发动机增压概念

8.1　发动机增压概念

由式(2－14)可知，发动机的有效功率为:

式中，V _s为工作容积(m²);n为发动机的转速(r/min);i为缸数;p _me为平均有效压力(kPa);τ为冲程数。

而

式中，D为活塞直径;S为冲程长度;C _m为活塞的平均速度。

由此可知，发动机的有效功率与其结构参数D、S、i、τ和活塞的平均速度C _m及发动机的有效压力P _me有关，即:

即，要提高发动机的单机功率，可通过改变发动机的结构参数(i、D、S、τ)、提高发动机转速n和活塞平均速度C _m、提高发动机的平均有效压力P _me来实现。然而，上述因素中，有的互相促进，有的受到制约。比如，提高转速可以使功率增加，但必然要使运动件的惯性力增大，导致机械应力的增加。随转速的增加，运动件的摩擦损失增加而导致机械效率降低。又如，增加汽缸数在使总功率增加的同时，必然使结构复杂化。过多的扩大缸径、增加行程，会使机器笨重，给加工、安装、维修带来困难等。提高平均有效压力的主要方法，则是通过控制过量空气系数、提高充气效率和增加进入汽缸的充量密度ρ_ο来实现。

改善换气质量、提高发动机功率均有明显效果，但潜力不大。然而，通过增压来提高充量密度，不仅可以提高功率几成，甚至几倍，同时可以改善燃烧过程，提高经济性，减少废气中的HC、CO及碳粒，降低噪声。因而，增压是内燃机发展的重要方向。有不少工业化先进的国家已将增压机作为内燃机的基本机型。

所谓增压，就是设法提高进入汽缸的充量密度，使进入发动机的新气量增加，这就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，从而提高功率。

发动机的增压技术历史悠久，尤其是近年来，随着技术的不断发展，载货汽车柴油机的数量不断增加、部分柴油机轿车也采用了增压技术，汽油机增压的许多问题也已成功解决。

8.1.1　增压发动机的特点

增压发动机的特点包括以下几点:

(1)功率相同时，发动机的空间尺寸减小，质量减轻，这对于车用发动机的经济性更有意义。

(2)在达到额定输出功率时，摩擦损耗相对较小，在部分负荷时，增压发动机的工况更接近最大效率设计工况点。

(3)通过增压器的合理设计，可以将扭矩特性改进为低速高扭矩，这对车用机非常有利。

(4)随行驶地区海拔高度升高而导致的功率下降(海拔每上升1000m功率约下降10%)可通过增压度来弥补。

(5)通过增压可以使排放降低。比如对增压汽油机，通过最合适的燃烧室形设计和在涡轮机内的后燃使HC值降低;在高负荷范围内使NO _x降低;对于增压柴油机由于空气过量，使烟度有所下降。

(6)降低噪声。柴油机增压后，由于混合气工作温度升高，着火延迟期缩短，燃烧过程变得柔和，对直喷式柴油机更是有利。另外通过换气管内的波动的削平和消声，也使噪声减小;表面辐射噪声也有所下降。

(7)机械损失减少，经济性得到改善。增压机由于平均有效压力提高，机械损失相对减少，因而在高负荷区机械效率得到提高;而在低负载区，由于进、排阻力和换气损失的增加，经济性受到影响。在相同功率时，增压机比非增压机的排量要小，机械损失也相对要小。这样，增压机的比油耗比非增压机小、等油耗的经济运行区扩大;另一方面，排量不变时降低转速，机械损失也就减少，热效率得到提高。

(8)增压机的主要零部件的机械负荷和热负荷增加。

8.1.2　发动机增压的衡量指标

衡量增压的指标主要有增压度和增压比。

1.增压度Φ

增压度是指发动机在增压后功率的增加量与增压前的功率之比。即

式中，P _eo、P _ek为增压前、后发动机的功率。

增压度取决于所采用的增压系统，采用中冷可使增压度提高。汽油机的增压受到爆震燃烧的限制。柴油机的增压度受到燃烧最高爆发压力的限制，通常以降低压缩比来补偿。

增压度小于1.9者，为低增压;在1.9～2.5者，为中增压;在2.5～3.5者，为高增压;大于3.5者为超高增压。

现代四冲程柴油发动机的增压度可达3以上，但车用机除了求取高功率外，还需要在运行范围内满足车辆动力性、经济性、排放和成本等多方面的要求，车用柴油机多为低增压，部分采用中增压;汽油车用发动机一般采用低增压，其增压度只有0.1～0.6。

