汽车发动机原理第八章

内燃机增压

内燃机增压方式内燃机增压是指将新鲜空气进行预先压缩，然后进入气缸，以提高进气密度，从而增加进气量，燃烧更多的燃料，增加内燃机的输出功率。内燃机增压方式分四类：机械增压、排气涡轮增压、气波增压和复合增压。

第一节概述

第三节排气涡轮增压系统

第二节排气涡轮增压器

第四节增压内燃机的性能

第五节汽油机增压技术第八章内燃机增压

总目录内燃机增压：指将新鲜空气进行预先压缩，然后进入气缸，以提高进气密度，从而增加进气量，燃烧更多的燃料，增加内燃机的输出功率。同时，可以改善内燃机的经济性和减少有害物排放。一、内燃机增压

第一节概述

增压比πk：

，表示进气压力提高的程度。pk为增压后的进气压力，p0为未增压的进气压力，一般称为大气压力。增压度φ：

，表示增压后内燃机功率提高的程度。Pek为增压后内燃机的功率，Pe0为增压前内燃机的功率。即增压度φ为增压后内燃机的功率Pek与增压前功率Pe0之差与增压前功率Pe0之比。章目录YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere、内燃机增压的方式

二按增压器能量的提供方式及结构形式，增压可以分为四种类型，如图8.1所示。

1.机械增压内燃机输出轴直接驱动增压装置，实现对进气的压缩。

2.排气涡轮增压应用涡轮增压器，利用排气能量，驱动压气机工作，实现进气增压。

3.气波增压利用排气系统中的压力波动效应压缩空气。

4.复合增压上述三种增压方式的组合，如机械增压与排气涡轮增压组合，一般用于大型船用柴油机。另外，随着增压度的提高，出现了二级、三级涡轮增压系统。机械增压低速性和加速响应性好，可靠性好，但消耗内燃机的有效功率。排气涡轮增压系统由于回收部分废气能量而得到广泛应用。复合增压系统和多级增压系统随着柴油机性能的进一步强化和排放法规的加严而得到更多的使用。第一节概述

图8.1内燃机增压的方式a）机械增压b）涡轮增压c）气波增压E—内燃机C—压气机T—涡轮机YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere、内燃机增压的优点和限制方面4三1.内燃机增压的优点（1）通过增压可以大幅度提高内燃机的输出功率。

，，，则

可见平均有效压力与进气密度成正比，或者与进气压力成正比。因此，提高进气压力，增加进气密度，可以提高内燃机的功率。（2）经济性得到改善。内燃机采用增压后，进气被压缩，换气过程的泵气功为正，使指示热效率ηit有所提高；随pme的提高，机械效率ηm也将提高；根据内燃机燃油消耗率有所降低，经济性得到改善。第一节概述

YourTextHereYourTextHereYourTextHere

（3）升功率可以得到较大增加。通过增压提高了进气密度，在总质量和体积基本不变的情况下，内燃机的从而降低了单位功率的造价，提高了材料利用率，改善了经济性。（4）排气能量得到回收利用。与自然吸气式内燃机比较，不仅提高了内燃机热效率，排气噪声也有所降低。（5）有利于降低缸内的压力升高率和燃烧噪声。柴油机增压后，缸内压力和温度水平提高，可以缩短滞燃期，（6）改善CO、HC和碳烟排放。增压内燃机一般采用较大的过量空气系数，可以（7）有利于高原稀薄空气条件下内燃机功率的恢复。第一节概述

2.内燃机增压的限制方面

（1）机械负荷随着增压压力的提高，内燃机平均有效压力增加，爆发压力也随之提高，内燃机主要零部件受力增加，特别是缸盖、活塞、连杆、曲轴和轴承的受力增加。（2）热负荷增压后可以燃烧更多的燃油，内燃机工作循环温度升高，活塞、缸盖、气门、喷油器和缸套等零部件热负荷增大，润滑和金属材料的机械性能都变差。（3）增压器的性能对排气涡轮增压器来说，要提高增压比，必须向排气涡轮增压器提供较多的排气能量。提高涡轮的进气温度，受到材料的限制；增压器的工作转速很高，从每分钟几万转到二十几万转，外圆周线速度在300~400m/s。一般用于制造涡轮的耐热钢长期工作能承受的温度为650℃左右，陶瓷的耐热温度也只在1000℃左右。制造压力机叶轮的材料一般为铝合金，其机械强度也限制了压力机转速的提高。（4）中冷器效率增压压力提高后，进气温度也随之升高，如pk=0.3MPa时，温度tk约为230℃。为提高进气密度，必须对进气进行冷却，即“增压中冷”。如果把进气温度降到50℃左右，降温幅度为180℃左右。因此，需要设计出体积小、效率高的中冷器才能在车辆上运用，这是比较困难的。图8.2为径流式涡轮增压器的结构图。组成：，，。第二节排气涡轮增压器

