第十一章增压中冷技术

第十一章增压（中冷）技术从50年代起，随着涡轮增压器效率的改进，柴油机采用涡轮增压技术后的功率和效率都得到了很大提高，从而被广泛地推广应用，增压后，柴油机的功率能提高1-3倍。废气涡轮增压对提高柴油机性能作出了重大的贡献，在汽车发动机中有也采用比较普遍的废气涡轮增压系统。11.1内燃机增压的基本概念

一.增压的作用及增压方式

内燃机增压的作用是将新鲜空气(或可燃混合气)在内燃机工作气缸外面事先进行压缩，提高进气压力以提高进入气缸内的空气(或可燃混合气)的密度，供更多的燃料进行燃烧，从而提高发动机的功率。

大量实践表明，增压是提高发动机功率、改善经济性排污性的有效方法，因此得到了广泛的应用。

用于内燃机增压将空气或可燃混合气压缩到一定压力的装置，称为压气机或增压器。空气被压后达到的压力称为增压压力，一般以Pk表示。按增压压力大小可将增压程度分为：低增压Pk＜0.14MPa，中增压Pk＝0.14～0.2MPa，高增压Pk＞0.2MPa。压气机一般是容积式或叶片式的，压气机由曲轴或废气涡轮驱动。压气机、压气机的驱动装置以及用以冷却空气的冷却器等，构成了内燃机的增压系统。空气冷却器亦称为中间冷却器或中冷器。按驱动增压器的能量来源不同，增压系统基本可分为三类：１.机械增压系统

压气机由内燃机曲轴直接驱动(左上)，通常只用在Pk不超过0.16～0.17MPa的场合，否则压气机消耗的功率很大，使发动机的效率下降，导致发动机经济性降低。这种增压系统主要用在小型内燃机上，压气机可以来用容积式的如罗茨式压气机，也可以采用离心式的。对于四冲程发动机，采用驱动式离心式压气机，在二冲程机上应用最广的是罗茨型容积式压气机，亦称为扫气泵。2．废气涡轮增压系统

压气机K由内燃机废气驱动的涡轮机T带动(右上)，与发动机之间无任何传动机械联系。压气机与废气涡轮机组成废气涡轮增压器。在增压压力比较高时，压气机出口和内燃机进气管间装有中间冷却器，对空气进行冷却，以降低发动机的机械负荷和热负荷。由于增压器的运转不需消耗发动机所发出的有用功，经济性得以提高，因而这种增压系统在发动机上获得最广泛的应用。将普通自然吸气的柴油机经过简单的改装为涡轮增压，即可提高功率30～50％。目前单机功率从35kW到35000kW的现代柴油机上，大都采用废气涡轮增压。

由于限制排放的要求，汽油机废气涡轮增压得到进一步的重视，因为增压有助于CH、CO的完全燃烧，有助于抑制N0X的形成。

3．复合式增压系统

本系统包括由发动机机械驱动的增压器和与发动机气体联接的废气涡轮增压器，并有两种基本型式。(左下)为第一级压气机由曲轴驱动，用以保证发动机在启动招低转速低负荷时仍有必要的扫气压力。第二级由废气涡轮机驱动。(右下)的涡轮增压器与曲轴连接，在发动机高转速高负荷下，废气涡轮功率过剩时，这种结构能把过剩功本输送给曲轴，而在低负荷低转速下即涡轮功率不足时，能从的轴上取得功率。如果达到了涡轮和压气机的功率相等，能量就不存在再分配的问题。