2.增压比

增压比为压气机出口压力与进口压力比，简称压比，用πb表示。

式中，P_b为压气机的出口压力;P_o为压气机的进口压力。

也可用增压比πb来确定发动机的增压程度。πb＜1.6时为低增压，相应发动机平均有效压力P _me为700～1000kPa，相应在1500Pa以上。

8.1.3　发动机增压的种类

按增压的工作原理，发动机增压可分为:机械式增压、容积式(进气管)增压、气波增压、废气涡轮增压、复合增压。

1.机械式增压

机械式增压是压气机由发动机曲轴通过三角带、齿轮、链带等传动装置直接驱动的增压方式。图8－1为常见的机械式系统。机械式增压又分为挤压式和流动式。流动式工作效率高，但其性能不适合于车用机。挤压式又分为柱塞式、螺旋式、叶片式、转子式。其工作原理都是通过工作容积的减少对新气进行压缩而实现增压。

机械式的主要优点是简单、比较便宜，但当增压比较高时，消耗的驱动功率很大，可超过指示功率的10%，而使整机的机械效率下降，比油耗增加，因此主要用于小型机，通常其压气机出口压力不超过160～170kPa。由于涡轮增压在低转速、小负荷时供气不足，因而机械增压在轿车发动机上重新采用，比如轿车有95%的采用罗茨增压机(转子式增压机的一种)。

2.容积式增压(容积式进气管)

这种增压装置是利用每个循环在进气管内产生的压缩波和膨胀波来增压的。每一气缸都接有一定长度的特殊进气管，根据进气管长度在发动机的不同转速范围内出现明显的后充气效应，从而提高了供气效率。但在另一转速范围内会产生膨胀波，反而会使供气效率降低。

3.气波增压

气波增压和废气涡轮增压都是利用发动机排出废气的能量来进行增压的。废气涡轮增压将在本章第二节介绍。

图8－1　机械增压系统示意图

K—压气机　D—发动机　C—传动装置

P_o、T_o—压气机前气体的压力、温度

P_k T_k—压气机后气体压力、温度

PT、T_T—发动机排气压力、温度

图8－2　气波增压器的工作原理图

气波增压是利用排气的压缩波和膨胀波来传递能量的。它由一个转子和两个定子组成。(见图8－2)从发动机排出的高压燃气定子，在转子中对空气进行压缩。空气的压力、温度升高后从另一定子进入发动机气缸。同时，空气对高压燃气产生一个膨胀波，使燃气压力下降，低压燃气从原来的定子排入大气。转子由曲轴通过带轮等传动装置驱动转子，压缩能量由排气直接供应，克服摩擦和通风损耗所需的功率不大，约消耗整机功率的1.0%～1.5%。

与废气涡轮增压相比，气波增压具有如下优点:

(1)整个运行工况下，气波增压的增压压力较高，尤其在低转速下更为明显，在低速时也能获得大扭矩。

(2)整个运行工况下，气波增压的空气密度较高。

(3)低速时，气波增压有较大的平均有效压力和功率，有较好的经济性。

(4)在运行转速范围内，气波增压的排气温度较涡轮增压低。

(5)气波增压的加速性好。因为其转子轻巧，对负载改变的响应几乎无延滞，适合车用。

(6)通常不需要阀门控制。也就是说，气波增压与涡轮增压比，有更佳的低速运行特性及经济性和加速性，且结构简单、制造方便。

但气波增压的结构尺寸较大，在发动机上的安装位置受到限制，噪声大。用汽油机时，由于其转速范围宽、流量大、温度更高，还存在困难。

4.复合增压

在有些发动机上，除了应用废气涡轮增压以外，同时还应用机械驱动增压，这就是所谓复合增压。比如，在某些二冲程柴油机上，为了保证起动和低转速、低负荷时有必要的扫气压力，就采取了这种增压方式。该增压方式又分为串联增压和并联增压。所谓串联增压，就是二级增压，即新气先由涡轮机增压，再由机械式增压器增压。并联增压就是，新气同时进入两个增压器，增压后再将新气同时送入发动机。

近年来，出现了一种将废气涡轮增压与惯性增压的组合，也叫复合增压。它是在经废气涡轮增压器增压后的新气送到一个由谐振腔和谐振管组成的谐振系统中，谐振系统产生相应地激振频率，如果这个频率与进入系统的空气频率相同，则产生共振。可利用这种共振所产生的能量来增加充气效率。系统的自振频率取决于管道的长度和直径、谐振腔的容积及空气的速度等。

该系统能使发动机在最大扭矩转速时达到最佳充气性能，还能同时提高低速扭矩，加快增压器的响应速度，改善燃烧效率，从而降低油耗、减少污染，且结构简单、运行可靠，已在车用发动机中得到较多应用。