图8.2径流式涡轮增压器1—压气机蜗壳2—压气机叶轮3—推力轴承4—压气机端密封座5—挡油板6—中间壳7—浮动轴承8—涡轮机叶轮9—涡轮机蜗壳涡轮增压器分为径流式涡轮增压器与轴流式涡轮增压器两类。根据内燃机排出废气在涡轮机中的流动方向，可轴流式涡轮增压器多用于大中型柴油机，以满足大流量、高效率的要求；中小型高速内燃机一般使用径流式涡轮增压器，以适应高转速和较高响应性能的要求。章目录（一）离心式压气机（二）径流式涡轮机（三）中间壳

YourTextHere一、离心式压气机如图8.3，由进气道1、工作叶轮2、扩压器3和蜗壳4组成。第二节排气涡轮增压器

图8.3离心式压力机1—进气道2—工作叶轮3—扩压器4—蜗壳图8.4离心式压气机气流参数的变化Ι—进气道Ⅱ—工作叶轮Ⅲ—扩压器Ⅳ—蜗壳1．工作原理工作叶轮旋转将空气从进气道1吸入，经过收敛形进口段气流略有加速，速度由v0提高到v1，压力由p0略降到p1

（见图8.4）；当空气进入叶轮后，受到极高转速的作用，提高了空气的动能和压力能，速度由v1提高到v2，压力也由p1提高到p2；由于扩压器的截面是逐渐增大的，所以空气流经扩压器时，压力进一步提高，由p2提高到p3，速度却由v2降低到v3；蜗壳将经扩压器流出的空气收集并引向出口，进一步将动能转变为压力能。因此，压气机出口处压力为p4，速度为v4。空气在离心式压气机中的整个流动过程中，温度逐步提高。

参数变化见图8.4。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere2．压气机的绝热效率

压气机绝热效率：指在相同增压比时，压气机的绝热压缩功与实际压缩功之比。在实际压缩过程中，由于气流受到摩擦、流动阻力和热交换等因素的影响，实际压缩功大于绝热压缩功。压气机的绝热效率说明了驱动压气机的消耗功被转化利用的程度。

目前压气机的绝热效率约为0.7～0.85或更高。第二节排气涡轮增压器

图8.6压气机流量特性3．压气机特性压气机特性：压气机的主要工作参数增压比πk、效率ηadk、流量qmk和转速nk之间的变化关系。

压气机的流量特性：在一定环境条件下（p0、T0一定），压气机在某一转速nk时，增压比πk和效率ηadk随流量qmk的变化关系（图8.6）。在某一转速nk下，对于某一流量qmk有最高的增压比πk和绝热效率ηadk，高于或低于该流量，πk和ηadk都将下降。效率一定时（图中等效率线），中间是高效率区，一般比较靠近喘振边界线。YourTextHereYourTextHere为了使压气机流量特性不受试验时环境状况的影响，一般根据相似理论折合成标准大气状况（即p0=101.33kPa，T0=293K）时压气机的工作状况，绘制压气机通用特性。图8.7为某涡轮增压器压气机的通用特性。第二节排气涡轮增压器

图8.7压气机通用特性

喘振：压力机工作不稳定现象。在压气机转速nk一定时，当压气机的流量减小到某一数值时，压气机出现不稳定状态，气流发生强烈的脉动，引发叶片的振动并伴随有喘息噪声，出口压力下降并伴随着波动，严重时会造成压气机损坏，因此压气机不允许在喘振下工作。

喘振点：出现喘振的工作点。

喘振线：将各种转速下的喘振点连接起来的喘振边界线。压气机只能在喘振线右边范围内工作。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere二、径流式涡轮机主要由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作叶轮3和出气道4组成，如图8.8所示。第二节排气涡轮增压器

