柴油机增压技术现状

1、20142015学年第二学期汽车发动机原理课程论文柴油机增压技术现状学生姓名: 专业班级: 学 号:教师姓名: 目录1.前言12.柴油机增压技术的发展简史13.柴油机增压技术发展现状23.1惯性增压23.1.1可变进气系统研究33.1.2 共鸣进气系统的结构73.2气波增压及现状73.3机械增压93.3.1基本式机械增压103.3.2双螺旋式增压器113.3.3离心力式机械增压器123.4涡轮增压143.4.1 车用涡轮增压技术现状及发展趋势143.4.2涡轮增压系统183.4.3 现代化设计方法和制造技术方面203.4.4 新材料的应用方面203.5复合增压214.柴油机增压技术的发展前景与

2、展望214.1柴油机机械增压技术的发展前景214.2柴油机涡轮增压技术的发展前景224.2.1 柴油机涡轮增压器的发展趋势224.2.2柴油机涡轮增压系统的发展趋势234.3 柴油机增压技术的展望23参考文献241.前言柴油机面世以来，人们向来非常关心其动力性、经济性能等的提高，而增压技术则是目前广泛被人们采用的技术。增压技术可使柴油机在结构改变不大的情况下，功率、经济性能等有较大的提高和改善。增压技术提高内燃机进气压力来增加内燃机功率的措施。提高进气压力（又称增压压力）可增大进入气缸的空气密度，使供入气缸内的空气量增加。这样就可以燃烧更多的燃料，从而大幅度地提高功率，而且还能改善内燃机的燃料

3、经济性；若使增压空气受到冷却还能减少排气中的有害成分。内燃机在高海拔地区工作时，因大气压力低而充量不足，使功率下降。这时若用增压，可以提高进入气缸的空气压力，使内燃机功率得以增大。内燃机采用增压后,机械负荷和热负荷会增高,特别是在高增压时,过高的机械负荷和热负荷会使内燃机零件损坏,因此内燃机采用增压方法增加功率的程度就受到限制。至20世纪80年代初，高增压柴油机的功率比非增压柴油机功率高200以上。2.柴油机增压技术的发展简史自上个世纪20年代就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机 。 由于当时的技术水平和工艺、材

4、料的限制，还难于制出性能 良好的涡轮增压器，加上二次大战的影响，增压技术未能迅速普及。直到大战结束后，增压技术的研究和应用才受到重视。上世纪50年代，柴油机的增压度约为50%，四冲程机的平均有效压力约在0.70.8MPa之间，无中冷，处于一个技术水平较低的发展阶段。其后20多年间，增压技术得到了迅速的发展和广泛的采用。现在，国外车用柴油机60%以上为增压机型，车用汽油机采用涡轮增压或机械增压的机型也逐年增多。增压技术对内燃机性能的提高起了划时代的作用。3.柴油机增压技术发展现状按所用增压器的不同可分为惯性增压、气波增压、机械增压、废气涡轮增压、和复合增压。13.1惯性增压所谓惯性增压，就是利用

5、进气管道内气流的惯性效应来提高柴油机的充气效率以达到增压的一种装置。也就是汽车发动机原理一书中介绍的谐振进气与可变进气。很久以前, 人们就意识到进气系统的结构参数对往复式发动机的性能有很大影响。因此通过合理设计进气系统,充分利用进气系统中的不稳定波动,即利用进气管中的动力效应提高充量是一种简单而有效的方法。2谐振进气系统由进气过程互不重叠的三个气，缸和谐振管、谐振室以及分支管组成,当活塞位移产生的周期性吸气频率与谐振系统的固有频率一致时,进气流动发生共振。如果在进气后期,刚好有一正压力波进人气缸,从而使新鲜充量增加,则充气效率得到提高。3.利用谐振进气改善发动机的性能 由于各缸在进气过程中均会

6、产生气流波动,因此发动机进气系统中的气体波动是极其复杂的。在进气过程中, 由于活塞的吸入作用, 在进气门入口处所形成的负压波, 经支管到达支管开口处时, 遇到开口边界条件, 反射回一波形相反的正压波, 在该缸进气冲程后期增加进气。与此同时, 支管开口反射回一压力波,谐振管中的气体也会受到负压波的扰动,负压波经谐振箱、总管传至上游开口端, 再反射回来。支管入口处压力波形态取决于总管、外接管及上游耦合部件中复杂的气流波动, 故它不是自身负压波的简单反射, 而是由自身负压波、上游各部件中气体反射波以及来自各缸的负压波在此处叠加而成。当该缸下次进气产生的波与进气系统内残余的波动相位吻合, 各波合成效果

