增压原理，大众柴油机实例

在汽车领域常用的4冲程发动机在“充量更换”中进行废气与新鲜空气的交换。因为燃料量（特别是在直接喷射）是可变的，所以发动机的输出功率取决于提供给发动机的空气量。增压空气压力或密度是增压的一个重要参量。自然进气发动机（不增压）燃料的供给受到吸入的空气量的限制，喷入过多燃料就不能完全燃烧。如果要使发动机的有效功率P_e增加，则可通过增加气缸工作容积V_h、气缸数z、转速n、冲程数i或提高平均有效压力p_me实现（方程式1）。

P_e=V_h·z·n·i·p_me （1）

发动机转速一般不能任意提高。增加气缸工作容积或气缸数意味着发动机体积增大、重量增加、内摩擦增加。而提高平均有效压力由于燃料喷射系统的灵活性则相对简单。平均有效压力随提供给发动机的新鲜空气密度呈线性增加。增压就起到这个作用。实际上在大众1.9L TDI柴油机的例子中特别清楚地表明这种关系，因为该机型有几个功率谱（图5.3-2）。与非增压SDI柴油机相比，增压TDI柴油机在相同的基型柴油机上几乎可以任意地改变喷油量和增压空气压力。

图5.3-2 大众1.9L增压柴油机功率谱实例

1.谐振管增压

可采用不同增压原理实现增压。首先提到的是谐振管增压（图5.3-3a）。这种增压没有采用主动的增压装置。为提高发动机进气量，可利用进气行程中新鲜空气的进气振动。在发动机某一转速（范围）选择有效的进气管长度及容积就可达到空气的谐振，从而提高空气增压度。谐振管增压可达到的空气增压度有限，只能在一定的发动机转速，空气才能谐振。

图5.3-3 增压原理

a）谐振管增压 b）压气机增压 c）废气涡轮增压器增压

2.压气机增压

为主动增压可以选用压气机。首先观察机械驱动的压气机（图5.3-3b）。为避免较高的变速器传动比，通常使用按容积原理工作的压气机，以下就简称为压气机。这种供给发动机增压空气的方式常称为“机械增压”或“压气机增压”。利用压气机容积变小提高空气压力。压气机驱动转速与内燃机转速成比例，且在同一个数量级。压气机增压主要有3种结构型式：罗茨式增压器、螺杆式增压器和螺旋式增压器。这类增压器的主要差别是可达到的增压空气压力和生产成本。按“机械增压”概念，就表明了这类增压器的驱动。它们通过变速比与曲轴耦合。具有陡的特性场（一系列的等压缩线n_v，图5.3-4a），这表明发动机还在低速时就可提供高的增压空气压力，使发动机具有良好的动态性能。这类增压器的使用受到限制的原因是压缩空气消耗的功率，包括增压系统的摩擦损失完全要从发动机的有效功率中扣除。采用可调的旁通阀实现增压器调节[如戴姆勒克莱斯勒4缸点燃式发动机、1.8L、120kW的“压气机”（罗茨式增压器）]。另外，为降低在几乎不需要增压空气压力的工作范围的燃油消耗，可以通过可控离合器切断压气机。在发动机上采用这种增压方式总的结构费用高。(www.xing528.com)

图5.3-4 机械增压器的特性场

a）容积式增压器（压气机）特性场 b）液体式增压器（废气涡轮增压器）特性场

3.废气涡轮增压器

废气涡轮增压器按热力学原理工作（图5.3-3c）。增压所需能量取自发动机废气。其优点是可以利用废气中的一部分热能，从而改善发动机热效率。废气在涡轮中膨胀而做功，并提供给涡轮压气机。废气在涡轮前加速，在工作得到的能量以转动的形式传递到废气涡轮增压器轴上。为达到工作轮的高效率，工作轮需要高的功率密度和高的圆周速度。与压气机增压的压气机相比，废气涡轮增压器结构尺寸小。乘用车点燃式发动机使用的废气涡轮增压器转速远超过20000r/min。目前使用的涡轮压气机工作原理正好与涡轮相反。与机械增压相比废气涡轮增压器是完全不同的增压方式。它与容积式增压器（压气机）的特性场区别不只是等转速特性线不同（图5.3-4b），在体积流量减小时增压比缓慢增长，且最高转速约高20倍。另外，涡轮压气机有一个典型的不稳定流动区。这是为建立气体压力，高速气流需要减速而出现的气流分离现象。气流减速导致输送出去的空气逆着原来的流动方向经涡轮压气机反向流动。这个过程循环发生，即压气机输送的空气间歇性中断和再次输送，并形成噪声而被称为喘振。在特性场的稳定区和不稳定的过渡区称为“喘振边界”。在设计涡轮压气机时要注意发动机应在稳态特性场内工作。废气涡轮增压器的这种特性场限制了柴油机和点燃式发动机在高转矩（即高增压压力）和低发动机转速的工作范围。

4.其他增压系统

除了在内燃机上实现的三种增压方式外，还有其他没有采用的增压方式，如气波增压（Comprex Aufladung）。在气波增压的转子通道中，废气将能量直接传给进入发动机的新鲜空气。转子不是主动地直接提升新鲜空气压力，而是作为废气动力学与新鲜空气动力学的耦合体与能量交换。

人们估计各种增压系统的年销售量为废气涡轮增压器约1500万台，压气机约50万台。所以废气涡轮增压器的成功是公认的。人们比较废气涡轮增压器在乘用车点燃式发动机、乘用车和商用车柴油机三个最常用的领域可以发现，不同应用场合的废气涡轮增压的不同热力学工作过程具有不同的工作特性。在乘用车点燃式发动机上，特别是在外部混合气形成时，废气涡轮增压器可实现的增压压力由于增压度的提高而增加爆燃的危险，因而被限制在最高值不超过1bar表压。采用汽油直喷点燃式发动机可增高增压压力。当前典型的最高废气温度为950℃。发动机和废气涡轮增压器生产厂家开发的未来目标是1050℃。乘用车柴油机达到的废气温度明显地要低（很少超过850℃），为此需要较高的增压压力（比转矩约可达2bar）。在乘用车的应用领域，其特点是行驶性能的可变性。发动机在从在喘振边界到标定功率间的宽阔特性场工作。作一比较：商用车柴油机是在窄的特性场工作，通常是在最少的燃油消耗区工作。在较低的废气温度时增压压力明显高于乘用车上的增压压力（约达3bar表压）。上面列举的废气温度和增压压力值只是大致的参考值，要视具体的情况而变化。最后，增压压力是由发动机的比负荷（比转矩）和过量空气系数决定的（图5.3-5）。

图5.3-5 增压压力随比转矩和过量空气系数λ的变化

从应用废气涡轮增压器角度，只要发动机燃烧过程没有重要变化，废气涡轮增压器对发动机结构不会有多大影响。因为废气涡轮增压器安装在排气弯管上，不会对发动机有明显的干涉。在直喷点燃式发动机上，废气涡轮增压器则要受到相应的限制，因为在使用汽油直喷时燃烧方式和发动机部件作了较大的变动。另外，从废气涡轮增压器原理角度，废气涡轮增压器只通过废气，而不是通过曲轴与发动机耦合在一起。这样，发动机的动态性能与稳态性能是不一样的。一方面是带两个工作轮的转子有质量并有惯性（机械惯性）；另一方面是加速过程中废气能量总是要滞后建立起来（热惯性），这称之为“涡轮空洞”。