图8.8径流式涡轮机1—进气蜗壳2—喷嘴环3—工作叶轮4—出气道图8.9涡轮机中气流参数的变化1．工作原理内燃机排出的废气从排气管进入蜗壳，在喷嘴环中膨胀，使废气的压力能部分转变为动能，由喷嘴环高速喷出，并沿喷嘴环出口方向进入工作叶轮，推动叶轮高速旋转，废气在叶轮中进一步膨胀后经出气道排出。在涡轮机中，废气不断膨胀，压力由pT降到p0’，温度由TT降到T0’，气体流经喷嘴环时流速从vT提高到v1，流过工作叶轮后降到v2，如图8.9。参数的变化见图8.9。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第二节排气涡轮增压器

3．涡轮机特性涡轮机的主要工作参数膨胀比πT（排气滞止压力与排气背压之比）、效率ηT、流量qmT和转速nT之间的变化关系。如图8.10所示为涡轮机特性的通用特性。同样根据相似理论，利用折合流量和折合转速绘制，。

可见，涡轮机转速一定时，随膨胀比增加，存在一个堵塞流量。出现堵塞说明在涡轮内部某处，排气流速达到了当地音速。堵塞一般发生在喷嘴出口截面上，或者叶轮通道某处。图8.10涡轮机通用特性

2．涡轮机效率涡轮机效率指实际膨胀功与绝热膨胀功之比，表示涡轮机中废气能量转换为机械功的有效程度。

一般排气涡轮增压器涡轮机效率ηT=0.7~0.9。三、中间壳中间壳用于连接压气机壳与涡轮机壳，将压气机叶轮与涡轮机叶轮同轴连接在一块。中间壳中充满有循环润滑油，润滑油以一定压力输入，使高速旋转的轴在浮动轴承中得到充分润滑并呈悬浮、自动定心的工作状态，同时润滑油膜也起着散热与减振作用。中间壳两侧有密封装置，防止压气机端的压缩空气和涡轮机端燃气的泄漏，以及防止轴承处润滑油的泄漏。第二节排气涡轮增压器

图8.2径流式涡轮增压器1—压气机蜗壳2—压气机叶轮3—推力轴承4—压气机端密封座5—挡油板6—中间壳7—浮动轴承8—涡轮机叶轮9—涡轮机蜗壳排气涡轮增压系统按排气能量在涡轮中的利用方式，分为恒压（或定压）增压系统与脉冲（或变压）增压系统两种基本形式，如图8.11。一二三恒压涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统两种增压系统的比较及选取图8.11涡轮增压系统的两种基本形式a）恒压系统b）脉冲系统第三节排气涡轮增压系统

章目录YourTextHereYourTextHereYourTextHere一、恒压涡轮增压系统如图8.11a所示。该系统的特点是涡轮前的燃气压力基本保持一定，柴油机各缸排气都接到一根排气总管上。排气总管容积要足够大，起到稳定压力的作用，涡轮是单进气口。恒压涡轮增压是将内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内，由于该排气管的稳压作用，进入涡轮前的压力基本保持不变。

优点：涡轮在定压下全周进气，效率较高；气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气系统结构简单，成本较低，易于布置和维护。

主要缺点：脉冲能的利用效率较低，低速转矩特性和加速响应性能较差。第三节排气涡轮增压系统

二、脉冲涡轮增压系统为了更好地利用恒压涡轮增压系统没有完全利用的脉冲部分能量。脉冲涡轮增压系统将内燃机各缸排气管做得短而细，将排气脉冲维持到涡轮机的进口（如图8.11b）。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第三节排气涡轮增压系统

为了防止各缸排气脉冲的干涉，将排气管分支连接。以六缸内燃机（发火顺序为1-5-3-6-2-4）为例，排气间隔角为120°CA，而一个气缸的排气持续角φe≈240°CA，这样第5缸的排气必然对第1缸排气产生干涉而影响第1缸排气；同样，后一缸排气干扰前一缸排气。为了使排气不发生干扰，必须使各缸发火间隔的角度大于或等于排气持续角φe。因此，排气管必须分开连接，六缸内燃机1、2、3缸共用一根排气管，4、5、6缸共用一支，形成两根排气总管。同理，发火顺序为1-3-4-2的内燃机，将1、2缸连接一总管，3、4缸连接另一总管。