7、为正压波时, 则有利于后续进气, 使充量系数增加;若相位不吻合甚至相反, 则不利于进气, 充量系数降低4. 国内外开发出了多种可变谐振进气系统, 利用由谐振箱容积、谐振管的长度与直径以及共振箱容积调节进气系统固有频率, 使发动机在宽广的运行范围内有两个或多个谐振转速, 提高发动机充量系数, 提高发动机动力性能和经济性能。 研究发现，随着发动机使用工况的变化,进气系统应作相应的变动。研究发现，随着发动机使用工况的变化,进气系统应作相应的变动。国内外对采用可变进气系统,提高发动机动力性、经济性做了大量的研究工作，已经成功应用到高级轿车 上。资料显示可提高充量系数10%左右,降低油耗35g/kWh。

8、53.1.1可变进气系统研究现在的可变谐振进气系统大部分是通过机械式调整进气管长度的可变进气管长度谐振系统, 也有少部分其他形式的可变进气系统。它们都是通过电控系统使其在相应转速下迅速改变进气系统参数, 在不同转速下产生谐振, 提高发动机充量系数。分类：常用的可变进气歧管技术可分为可变长度进气歧管、可变截面进气歧管及共鸣进气三种技术，这三项技术都是利用进气歧管的几何设计来实现相同的目的。3.1.1.1可变长度进气歧管技术（1）无级可变系统进气管长度无级可变系统可以在内燃机的整个转速范围内提高充气效率, 但是存在着控制系统复杂、密封性差的问题。无级可变进气系统又可分为旋转式和伸缩式两种。旋转式无

9、级可变进气系统由可旋转的内腔件和固定的外腔件组成, 通过旋转内腔件可以调整进气管长度。如图1所示。图1伸缩式无级可变进气系统, 通过齿轮驱动齿条, 带动进气管伸缩, 以达到无级改变进气系统的目的。如图2所示。图2（2）有级式可变进气： 进气管长度分级可变系统如下图所示, 一般只在两个管长之间切换, 结构简单, 控制系统容易实现。但切换时发动机转矩容易下降。分级可变结构主要是通过阀门的开启和关闭, 从而使进气通过不同长度的通道, 通常在发动机高转速时使用长管, 在低转速时切换为短管。如右图所示, 德国生产的OpelAstra轿车用新型1.8L汽油机采用可变进气管, 其进气管有两个进气口, 分别使

10、进气走过长短不同的通道, 应用真空开关式节流阀控制管道长短的切换 20 。以保证在整个转速范围内形成一个丰满的扭矩曲线。在高负荷低转(2400r/min和3900r/min)时, 关闭真空开关式节流阀, 即“功率工况”进气口被关闭, 空气通过“扭矩工况”进气口进入发动机, 将288mm的短进气歧管转换成长度为621mm的长进气歧管, 在低转速下有较好谐振效果。发动机的扭矩曲线变化很大程度上受到进气歧管设计参数和凸轮轴配气定时的支配。如图3所示, 由于对进气歧管进行了优化设计,在3400r/min时就达到了170N m的发动机最大扭矩值, 较前者要好。从图中可见, 在5400r/min时就能达到

11、与前者一样的85kW功率, 最佳燃油耗值为242g/(kW h。6图 4三菱公司开发的6A12发动机, 奔驰车的V6、V8发动机的进气道也由长、短两个进气道组成, 高速和低速时, 分别使用短的和长的进气道。奥迪公司、本田公司等的轿车发动机也采用了类似的可变进气装置。如图5所示, 该套可变进气系统的谐振腔中装有一电磁阀, 通过电控系统根据发动机的运行状态对其进行控制, 通过电磁阀的开闭, 改变进气系统固有频率, 使其在宽广的转速范围内有良好的充气效果。 图 53.1.1.2 可变截面进气系统的结构目前，实现进气歧管的截面积可变也是通过机械调整方法实现，一般是控制阀门的开启和关闭，使进气经由不同通

12、道，从而改变进气截面，该系统在低转速区域关闭阀门，只从一个通道向各汽缸供给混合气，可提高向燃烧室通道口进气的流速，以提高填充效率；在高速区域则开启阀门，双通首供给混合气，从而减低进气阻力，提高填充效率。3.1.2 共鸣进气系统的结构目前共鸣进气系统可以进行两级调节和三级调节，图7 为日产VG30DE 型发动机的共鸣进气系统，该系统在发动机低速时，可变进气控制阀关闭，左右两个容器中的相位相反，产生240的周期性压力波，并在稳压箱中互相抵消，从而形成反射点；在高速时，可变进气控制阀开启，反射点却成为进气管连接通道的中心点，利用这种控制原理，使发动机获得两种共振效应，从低速区域到高速区域，提高了充填