二.增压后发动机性能的变化

采用废气涡轮增压后发动机性能在以下各方面得到改善：

1.功率大大提高

功率提高的程度视增压程度而定，可增加50～200％，甚至更高。发动机增压后的功率Peh与不增压时功率Pe之比值尺称为增压度。

2.发动机机械效率提高

虽然增压后燃烧压力将提高，使各摩擦面上的摩擦损失增加，但发动机的功率增加的更多，因此机械效率得到提高。3．经济性提高

因为增压使进气压力提高，改善了扫气效果和燃烧条件，并且发动机的机械效率又有提高，因而使燃油消耗率显著降低。

4．发动机单位功率重量大大降低发动机增压后功率显著增加，而结构重量却增加很少。

伴随着发动机增压出现的新问题主要是：

(1)机械负荷增加。因为进气压力的提高，使压缩压力和最高燃烧压力相应增大，导致零件的机械负荷增加，磨损加大，引起损杯。

(2)热负荷增加。增压后工作循环温度大大提高，使零件工作温度升高，热负荷增加，材料的机械强度降低。

在高的机械负荷、热负荷共同作用下，情况就更为严重，因此发动机增压后零件结构必须强化。三、增压发动机的结构特点

增压后发动机性能显著变化，机械负荷及热负荷大为提高，要求发动机结构也要相应地改变：

1．适当地减少压缩比。防止燃烧压力过大，以保证发动机工作可靠，延长使用期。但过低的压缩比将造成起动困难。

2．供油系统的变化。增压后由于进气量的增加，可燃烧更多的燃料，要求供油量增加，同时要求增大喷油压力，加大喷油器喷孔的直径。此外，增压后压缩压力和温度的增加，将使燃料着火落后期缩短，为防止最大燃烧压力过高，应减少供油提前角，但如供油提前角过小，会使燃烧恶化。

3．进、排气系统的变化。增压后发动机气缸进气量增加，为减小进气阻力，应适当加大进气流通截面积；为了改善扫气效果，增加充气量，以降低热负荷，应增加气阀重叠角；有的增压系统还要求将排气管分支，以充分利用废气能量并改善扫气效果。此外，由于气阎机构零件的工作温度升高，变形加大，须相应加大气阀间隙，以保证配气机构正常工作。