其他缸数情况下排气管分支情况见图8.12。脉冲涡轮增压的特点：排气管短而细，排气系统容积小，排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功，减少节流损失，能量利用率高，同时利用排气的波谷便于扫气。但由于脉冲涡轮增压压力是变化的，因此进入涡轮机的压力和流量也是变化的，故涡轮机的效率和压气机的效率较低并且由于排气压力波不能叠加，故对于发动机的排气管要正确分支。以使各缸的排气压力波不互相干扰，排气管布置较复杂。在低增压比时，脉冲能量利用率高。所以，低增压时，以采用脉冲增压系统为宜，高增压时脉冲能量增益不多。脉冲增压系统的转矩性能和加速性能都比恒压增压系统好，因而在车辆内燃机上增压比较大时仍采用脉冲增压系统。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere三、恒压涡轮增压与脉冲涡轮增压两种增压系统的比较及选取原则

1）脉冲增压对排气能量的利用比恒压增压要好。脉冲涡轮增压由于排气节流所造成的排气能量损失比定压增压系统小，所以

2）脉冲系统有良好的扫气作用。在内燃机扫气期间，脉冲系统的排气管压力正处于波谷，有足够的扫气压力差，有良好的扫气作用。而恒压系统由于排气管压力波动小，所以扫气压力差小，扫气不好。

3）脉冲增压系统的响应性和加速性能比恒压系统好。在脉冲增压系统中，由于排气管容积较小，内燃机负荷改变时，排气的压力波变化很快传递到涡轮机，增压器能较快响应。所以

4）恒压增压系统的涡轮机效率比脉冲系统高。从排气涡轮效率看，脉冲系统的平均绝热效率比恒压系统低，脉冲系统的涡轮机入口压力和流量是变化的，故涡轮机的效率低，而恒压系统由于进入涡轮机前的压力基本保持不变，涡轮机的效率较高。因此

5）脉冲系统结构布置比恒压系统复杂。尺寸较大且排气管要依发动机的发火顺序分支，所以其增压系统的选取原则：

1）依用途首选脉冲增压系统。

2）根据增压压比，当内燃机在低增压时，采用脉冲增压；在高增压压比时，脉冲系统优点逐渐减弱，而恒压系统优点逐渐明显凸现。该种情况要依用途来定。比如车用发动机，即使增压压比较高，由于车用较多的时间在中小负荷下运行，对其加速性和响应性的特殊要求，所以选择脉冲增压系统为好。第三节排气涡轮增压系统

排气涡轮增压器与内燃机的匹配简述三二一第四节增压内燃机的性能

增压内燃机的特点增压对内燃机性能的影响章目录YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第四节增压内燃机的性能

一、排气涡轮增压器与内燃机的匹配简述

内燃机是往复式工作机械，涡轮增压器是旋转式工作机械。两者的工作原理和工作特性明显不同。

内燃机与增压器之间仅通过气动联系。（即通过内燃机进排气流动联系两者），没有直接的机械联系。

因此，内燃机与涡轮增压器联合运行时，两者之间需要有良好的匹配。为了获得良好的增压内燃机的性能，内燃机选配合适的涡轮增压器时，主要应满足以下要求：（1）对于内燃机需要达到的设计功率和燃油消耗率指标，涡轮增压器应能提供内燃机需要的增压压力和空气流量。（2）内燃机排气提供的能量能满足增压器中涡轮机驱动压气机的需要。（3）内燃机的运行特性（曲线）与压气机运行特性（曲线）相适应。尽可能使运行处于压气机的高效率区，与压气机效率曲线平行，并离喘振线有适当的距离。（4）在增压内燃机各种工况下都能可靠地运行。如增压器不超速、内燃机排气不超温等。（5）对于车用内燃机，要求内燃机外特性具有足够的转矩和转速储备，以及加速响应性能。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第四节增压内燃机的性能

二、增压内燃机的特点增压内燃机与非增压内燃机相比，结构与参数等方面有以下不同。由于增压后内燃机性能有较大的提高，同时内燃机的热负荷和机械负荷也有相应地增加，

1．燃烧系统（1）滞燃期缩短。增压后气缸内温度升高，柴油机中燃油着火滞燃期缩短，压力升高率△p/△φ下降，工作柔和。（2）爆发压力pz增大，需要适当地降低压缩比。为使爆发压力不至过高，一般降低一个单位，随增压压力提高，εc下降更多，但压缩比过大的降幅会造成内燃机冷起动困难和经济性能恶化。（3）适当加大过量空气系数。为了减小内燃机热负荷和改善经济性，增压柴油机可以适当加大过量空气系数，其值一般比非增压机大10％～30％。（4）增大供油量，提高喷油压力。为了适应增压后功率增加，需要增大每循环的供油量。柴油机中为增大循环供油量而又不加大供油持续角，需要增加柱塞直径和供油速率，并加大喷油嘴喷孔直径，适当提高喷油压力。（5）适当缩小供油提前角。由于燃烧的改善，可适当地缩小供油提前角，以减少上止点前燃烧的燃油量和降低燃烧爆发压力。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第四节增压内燃机的性能