13、效率，从而获得优异的动力性。7图63.2气波增压及现状气波增压技术是利用发动机的排气能量来提高发动机进气压力从而实现增压的目的。在气波增压器中, 柴油机排出的高温高压燃气与低压低温的空气直接接触时, 高压燃气对低压空气产生一压缩波, 使空气的温度、压力和烩值增加. 同时, 低压空气对高压燃气产生一膨胀波, 使燃气的压力、温度和烩值降低. 膨胀波和压缩波是在一个等截面的转子槽道中进行的, 而转子内几十个相同的槽道就为这两种气体之间的能量交换提供了必要条件. 当转子转动时, 槽道与空气定子和燃气定子的进、出气口周期性联通或关闭.这样便形成了一系列的压缩波和膨胀波.气波增压器内的能量交换就是通过这一

14、系列的压缩波和膨胀波来实现的. 8SOFIM柴油机气波增压研究：将SOFIM 涡轮增压中冷柴油机改造成气波增压中冷柴油机。匹配气波增压器的柴油机需重新设计进、排气管, 根据气波增压的要求, 采用进气均匀性更好、总管容积更大的进气管及中央出口渐扩式排气管, 采用变频电机优化增压器转子与曲轴间的传动速比, 使得在整个发动机工况内均能实现较高的增压比。试验结果表明, 气波增压柴油机的动力性和排放性能在低转速下优于原机, 在中高转速下比原机差,通过设计容量更大的进、排气管及进一步优化速比可改善气波增压柴油机在高工况下的性能。针对SOFIM 2 .5 L 涡轮增压中冷柴油机加速冒黑烟和NO x 排放较高

15、等问题, 采用国外先进的气波增压器匹配该柴油机使其成为气波增压柴油机。相同的柴油机匹配气波增压器后需要的进气量比匹配涡轮增压器要大。因此，必须重新设计进气管，在满足安装和空间布置的条件下适当增加总管容积和流通截面积。改善进气均匀性、减小流动阻力, 增加进气量。气波增压要求进入增压器的排气压力尽可能稳定，以免破坏增压器转子槽道内的压力波系, 考虑到安装和结构紧凑。采用渐扩式中央出口排气管。流出气缸的超临界气流在排气支管中进一步膨胀。并在进入总管之前以激波的形式实现动能到势能的转换。经总管稳压后进入气波增压器。发动机曲轴通过皮带驱动气波增压器转子。转子转速与曲轴转速之比为气波增压器的速比。为了使发

16、动机在各个工况下均能实现较高的增压比。需通过试验确定最佳速比,为了使速比调整方便, 采用变频电机调整转子的转速, 实现不同的速比。通过测量发动机进气量与速比间的关系。确定各个转速下的最佳速比。并综合得到整个运行工况的最佳速比。采用确定的最佳速比和改进的进、排气管与气波增压器匹配成为气波增压柴油机。其改进效果如下：(1)在低速区,气波增压柴油机的动力性和排放均明显优于涡轮增压柴油机, 可有效解决涡轮增压柴油机低速性能较差的问题。(2)气波增压柴油机的动力性、HC和烟度排放,在中速区,比涡轮增压柴油机稍差,在高速区则明显比涡轮增压柴油机差, 原因是排气管容积太小, 导致高速增压不足。(3)在整个转

17、速区间,气波增压柴油机的NOx排放比涡轮增压柴油机平均降低近50%,表明气波增压具有很强的EGR能力,而涡轮增压柴油机很难实现较高的EGR 率。9气波增压是使用发动机做功后尾气的动力，借助一系列由发动机带动的转子和定子的调节箱，直接将进气压缩输入气缸，但该种增压形式噪音很大，增压部件体积很大，通常只用于大型柴油机之上。所以民用汽车不常见。3.3机械增压 机械增压是指针对自然进气引擎在高转速区域会出现进气效率低落的问题，从最基本的关键点着手，也就是想办法提升进气歧管内的空气压力，以克服气门干涉阻力，虽然进气歧管、气门、凸轮轴的尺寸不变，但由于进气压力增加的结果，让每次气门开启时间内能挤入燃烧室的

18、空气增加了，因此喷油量也能相对增加，让引擎的工作能量比增压之前更为强大。 机械增压共分为3类。 基本式机械增压(RootsSuperchargers)：你经常能在60到70年代的肌肉车上看到看到这东西，它从发动机盖上的突非常明显，正如图中这辆野马跑车一样。这种机械增压将空气吸入增压器内部，有两个螺旋状叶片将空气压缩，之后送到进气歧管里。这种机械增压能提供强大的扭矩输出。它在加速比赛和街道竞赛中十分流行。螺旋式增压器(ScrewSuperchargers罗茨式增压)：这个形式的增压器是基本型的派生出来的，而且也长得很像，但它们的吸气压缩方式却截然不同。当空气被吸入增压器时，被螺旋状叶片强压入进气

