计气体流动摩 擦损失，气体在涡轮中的膨胀从 开始排气时的p4p5到最后p1 p5。 v内燃机的等容放热过程41可看 成为涡轮的等容加

3、热过程14， 然后为气体在涡轮内的等熵膨胀 45。56为等压放热。61为 其他在压气机中的等熵压缩。 内燃机增压的优缺点内燃机增压的优缺点 v改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。 v增加了发动机的比功率； v扩大了内燃机高原适应性： v有利于降低有害气体的排放。 v增加了柴油机的机械负荷； v增加了柴油机的热负荷。 v增加了发动机的体积 优点：优点： 缺点：缺点： 内燃机增压的类型内燃机增压的类型 v按照实现增压所提供的能量可分： 机械增压； 废气涡轮增压； 气波增压。 康明斯增压发动机局部解剖图 机械增压 v机械增压增压压力高，压气机消机械

4、增压增压压力高，压气机消 耗的功率大。为使内燃机机械效耗的功率大。为使内燃机机械效 率不要过分下降，增压压力不能率不要过分下降，增压压力不能 过高。过高。 v主要用途：提高发动机低速扭矩主要用途：提高发动机低速扭矩 机械增压的种类 v机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机上 常用容积式压气机： 罗茨式； 螺杆式； 转子活塞式。 气波增压气波增压 v气波增压是通过气波增压器利用气波增压是通过气波增压器利用 气体质点和压力波的反射特性，气体质点和压力波的反射特性， 使排气和进气之间进行直接的能使排气和进气之间进行直接的能 量交换，以增大进气密度。量交换，以增大进气密度。 v气波增压对内

5、燃机工况反映迅速，气波增压对内燃机工况反映迅速， 使气波增压的加速性好，且低速使气波增压的加速性好，且低速 时空气的压缩程度高，低速扭矩时空气的压缩程度高，低速扭矩 好。工作温度低，不需要耐高温好。工作温度低，不需要耐高温 材料。但体积大，噪声大，安装材料。但体积大，噪声大，安装 位置受到一定限值。匹配要求高，位置受到一定限值。匹配要求高， 防止窜烟。防止窜烟。 废气涡轮增压 v废气涡轮增压利用内燃机排气中废气涡轮增压利用内燃机排气中 能量来实现增压，比机械增压经能量来实现增压，比机械增压经 济性好，比非增压自然吸气式内济性好，比非增压自然吸气式内 燃机燃油好率可低燃机燃油好率可低5%10%。

6、 v质量功率和体积功率比非自然吸质量功率和体积功率比非自然吸 气内燃机明显改善，因而在内燃气内燃机明显改善，因而在内燃 机上得到广泛应用。机上得到广泛应用。 废气涡轮增压的分类 v废气涡轮增压器主要由压废气涡轮增压器主要由压 气机和废气涡轮组成。气机和废气涡轮组成。 v压气机主要是离心式的。压气机主要是离心式的。 v废气涡轮分：废气涡轮分： 轴流式；轴流式； 径流式；径流式； 斜流式（混流式）。斜流式（混流式）。 v由于内燃机排气能量利用由于内燃机排气能量利用 的不同，有两种经典的、的不同，有两种经典的、 基本的增压形式：基本的增压形式： 脉冲涡轮增压；脉冲涡轮增压； 等压涡轮增压。等压涡轮增

7、压。 双增压器顺序增压双增压器顺序增压 v多缸发动机上使用两台增压器。多缸发动机上使用两台增压器。 v在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反映性在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，改善低速反映性 能。能。 v在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。 4.2.2柴油机增压、中冷新技术柴油机增压、中冷新技术 v双增压器顺序增压；双增压器顺序增压； v可变进气道增压器；可变进气道增压器； v可变喷嘴环增压器；可变喷嘴环增压器； v可变涡轮喉口截面增压器；可变涡轮喉口截面增压器； v可变叶片增压器；可变叶片增压器；

8、 v废气放气增压器；废气放气增压器； v进气回流增压器；进气回流增压器； v射流涡轮增压器；射流涡轮增压器； v斜流涡轮增压器；斜流涡轮增压器； v增压中冷技术。增压中冷技术。 双增压器顺序增压布置 双增压器顺序增压气体流动与增压效果 可变进气道增压器 v低速时使用一个进气 通道；高速时，进气 量大，使用两个通道， 可以改善增压发动机 的过渡性能。 可变进气道增压器性能 可变喷嘴环增压器 v通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮流通截面。 v各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上，再经传动杆3与喷嘴控制盘4相连。 转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。 v低速时，喷嘴角度小，流通截面小