4．此外，增压发动机的润滑系统、冷却系统以及主要运动机件的结构强度都应适当的加强。

11.2离心式压气机的工作原理容积式压气机是按照空气披压缩时容积缩小、压力升高的原理而工作的压气机。它把从进气腔来的一定量的空气或可燃混合气进行压缩，并转送到压缩腔。进气腔和压气腔被转于隔开互不相通。在内燃机上应用较广的为转子－齿轮式的罗茨压气机。一.罗茨衰式压写气机它的肤工作呢原理门是：限两转竖子支株承在堪壳体轨中，映另外尽一个沫转子吹由曲倾轴带母动，你转子右轴上软的齿眨轮传财动转框子上握的齿悼轮，纪因此残它为性主动井转子哄．两页个转肤子支蓄承在孝完体拴两端展的轴窗承上肝同步碎转动差，并债保证圆转子诸与转胖子、炒转于份与壳墙体间窝互不董相碰剥，但鹅间隙掌很小温。转伶子外签廓把票进气枯口和棍出气桨口隔传开。当转址子转捷动时捆，下过转子累把一内定容阴积的盘空气化挤向忠压缩兽腔．绍与此药同时副，由漆于上身转子右的齿纺离开饿出气湿口边畜缘，配压缩嫂空气勾在压报力差丑的作汁用下桂，自挣压气济腔倒快流入请上转惰子和亦壳体惜之间做的空银腔，闸一直纵持续卡到两米腔压著力相丈等为待止。问从压撕力平阅衡的惨时刻味起到漏相应漏于位茅置Ⅲ的时歼刻止框为压股缩过搁程，墙位置I和位锻置Ⅲ在工宣作过碌程中建所起绘的作闭用是症相同根的，拥所以它双叶术转子那压气辨机气跌流流中通部白分的繁压力缺和速掌度的捡脉动飘周期换，相愁当于盛转子设的90存°转角篮。为了宿减少酱压力冤和速荣度的霜脉动报，经裙常采卧用三背叶形蠢转子恶，如到下图缘瑞所示便。当麦采用敬三叶罢转子圣时，华气流贞流通梢部分茂的速广度和鼻压力保脉动祸周期促相当皱于转隔子的60尖°转角仁，因蜘此，疗振幅猎比双傲叶转锄子的角小。图中贼转子睁装在召由铝府合金慕铸成拘的壳通体中隆，外辆侧开楼口为勇进气汗口，圈内侧临对着招发动腊机为绝出气网口，蛋壳体进表面辽有加查强筋廉以提轿高刚雷度。故铝合锡金盖聚板和8上装团有双怨排径量向止迟推轴吉承，岂用以暑固定踩转子叔的轴不向位肺置。僚单列洽滚珠驶轴承界允许袜微量珍位移丛，以挠保证宝转于钩和壳男体微样变形养时不赤致咬江死。两空端心转启子由封铝合迈金铸门成，足每个每转子却的两蔬端都斥装有或钢轴帽，转蠢子的婶外旋枝轮线欢型经裂过精嫁加工格，以插保证腊在工希作过做程中臭各单京独空恒腔的吸密封印性。腐斜齿劫轮同隶步转眉动可安保证潮转子装和壳哥体间祝的必瞎要间薄隙，炮以避古免转咐子和杏壳体脾间以列及转甩子相算互间怨的接惭触。馅转子冒的径镰向间亡隙和哈在轴赏向与谈壳体换间的筒间隙渐大小趴应合鸟理选华择，完使其悉能保谊证空逼气的秘泄漏巨量最裹小，淘又可浪完全湿避免端转子户工作虚时互牵相接冈触。压气许机通爱过弹肉性爪注式离昨台器靠和扭蓄力轴雹驱动被，防磨止发亿动机财扭振法时损阁坏压勤气机锋，也悟可防匙止曲学轴转瓣速急然剧变气化时呀产生剧过载呜而损石坏齿镜轮。犯转子谋式压呜气机谱是一境种较宗早应肿用于扰发动夹机增品压的垒压气笋机,其优岔点是孔结构谋比较干简单育，使走用寿手命长嫌，平稳衡性已好，绑增压漆压力笨随转裙于转拢速变珍化的虽规律捐比较寻理想共，适厨应发茄动机误变工馅况工割作的研要求迅。缺席点是禽重量企较大慨，噪侨音较戚高。测罗茨悼式压针气机熟增压抬压力盛一般暖为Pk＝0.歪15～0.贪17乡丰MP柱a以下这。二.螺旋贤型转污子压绕气机螺旋勉型与林上述夫转子教式压掀气机汉不同叹，其义流通涝部分刺的空惹气运脏动是份斜线哗方向陪，而留且旋施转的锣螺杆良和壳算体间成的空摩腔有温容积黑变化跌，进悦行内冒部压柜缩，残将空半气压友缩到公一定振的压燥力。搅螺丹旋型掀转子左压气旷机，提两个坐平行旬的转嫌子制锅成螺前旋形冈，由爆两齿叨轮传知动，拾在外议壳中趋旋转刺，转末子之脉间间穿隙很俭小。折进气筹口和五排气胳口位惕于对垦角线屋上，纺空气猫沿螺双旋槽朵流动野。徐转子撤叶型草的横症截面养如下宽图所德示。一个崭转子驻的叶何片位纤于节椅圆之寨外呈标凸出茂状，阁而另杨一个贺转子魔的叶抛片在愿节圆灰之内故呈凹惕入状领。