19、歧管内。这种形式的增压器对于提升各个转速的马力都很有效离心式机械增压(CentrifugalSuperchargers)：这种机械增压与涡轮增压很像，只不过它不是用发动机的废气驱动，而是用发动机的皮带带动。它和涡轮增压增压原理相同，吸入空气靠离心力把空气加压，以达到压缩空气的目的。103.3.1基本式机械增压基本式机械增压就是鲁氏机械增压，是最早的机械增压器，特征是体积庞大、且只能间歇的吸入空气，因为体积庞大，不能完全隐藏于轿车机舱内，所以只能将其置于发动机盖上方，新鲜空气直接经由增压器顶端的节气门进入汽缸内。目前已经被更小、效率更高、且可以持续吸入空气的双螺杆式机械增压器（罗茨式机械增压器）

20、所代替。图7图8Roots式机械增压由于体积较大并且只能装置在引擎的上方，所以通常只被应用在美式肌肉跑车或专门用来比直线加速的赛车上，因为这些车可以毫无顾忌得在引擎盖上挖洞(或干脆直接拿掉)来放置增压。Twin-screw式机械增压器与Roots的工作原理相同，Twin-screw也是使用的两根meshing lobes来压缩空气。但由于Twin-screw的meshing lobes被设计成回旋样式，使得吸入的空气能够被集中起来并压缩在一个更小的空间里。 3.3.2双螺旋式增压器 这种需要精密加工技术的设计让Twin-screw式增压更有效率，同时却也更为昂贵。而且当被压缩过的空气从排出口挤

21、出来时，会发出巨大的噪音，让使用者不得不另外花钱装置消音器。3.3.2.1罗茨机械增压器工作原理罗茨机械增压器是一种高速回转的容积式气体输送机械,通过一对含有螺旋齿槽的平行转子相互哨合,造成容积的变化,不断地将空气抽送到内燃机的进气歧管中。罗茨机械增压器的主要结构。罗茨机械增压器的特点是具有外部变速传动机构,它串联在一对同步齿轮之前。增压器转子由同步齿轮带动,转子之间留有适当间隙,实现非接触式哨合传动,哨合间隙对容积效率有较大的影响。转子上的球轴承实现轴向定位,并承受增压器中的轴向力。同样,转子的滚针轴承使转子实现径向定位,并承受增压器的力。在增压器壳体的两对角位置分别开设一定形状和大小的进气

22、口和排气口。罗茨机械增压器单个基元容积的工作循环,可分为吸气、位移、压缩和排气四个过程,这个循环过程是由一对相互平行的螺旋转子周期喷合旋转来实现的单个基元容积的工作过程可分为:吸气(SSo)、位移(SoSi)、压缩(SiDo)和排气(DoD)四个阶段。在增压器的运转过程中,基元容积的缩小不是在与进、排气口隔绝的状态下进行,工作过程无内压缩。罗茨机械增压器在基元容积与排气口连通的瞬间完成压缩工作,所以将基元容积视为不变,罗茨机械增压器工作过程是无内压缩的定容积过程罗茨机械增压器无内压缩,基元容积与排气口端相连通时会引起回流冲击。无内压缩会给容积式机械带来很大的能量损失,限于低压场合使用。对罗茨机

23、械增压器改进设计,从而可以改善增压器的回流冲击特性,降低排气温度。罗茨机械增压器容积效率和排气温度是其热力性能的主要指标。容积效率的下降主要受泄漏的影响,排气温度的升高主要由排气过程引起。3.3.2.2罗茨机械增压器的基本性能指标罗茨机械增压器的基本性能指标包括:流量、容积效率和排气温度等。图9 (Twin-screw式机械增压)3.3.3离心力式机械增压器 离心力式增压使用的是一个类似涡轮的装置，其轮叶能够在很短的时间内以高达50000至60000RPM的转速将空气压缩。 但与此同时，轮叶的高转速却使得从排气口出来的空气处在高速低压的状态。为了增加压力，工程师们在出口处设计了一个挡板。当被推

24、挤出来的空气冲击到挡板时，流速降低，压力因此被从新聚集起来。 体积小、重量轻和可以安置在引擎前方的优点让离心力式增压成为最有效率、最普及的机械增压器。11图10总结：机械增压的优点 装置增压器的目的是为了能够让引擎拥有更多的马力。但如何在机械增压器和涡轮增压器之间做抉择呢？这个问题同样让工程师们很伤脑筋，但总体来说，机械增压还是略胜过涡轮增压。 首先，机械增压不会产生延迟(Lag)。 涡轮增压的启动需要有足够多的废气来支持，而这通常会需要一点时间。机械增压的驱动力则直接来自引擎的曲轴，当引擎启动时，机械增压就已开始工作。 其次，由于涡轮增压对排气系统要求很高，需要在改装时一并对其进行强化，而机