9、；高速时喷嘴角度大，流通截面能保 证涡轮从废气中获取足够能量达到压气机的需求。 变截面涡轮增压器工作原理 v通过一个活阀改变喷嘴的面积，进而改变不同转速的增压压力匹配。 v仅用一个活阀就可改变涡轮进气截面，非常紧凑，效率偏低。 日产公司射流 涡轮增压器 可变喷嘴环增压器特性 v左图中是喷嘴环角度以此 减小的情况。随着内燃机转速下 降，压气机的增压压力不但没有 下降，反而提升到高转速水平， 从而保证增压内燃机的低速性能。 v可调喷嘴环用于增压器与内燃机 的高速匹配。通过可调喷嘴环改 善低速性能。 变截面涡轮增压器变截面涡轮增压器VGT或或VNT 可变涡轮喉口截面增压器 1.压气机；2.可变喉口截

10、面调整板；3.调整板及调整机构；4.操纵机构； 5.操纵机构控制电磁阀；6.涡轮；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面 低速 高速 可变涡轮喉口截面增压器工作原理 v可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变进入 涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉 口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片上的冲击 力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增压压力增加， 从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内燃机在高速大负 荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时喉口截面处于最 大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。 v可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整。 可变叶片增压器 v可变喷嘴

11、环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）的变化，来调整增 压压力与发动机转速负荷的匹配关系。 v多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积大。 三菱多阀VG增压器 本田可变叶片增压器 废气放气增压器 v车用增压内燃机为获得低速 大扭矩和良好的加速性能， 涡轮增压器一般按内燃机低 速、小流量设计。 v轿车用增压器设计转速为内 燃机标定转速的40%左右。 v公共汽车、重型车用的增压 器设计转速为内燃机标定转 速的60%左右。 v高速时，将会使增压压力过 高，增压器超速，柴油机爆 发压力过大，汽油机容易引 起爆震。 v为此，设计增压器常增加废 气放气阀，在高速时将一部 分废气旁通掉，加以控制增 压

12、压力。 废气放气增压器工作原理 v废气门3与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机1的排气管上。废气门的 阀门固定在膜片上，膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机 出口的增压空气相通。平时，弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机 排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。 v一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打开，一部分废 气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡轮作功减小，空气的增压压 力回落，以实现空气增压压力的自动调节。 进气回流增压器 v为避免由于负荷突变及环境变 化而使压气机出现喘振而损坏 增压器，在增压器的压气机进 口装上整体式的回流阀。 v当进气管压力低于某一值

13、时， 作用在回流阀上的进气管压力、 弹簧压力和压气机出口的空气 增压压力不平衡，回流阀顶开， 压气机出口的空气通过回流阀 和回流通道进入压气机进口， 以增加通过压气机的空气量。 斜流涡轮增压器 增压中冷技术 v增压空气温度增加，在柴油机中引起增压条件下进气密度减小， 即在保持不变过量空气系数下，意味着功率下降，不然需要进 一步提高增压压力，但柴油机机械负荷又要增加。虽然气缸内工 质温度提高有利于柴油机的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的热 负荷增加，排温过高，NOx增加。汽油机中增压温度升高，除与 柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。 v一般，当增压空气的压力超过0.15MPa时，就值得

14、采用中冷。 v解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后的空气。 v增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低20K，燃 油消耗率可减少3g/kW.h。 增压中冷方案增压中冷方案 v闭式空水中冷：中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系统中的循环水。闭式空水中冷：中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系统中的循环水。 该方案结构与布置简单，但不能将增压空气温度冷却较低。该方案结构与布置简单，但不能将增压空气温度冷却较低。 v分开式空水中冷：中冷器采用独立的冷却介质。该方案可提高中冷器分开式空水中冷：中冷器采用独立的冷却介质。该方案可提高中冷器 的冷却效率，能较低地降低空气地温度。结构要复杂些，布置上会增加的冷却效率，能较低地降低空气地温度。结构要复杂些，布置上会增加 难度。难度。 v共用冷却风扇空空中冷：中冷器装在内燃机冷却系水散