在攀转子鞋的全戏长上络叶片钩的扭泽转角里度为24刚0°。当转也子旋骑转时搬，其愚凹处皆开始苍与外脾壳上束的进吐气口玩相通给充满轧空气泻，随拣后凹锻处与锦进气带口断寄开，妥各转急子间嚷的接搂触线归则逐忘渐地直沿轴惹线方饶向向洽外移次动。秘同时纷，由夫凹处踪蝶所构昌成的物容积定也逐集渐缩安小，斜使其蜻中的吉空气秤受到筝压缩捐，当初凹处冤与排说气口待相通红时，对受压贝缩的亲空气两就进行入增乘压腔里。掀螺都旋转突子压基气机银可连宋续而户均匀炮地向才增压举腔供纠气，为能达鞋到较狮高的击压力伶。当匹增压奋压力Pk≥0运.1剂7M笑Pa时，聚采用蒜这种陆压气雄机较瞧为合芬适。伙这种谢增压话器的翁缺点萍是尺役寸较茎大，挽因为杠横截罪面的除大部脱分为船转子棒本身竞所占遗满，划此外程，型巩线复块杂制努造困忌难。11早.3离心蹈式压午气机梨的工拌作原售理离心形式压眨气机饺属于蛋叶片例机械荒，其劣工作浑原理毛是以腐高速广气流浊与工骄作叶响轮和刘固定享叶片累的相迅互动绢力作禽用为弟基础推，与廊容积锦式压胶气机军相比牢离心荒式压黑气机案的优迹点是绍：消勺耗同肠样的胜功率摄时，形比岗容积蜘式压恨气机遇的效饥率高毕，并冰能得谅到较进高的变增压殿压力狱，一遮般能甜达到0.嫁14朽7～0.袜19追6M糟Pa以上景；结扫构简率单紧营凑，荒重量密轻，扬金属萍消耗阿量少虾。目猜前离牲心式小压气旗机在伐内燃详机增呼压方哭面获昂得广胖泛的刺应用倘。离煎心式习压气晌机的谱缺点赞是随达着转裳速的挥降低帆，增远压压咽力便妇急剧舍下降评。离心常式压堆气机乞由以辛下几鞭部分粉组成危。包绩括进妈气道甘、工旷作轮(又称待叶轮)、扩坏压器布及出厚气蜗虫壳。五扩压烧器可跌以是喷有叶袍片式翅也可辜以是瞧无叶句片式退的。空气计经滤狱清器产进入党气道吵，进薄气道境的断趋面沿丘气流扶方向抄逐渐辈缩小却，以艰便提红高气边流的姥稳定煮性。圆进气辨道一收定要工能保框证在茫流动饲损失梁为最朽小的驾情况烧下，航把空妙气均迟匀地呼导向梯工作忽轮。场工作惊轮装纤装花联链轴皱上，衣尺寸修小的忆可安求装在壁光轴透上。释工作出轮可踪蝶由曲习轴通锁过机刃械驱部动，指也可投直接为由涡鼻轮机脸驱动弄。空气做沿进关气道让进入拆工作昆轮随马工作育轮一毙起旋脆转，翠受到辱离心醒力的岸作用佛沿着藏工作免轮上踪蝶叶片材所构笑成的琴通道载流动堂，使镇空气绣受到像压缩增，这崖时压稀力从p1增加婚到p2，气拘流速快度从c1增加拒到c2，驱李动工息作轮警的机匠械功喂转化逢为空滋气在那工作骑轮中该获得怨的动离能，篇和以越压力滨形式释表现璃的势疫能。旧工作床轮出切口处台的功遮能一晚般为贿气流忌总能苍量的肿一半枪，因站此，薄在工槽作轮乎后装斜有扩宣压器愈，使述其转摇换为泻压力见能。戒当气未流在胀扩压谜器中误流动务时，穗由于床流通敌面不炎断扩婶大，卖气流焰的速润度从c2下降帽到c3，压刻力从p2升高男到p3。此衫时产圣生的但损失竟是压趋气机圾损失狡中的衬主要虽部分束。吁豆片式品扩压玻器的依损失脏比无将叶片潜式扩涝压器服的损洗失为阳小。自扩谨压器皮周围货出来酬的空氏气进朵入蜗验形管杆，从烫此进归入发恼动机危的进径气管借，根涨据增让压器盼在发迟动机戏上的茎配置司位置各不同盘，蜗骆形管饿可以集有一量个或冠数个目出口射管。联工作烟轮是桶压气按机的崇主要耍零件嚷，在鸟工作太中使何空气律受到脂压缩惩并获索得动驻能。狗工作朵轮一洒般用径铝台抵金制卫造，糊以大考大减攻少作客用在凑工作兔轮上等的离极心力苏。在佩现代夸增压则器中贝，离局心力傻可达星很高裹的数誉值，设有时讯可能侦比零卵件的谱重量童大5万到10万倍是。工作榨轮可运制成忆半开闹式或郑闭式妈的，歉半开嫌式工我作轮猴将径意向叶更片和伞轮盘敬制成棉一体衬。半闹开式拒工作爪轮的际特点沾是强杨度高腰，工诞艺性刘好，尤当空乡丰气流货经叶煮片间榆的沟剑槽时踩，流尊动损酬失变劣化平峰缓。非闭式戚工作近轮还薯具有派前封另闭盖桌，特效点是骂可大裁大降领低流泻动损觉失和嗓空气艺与壳该体的扮摩擦戴损失浴，但教工艺拣复杂席。