25、械增压只需装置在引擎上即可。最后，当你要熄灭引擎时，涡轮增压引擎通常需要30秒左右的时间来让部件、机油冷却，而机械增压引擎则可以直接熄火，无需任何特殊保养。 机械增压的缺点 机械增压最大的不足来自其优点：由于机械增压由曲轴来带动，也就意味着驱动它就必须直接地消耗引擎的马力。大概有20%的马力消耗在驱动机械增压器上，但考虑到它能制造46%以上的马力，这点损耗实际上是值得的。3.4涡轮增压3.4.1 车用涡轮增压技术现状及发展趋势 欧洲的涡轮增压技术非常领先，2010年车型已达到61%的应用了，欧洲桥车有一半是柴油机，100%应用了涡轮增压技术。预计到2015年，该技术在欧洲市场的增长幅度将达77

26、%，2020年将达到85%。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，我相信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年将达到34%，2020年将达到67%。 涡轮增压技术通过涡轮增压器提高进气密度，可以全面改善发动机的动力性、经济性以及排放指标等综合性能，给发动机注人强劲动力，被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。由于涡轮增压器在提高发动机功率和降低燃油消耗率方面的巨大优势，柴油机普遍采用涡轮增压技术。据统计，目前欧、美、日等国在重型柴油机上已100%装有增压器，在中、小型柴油机上装增压器的比例达80%，国内像一汽、东风等大型柴油机骨干企业

27、都在致力采用、推广涡轮增压技术，不断推出增压型柴油机。同时国外一些公司突破技术障碍，开始将涡轮增压技术应用在汽油机上，改善发动机的动力性和经济性。 然而传统的涡轮增压技术存在低速转矩、涡轮迟滞以及加速性差等缺点，随着排放法规的不断严格，和对汽车驾驶性要求的不断提高，可变混流式涡轮增压、可变二级涡轮增压等先进的涡轮增压技术也逐渐得到应用。 目前主要的涡轮增压技术有混流式涡轮增压技术12、可变涡轮增压技术13、两级涡轮增压技术14、电辅助涡轮增压技术15。3.4.1.1混流式涡轮增压技术 混流式涡轮也称斜流式涡轮，是一种介于径流式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式。如图1所示，由于叶片进口倾斜，使得气

28、流能很好地适应叶型的变化而平缓地过渡至轴向，并且可以有效地防止叶轮出口外径增大带来的轮缘处气流脱离现象，使叶轮的内部流场大为改善，与同样轮径的径流式涡轮相比，流通能力增加约40%，可以满足涡轮增压器向高速、大容量变化发展要求16。现在世界各国最新车用增压器产品上，已采用大容量混流式涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器。 图11 混流式涡轮示愈圈3.4.1.2可变截面涡轮增压技术涡轮流通部分起作用的共有三处截面，即涡轮进气截面、蜗壳出口环形截面以及叶轮出口截面。其中叶轮出口截面处调节因实现起来较为复杂且易造成较大损失，调节效果不如前两者，故一般不予考虑。基于此，可变涡轮增压器有两

29、种结构，即可动舌片增压结构和可变喷嘴增压结构。 对于无叶径流式涡轮机，采用可动舌片增压结构。如图2所示，在涡轮进气截面后加摆动舌片，通过舌片的摆动，改变蜗壳的面径比A/R值，对进气量进行调节。在发动机低速时，减小A/R值.提高涡轮内燃机与配件转速，增加进气压力;当发动机转速较高时，增加A/R值，提高进气量，保证发动机的动力输出。可动舌片增压结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大且调节范围有一定限制，增压器总效率低17。对于有叶径流式涡轮机，采用可变喷嘴增压结构。此结构主要适用于在大排量重型车用涡轮增压发动机。如图3所示，涡轮外围的叶片就是可变喷嘴叶片，在发动机低速或怠速时，喷嘴

30、叶片关闭或开度很小，增加进气压力，从而提高发动机的低速转矩和响应性;当发动机转速较高时，喷嘴叶片全开或开度加大，提高进气量，保证发动机的动力输出。新款911Turb。的3.6L发动机配备有两台可变喷嘴BV50G涡轮增压器，使得6缸发动机的输出功率和转矩较上一代车有大幅度增加。但可变喷嘴涡轮增压器仍不能彻底消除涡轮迟滞问题，在设计和制造上难度较大，生产成本高。3.4.1.3二级涡轮增压技术 所谓二级涡轮增压技术，就是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器，实现增压器与发动机在更大工况范围的良好匹配的一种技术。图4为MAN Diesel & Turbo推出的二级涡轮增压器，该涡轮增压系统由