2．配气定时采用较大的气门叠开角。增压内燃机一般采用较大的气门叠开角以改善燃烧室的扫气、提高充量系数和降低内燃机热负荷。随着增压压力的提高，对于高速内燃机（n＞2000r/min），为了防止低速低负荷时排气倒流，气门叠开角取得小一些，与非增压时差不多。

3．进排气系统（1）排气系统脉冲增压系统排气管必须分支，排气管应尽可能短且截面积不能过大。在脉冲增压系统中，为了使各气缸的排气互不干扰，排气管必须分支。为了充分利用排气脉冲能量，排气管应尽可能短且截面积不能过大。（2）进气系统增压内燃机进气总管要有足够的容积。以减少气体压力波动造成的各缸进气不均匀，从而提高压气机效率和内燃机性能。（3）增压气体冷却将增压器出口的空气加以冷却，既可提高充气密度，提高功率，也可降低整个循环的平均温度。

低增压时，由于压气机后空气温度不太高，一般不设置中冷器，只有在增压压力较高时才进行中冷。YourTextHereYourTextHereYourTextHereYourTextHere第四节增压内燃机的性能

三、增压对内燃机性能的影响采用增压技术，可以增加内燃机功率、降低燃油消耗和改善排放，但是增压后内燃机运行状况也发生了一些变化。

1．低速转矩性能变化由于涡轮增压器是旋转式机械，提供的增压压力随压气机转速的提高而增加。内燃机在低速低负荷工作时提供给增压器的废气能量少，增压器提供内燃机的空气压力相应也低；高速高负荷时，废气提供的能量多，增压器相应提供的空气压力也高。这样，增压器提供的增压压力随内燃机转速增加而增大。增压内燃机在高速时，转矩和功率提高幅度大，低速时提高幅度小。使增压内燃机的转矩特性变得平坦，最大转矩点向高转速方向移动，内燃机适应性系数下降。放气调节，特别是放掉部分废气的方案是车用增压内燃机采用较多的方法。为了使内燃机低速转矩性能得到改善，可以在高速高负荷区放掉部分进入涡轮前的废气或放掉部分压缩后的增压空气，来抑制增压压力的增长。2．加速性能变差内燃机与增压器之间是气动联系，在负荷突变时，增压器存在反应滞后的问题。加速过程中，增压压力上升较缓慢，致使内燃机功率和转速增加缓慢，而且柴油机会出现冒烟现象，为防止冒烟，需要安装增压压力未达到规定值之前限制供油量的装置，但其又进一步延缓了加速过程。总之，增压内燃机与非增压内燃机主要存在以下几方面不同：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，压缩比降低幅度越大，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，增压更容易诱发爆燃，故降低压缩比更是比较普遍的选择。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。如车用柴油机的过量空气系数一般较小．增压后一般将其增大10％～30％，降低热负荷。供油系统方面：为了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、提高喷油压力、加大喷孔直径、高压油管截面增大、减小出油阀紧帽高压容积等，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。柴油机增压后，滞燃期缩短，适当地减小喷油提前角，可以限制最高爆发压力的增长。保证供油系统可靠性。配气正时方面：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。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。注意：1）恒压系统气门重叠角小于脉冲系统。不仅要考虑高负荷扫气要求，还要兼顾低负荷排气倒流的可能性。2）对于脉冲系统，车用内燃机气门叠开角小于固定内燃机。因为车用柴油机经常处于低速部分负荷下工作，为防止排气倒流应使气门重叠角小些。3）加大进、排气门升程。4）提高气门机构材料的强度和耐热性。进排气系统方面：进排气系统的设计，要与增压系统的要求相一致。增压内燃机的进气管容积希望尽可能大一些，以减少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发动机的性能，脉冲增压系统排气管需正确分支（各缸排气压力波互不干涉）。增压空气冷却方面：增压中冷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