扭由于例工作充轮背绝后b处的少空气遣压力慌比工趴作轮叮前面亭的压秩力高毙，为狸了减遣少由注于压志差造弓成的悄使循轮盘坑向左呀移动啦的轴涌向推央力，态在工筝作轮苗轮毂原上钻皆有平柏衡a如下凑图，找以使模工作雁轮前仙后的铜压力鄙得到胸平衡缸。工作捞轮进阅口处罚的叶助片顺恰着工透作轮陕转动雷方向崖扭转词一定燃角度晋，通爹常称萄为导啊向器捉，其怠作用考是使因空气肥进入纳工作抱轮时细不发限生冲找击现逃象。愁导向么器与膜工作奇轮制倍成一赛体，销导向砖器也努可单鞠独制丈造与惊工作小轮装勺在一午起。睬闭闯式工奥作轮愧与半赤开式牲工作慨轮不获同之杆处是纸具有壮前封盛闭盖新，其察特点旷是可走以大队大降巨低空止气流够经相怕邻叶漫片沟牧槽时通的损什失和搂空气后与完胀体的倒摩擦捞损失铺，这圣种工夹作轮虎适宜帮于耗师气量造大、样增压耀比高己的发今动机织压气袭机，止增压挤比愈呈高、撇耗气疤量愈书大，插封闭骡式工停作轮融的优辛点就息愈突遮出。筒但这吓种工跑作轮赵又重幸又大胡，制稼造难宾度比叙半开予式工耕作轮语高。压气戏机性戚能的径主要回参数熊是：舰单位州时间益内压败气机池提供结给内谎燃机踢的空纹气量朵，称罚为流谨量，腿并有稻两种盛表示酷方法辽。容史积流痒量为叛单位街时间锄内所吹提供甚的空简气客啄积V(鞠m3/h或m3/m裳in程)，重铺量流训量为追单位使时间叼内所裂提供占的空慈气重挥量mk(k臣g/劣s)。另一蚕个参箱数是钞增压挤比或趋压力筝升高缎比，姜为压喂气机蚀出口成空气杂压力pk与进巩口空勤气压剥力p0之比令，表墓示为πk=pk/p0。第四阶节岔涡轮哀机的始基本导原理机械汁传动沫式增把压器奇要消混耗发并动机拥的部扑分功错率，狸例如传，要愿使增申压压巴力达头到0.云15～0.泼2M继Pa，增吉压器治要消爽耗发蜻动机游有攻生功率绩的12～20骗%左右呈，相辨应增欧加了赖燃料郑的消墨耗量魔。为焰了避漫免这闭部分搭功率晒的损谈失，挖利用他发动盐机的颤废气访能量窗驱动春涡轮重来带扑动离咬心式溜压气洁机。在涡僵轮机谎中热员能转恨变为帝机械先能。毯涡轮屈机也歌属于丝式叶片缴式机伐械，悦它的业气流酿速度梁和工注作轮例周围扭速度痕都很捐高，棒从发拖动机臂气缸犯中排隐出的丹废气出进入晚涡轮掠机中舌，势牺能首潮先转于变为先动能兆，然项后再祖转变旨为输礼出轴昂上的派机械鹿功。搭按斯气流气在涡霸轮内溪流动锹方向售，涡浸轮机喉可分饭为轴跃流式续涡轮妄和径帮流式估涡轮括，如续上图汁左边聋是轴笼流式李，右僻边径侦流式字涡轮悦机简蜻图。惨装在纵轴上楚的圆妇盘上矛有工质作叶长片，分在工娃作叶贡片前队面装婶有构屿成涡汗轮机霜喷嘴匹环的齿固定松叶片低，喷来嘴环薪固定凑在壳妄体上汇。在轴吨流式偶涡轮障机中祖如上馋图左役，燃离气沿膏涡轮茄的轴拥向进逃入喷愿嘴环尸，然撇后也藏是轴牢向地镰流过春工作戴轮叶水片。和轴流软式涡栽轮机森分为键单级叮式和凉多级瓶式。蒸单级替式涡辣轮机脱只有掩一套遥工作零叶片革和喷只嘴环竿，多娃级式喇则有端两套如以上璃的工盯作叶慢片和和喷嘴钟环。轴流板式涡敞轮机崖的优透点在靠大流问量时星才能树现实禽出来忘，因吗此在年大型抄涡轮护增压扰器中凡广泛撞采用阵轴流慌式涡跟轮机本。在径颜流式穷涡轮罚机中寺如上匆图右语，燃分气先觉进入趣工作扎轮四终周的知外壳齿中，哭然后绿经导磁向叶警片径森向地吓流入后工作耳轮叶捡片；倡转弯90精°后气绞体才茂沿轴薄向流扒出涡扣轮机腹，它样和离妨心式钻压气棋机相愈似，弱但气争流方腾向相挡反。健因为垂气流窜流动滤方向降是由趁外缘泥向中旁心的保，所以以径掠流式仗涡轮皇机也昆称向辱心式惠涡轮拍机。该径流刮式涡恰轮机丸是单陡级的馆，通伪常在棒小型铁涡轮日增压恨器中卧采用米，其串特点绕是尺龙寸小段、转岂速高喂、流漂量小适。近男来，特大流朱量高培压比映的径巾流式贯涡轮幅机亦叹获得蔬发展女，并壤开始起在大钉功率铺高强果化柴组油机左增压桨器上继使用刑。增压纷中冷更：增压骄后的泛空气构温度似升高榆，一仿则发归动机彼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