31、一大一小两个涡轮增压器串联搭配而成。在发动机低速时，只有一个质量小的涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，改善发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。当发动机转速较高时，质量大的涡轮增压器开始介人工作，提高进气量，保证发动机的动力输出。 二级涡轮增压技术在提高发动机动力性和加速性的同时，可以改善涡轮迟滞现象，国外诸如宝马535d以及福特F系列super-Duty卡车上均实现大规模量产。但与单级系统相比，在部分负荷时采用二级增压系统增压比下降快，使得发动机低负荷性能恶化，此外，二级涡轮增压器结构复杂，制造成本较高18。3.4.1.4电辅助涡轮增压技术 如图5所示，电

32、辅助涡轮增压系统主要增加了电动机/发电机、电路控制单元、电池、高功率逆变电源和一些传感器。其中，电控单元和电池可与发动机共用。在发动机低速时，电控单元发出控制信号，电机启动驱动压气机工作，电池中储存的电能转化为压气机的动能，增压进气压力，改善发动机的加速性和低速转矩问题。当发动机转速上升到一定程度，压气机能够提供足够的空气时，电机就可以关闭或脱开。当发动机在高速大负荷工况时，电控单元发出控制信号起动发电机，回收涡轮能量中的一部分，通过发电机转化为电能储存在蓄电池中。电辅助技术改善了发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题，降低了燃油消耗率，扩大了发动机的高效、经济区域。国外诸如Honeywell公司、C

33、aterpillar公司以及日本三菱重工均在电辅助涡轮增压方面开展了大量的研究。但由于辅助电机加入使得转动惯量增加，对电机转子结构和增压器轴提出了很高的要求，目前该技术还不够成熟。193.4.2涡轮增压系统 前面我们大概了解了柴油机涡轮增压技术的一些详细工作原理，但由于传统增压器流量范围窄, 难以兼顾与发动机高低工况点的合理匹配, 而增压器与发动机的良好匹配是保障燃油经济性以及柴油机具有良好排放性能的关键, 因此近几年来采用各种不同设计概念的新型涡轮增压系统已经成功得到应用。3.4.2.1 相继增压系统 相继增压系统的基本工作原理是采用多个小型涡轮增压器, 随着柴油机工况的提高,按次序地投入运

34、行, 改变了常规串联增压系统在低工况时由于排气能量减少而使涡轮转速下降, 增压压力不足, 从而出现燃烧恶化、功率下降的现象。在标定工况, 柴油机的每台增压器都在高效区工作, 燃油消耗率低; 在部分工况, 减少投入使用的涡轮增压器数量, 使得投入使用的增压器仍然在高效率区附近工作, 最大限度地增加了气缸的进气量, 从而改善了柴油机的动力性与经济性。 MTU 公司首先将相继增压技术应用于该公司的 956/1163 双系列船用柴油机上。目前,相继增压技术也应用到卡车的发动机 ( 沃尔沃) 、跑车的发动机 ( 保时捷)和轿车发动机( 奥迪) 等车上。3.4.2.2 可变截面涡轮增压系统 可变截面涡轮增

35、压系统的基本工作原理是从低速到高速通过分段或连续改变涡轮截面, 来提高发动机低工况时的过量空气系数。燃气通过涡轮喷嘴叶片时, 根据柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度, 使进入涡轮叶片的气流参数发生变化, 从而达到涡轮增压器与柴油机在各工况下有良好的匹配。变截面涡轮增压系统还可以提高柴油机的瞬态特性和降低瞬态排放。该系统的缺点是涡轮增压器的成本较高, 而且结构较为复杂, 需要专门的控制机构。 盖瑞特公司、KKK 公司均研制了可变截面涡轮增压器, 而且为了达到严格的排放法规, 在增压柴油机全工况范围内进行调节, 欧美采用可变截面涡轮增压器已成主流。3.4.2.3 低工况进排气旁通系统 低工

36、况进排气旁通系统的原理是当柴油机低速运行时, 增压空气绕过气缸, 直接进入涡轮前的排气管, 从而增大气体流量, 提高发动机的增压压力, 以避免发动机低工况的喘振,改善发动机低速工况性能。如果利用废气余热对旁通的空气加热, 效果会更好。MTU 公司 396 柴油机就采用了进排气旁通系统来改善低速工况性能, 但该系统控制调节部分较为复杂, 因此主要应用于大功率高增压柴油机。3.4.2.4 废气旁通增压系统 废气旁通增压系统以柴油机低负荷区域为设计匹配点, 对无法兼顾的高负荷区, 通过打开涡轮壳上与大气连通的一个可调节阀, 释放多余废气能量。这种增压器的好处是通过设计较小的涡轮壳截面, 迅速建立起低

37、速压力, 改善低速时的动力性、经济性、排放指标及瞬态响应性, 将柴油机在高速区所需要的进气压力由旁通阀调节到最佳状态, 解决了因较小的涡轮壳截面导致的高速高负荷区过高的增压压力而造成柴油机最高爆发压力大幅升高、可靠性降低、性能指标恶化等问题。带废气旁通阀的增压器目前在车用柴油机上应用较为普遍, 不足之处是由于释放了一部分废气, 造成了能量损失, 因此柴油机高工况的燃油消耗有一定增加。 此外, 还有超高增压系统、电动放气涡轮增压系统以及谐振复合增压系统等多种型式的增压系统, 它们正在逐步得到发展和应用, 使增压发动机的性能不断有新的提高。 3.4.3 现代化设计方法和制造技术方面 在涡轮增压器的

38、设计方法上, 利用计算机进行压气机和涡轮的空气动力学计算、流场分析和结构设计, 在国外已开展多年。一些发达国家在 20 世纪 60 年代中后期就已开始利用计算机进行径流涡轮的空气动力学与三元流场分析, 随后又利用计算机进行离心式压气机的空气动力学计算、三元流场分析、叶轮及叶型设计和强度分析等。目前, 国外主要增压器生产厂家都已拥有先进的 CAD/CAM 和 CAT 系统,并采用 FEM 和先进的激光测试技术来进行3- D 粘性流动的建模和验证分析。增压器的加工制造技术近年来也发展很快, 国外于 20 世纪 70 年代末成功地将“硅橡胶”技术用于铸造小型后弯压气机叶轮, 到20 世纪 80 年代

39、初期, 世界各大增压器公司相继推出了带后弯压气机叶轮的新型增压器。KKK 公司采用五轴数控铣床, 铣削加工锻铝后弯叶轮, 强度比铸铝好, 且在轮盘通道上保留铣削刀痕, 可以减少二次流, 有利于改善性能。3.4.4 新材料的应用方面 钛铝合金材料具有密度小、高温强度及抗氧化性好等优点, 应用于涡轮增压器可以降低涡轮的转动惯量, 改善响应特性, 消除增压柴油机在加速瞬间冒黑烟现象, 目前其它一些新的轻质合金材料也在研制中。另外, 在增压器上也开发使用了陶瓷涡轮, 由于陶瓷涡轮的质量较轻, 涡轮箱的壁厚能被设计得很薄, 在保持包容性不变的前提下可以使增压器的质量减轻。目前, 采用陶瓷涡轮的技术难点主

40、要是陶瓷涡轮与转轴的连接。203.5复合增压 复合增压系统即废气涡轮增压和机械增压并用的方法。既结合了涡轮增压的效果明显、不浪费动力，又结合了机械增压的无介入迟滞、低速增压效果明显的优点，目前在使用最多的是国外大众车的部分发动机型（如1.4TSI，T、S分别代表涡轮增压Turbo和机械增压Supercharge，这点与国内的TSI发动机不同）。复合增压会使发动机功率和扭矩输出明显提升，燃油消耗率下降，但由于两套增压系统同时安装，结构复杂，技术含量高，故成本（投入成本、使用成本、维修成本）相对较高，维修保养也相对困难，所以相对现阶段普及性还不是很强。但随着科技的进步，未来增压发动机的增压系统将向

41、部件更少、体积更小、转速更高、压缩比更优的方向发展。在欧洲增压发动机已经成为提高动力性能的主流。随着耐高温材料科技的发展以及多种新技术的应用，增压发动机的引用也会越来越广泛。214.柴油机增压技术的发展前景与展望4.1柴油机机械增压技术的发展前景 机械增压技术的特点是低速转矩特性好，且机械增压的油门反应随着转速的提高，动力输出随之增强，因此机械增压涡轮增压的操作感觉与自然吸气极为相似，却能拥有较大的动力与扭力。但是始终是损耗了涡轮增压本身的动力，就使得机械增压在高速输出上不如涡轮增压器，为了减少损耗功率，因此机械增压内部机件的材质与加工精密度要求很高。4可见，机械增压技术虽然存在一定的局限性但

42、由于其低速转矩特点等优点其在柴油增压中仍然占有一定的地位。目前，机械增压技术研究方向主要是其与涡轮增压技术的复合增压技术。4.2柴油机涡轮增压技术的发展前景柴油机涡轮增压技术的发展包含增压系统及涡轮增压器两个方面的发展。增压系统由常压系统,脉冲系统,多脉冲MPC转换系统,增压中冷系统,进一步发展到涡轮增压加谐振的增压系统及具有进、排气旁通调节加动力涡轮的复合增压系统等,提高了柴油机的总效率及输出功率。1在涡轮增压器方面,近年来围绕着提高增压器效率和性能,研制开发前倾后弯叶片压气机,流动性能好的轴流喷嘴,当量流通面积大且比转速高的混流式涡轮,可调截面喷嘴,可调截面涡轮,陶瓷涡轮转子,高效率等方面

43、都取得了一定成效。2可见，目前柴油记涡轮增压技术在柴油机增压技术领域仍然很有潜力。4.2.1 柴油机涡轮增压器的发展趋势各种增压发动机提高动力性能及经济性的总目标是希望能寻求到与之相匹配的涡轮增压器的性能能够满足发动机从低负荷到高负荷有良好的动力性能和经济性的要求。从增压器方面讲,为满足发动机的上述要求,必须做到高性能、大容量化、小型化和高压比化。近几年来,国外进行了大量的科研和开发工作,这些科研开发工作基本上是从改善和提高压气机性能、涡轮性能和结构性能三个方面进行的。（1）压气机性能的改善和提高涡轮增压器压气机性能的改善和提高很大程度与叶轮内部气流流动情况密切相关。应用三元流动理论,分析叶轮

44、内部流动情况,确定叶轮气动性和几何参数,这一点己被广泛采用。对于叶型方面,不论大型轴流式增压器或是小型径流式增压器,近几年来都趋向于采用了前倾后弯叶片压气叶轮新技术。3这种叶轮有良好的气动特性,效率高,高效率流动范围宽广。（2）涡轮性能的改善和提高目前较多的是在涡轮静叶上采用可调截面的办法,即开发可调截面喷嘴和可调截面涡壳。（3）增压器结构和其它方面的改善提高增压器结构的改进提高,不外乎从减少效率损失和结构可靠性方面开展工作。采用高速滚动轴承以减少机械效率损失,在轴径尺寸、密封方式及配合方式等方面也开展了研究工作。4.2.2柴油机涡轮增压系统的发展趋势柴油机涡轮增压系统继续向高增压比、高效率、

45、低排放方向发展。（1）提高增压比向高增压和超高增压方向发展是提高柴油机功率的主要研究方向。增压度的提高也标志着增压技术水平的提高。近年来,在普通增压系统的基础上,世界各国竟相发展新的高增压和超高增压系统,取得了十分惊人的进展,这充分说明增压系统发展具有无比强大的生命力。目前,这种发展势头还很猛,其前景是很宽广的,沿着这个趋势发展下去很可能会导致发动机领域内又一次革命。应该承认,这是柴油机领域内的一项高技术,一旦在高增压和超高增压系统方面取得突破就会带动整个增压技术水平的提高。（2）提高涡轮增压器的效率随着涡轮增压器效率的提高,可以降低柴油机的燃油消耗率,且根据不同的设计,也可以降低柴油机一些部

46、件的热负荷。（3）提高增压器在整个工况范围内的总的增压效果增压柴油机总是要求具有较高的总效率,这对增压器而言,就意味着要具有较高的压比和较高的增压器效率,但这又使柴油机在所有的负荷范围内的优化运行难以实现。因此在部分负荷工况下,为提高柴油机的增压压力,必须采取一些具有附加措施的增压系统。4.3 柴油机增压技术的展望柴油机增压技术的发展与增压柴油机未来的发展密切相关，主要是满足不断严格的排放标准和提高柴油机的全工况性能，继续往高增压方向发展，在高、中、低速柴油机的发展都对增压器提出更高的要求。而单级增压受轴承及压气机叶轮材料的限制，柴油机高增压系统在今后会向两级增压器方向发展。5因此对于涡轮增压

47、器向效率高，尺寸小，质量轻，可靠性高，长寿命等方向发展，而对于机械涡轮增压器除了以上几点还对其材料材质和加工工艺等又有额外要求。增压系统将在全工况范围内与柴油机良好配合。而针对增压系统，由于单种增压技术的增压强度有限、增压曲线与发动机运行工况不能较好匹配以及排放难以达到国家越来越高的标准等问题，未来增压技术将会更多的倾向于集合两种或两种以上增压技术优点的复合增压技术。参考文献1 齐纳著,侯玉堂、禹惠生译:内燃机增压与匹配,国防工业出版社,北京,1978(KZinner,Supercharging of InternalCombustionEngines Springer-Verlag,Berlin, 1978.)2 赵嘉鼎, 倪琴华, 王永达.进气管结构参教对四冲程多缸高速车用柴油机充气效率及性能的影响 J .内燃机工程,1982.3 薄清荣樊久铭孙绍重张辑洲.利用谐振进气改善柴油机的性能,哈尔滨工业大学学报. 1998年2月.4ObataA,Ylshida.Dynamic I