淺談定壓增壓發(fā)動機和脈沖增壓發(fā)動機

1、從內(nèi)燃機的熱平衡分析中我們知道，燃料通過燃燒所釋放的總熱量中，有25%以上是被排氣帶走的，而其中的可用能量又占排氣總能量的60%。內(nèi)燃機的排氣渦輪增壓器就是要利用這部分能量實現(xiàn)對進氣的加壓，增加進氣密度，提高內(nèi)燃機各項性能指標(biāo)。按排氣能量在渦輪中的利用方式，內(nèi)燃機的排氣渦輪增壓系統(tǒng)有定壓和脈沖渦輪增壓兩種基本形式，如圖1所示，收藏 （一）定壓渦輪增壓系統(tǒng)   某型發(fā)動機A型機子屬于典型的定壓增壓系統(tǒng)。定壓渦輪增壓系統(tǒng)是把內(nèi)燃機所有氣缸的排氣收集到一個體積足夠大的排氣管內(nèi)，然后再引入渦輪（圖1 a）。盡管各個缸是交替排氣的，但是由于排氣管的穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力

2、基本不變，故稱為定壓增壓系統(tǒng)。   下面根據(jù)增壓柴油機的理論示功圖(圖2)，來說明定壓增壓對內(nèi)燃機排氣能量的利用情況。收藏 圖中，3-a是內(nèi)燃機的吸氣行程，吸入的空氣壓力為Pb，a-c-z-z-b是氣缸內(nèi)依次進行的壓縮、燃燒與膨脹過程，然后是排氣過程b-5。由于排氣渦輪增壓器的存在，使得排氣的背壓即增壓器前排氣管總管內(nèi)的壓力為Pt，該壓力對于定壓增壓系統(tǒng)而言是恒定的，顯然PbPt，這樣面積a-5-4-3-a為充量更換過程所獲得的泵氣正功。面積2-3-a-0系壓縮進入內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的空氣所需的能量，面積i-g-3-2則為壓縮掃氣空氣所需的能量（s為掃氣系數(shù)），故壓氣機

3、消耗的能量為上述兩部分之和，由面積i-g-a-0表示。  排氣渦輪的可用能量應(yīng)為渦輪前壓力Pt線與大氣壓線Po所圍成的面積i-g-e-f,他由三部分組成：（1）面積i-g-4-2是掃氣空氣提供的能量；（2）面積2-4-5-1為活塞強制推出排氣所做的功，系發(fā)動機給予；（3）面積1-5-e-f是真正取自燃氣的能量。   燃氣所具有的可用能為1-b-f，他是排氣由排氣門開啟狀態(tài)b等熵膨脹到大氣壓力f所做的最大功。定壓系統(tǒng)僅能從損失的能量5-b-e-5中回收一小部分熱能，加熱排氣從而使定壓系統(tǒng)中排氣的溫度從e點提高到e點，因此排氣在渦輪中將沿著e-f線膨脹，渦輪可用能量面

4、積將增加一項e-e-f-f，因此5-b-e-5中大部分能量不可避免的損失了。若采用高增壓，使增壓壓力和渦輪前的壓力提高，即提高排氣總管內(nèi)的壓力，上述損失將會降低，能量的利用率就會有所提高。定壓渦輪的主要優(yōu)點是：渦輪在定壓下全周進氣，效率較高；氣流引起的激振較小，不易引起葉片斷裂；排氣系統(tǒng)簡單，成本較低，易于布置和維護。主要缺點是脈沖能量的利用率低，實驗表明，當(dāng)增壓壓力較小時，定壓增壓系統(tǒng)僅僅利用了排氣能量的12%-15%,高增壓時可達30%以上。此外，定壓增壓的內(nèi)燃機的低速轉(zhuǎn)矩特性和加速性能較差。(二)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)旨在提高在定壓系統(tǒng)中損失能量（面積5-b-e）的利用率。這種

5、方案的特點是排氣管做的短而細，排氣系統(tǒng)容積要盡可能小，使排氣能直接迅速的進入渦輪機中膨脹做功，減少節(jié)流損失。此外，為減少各缸排氣壓力波的相互干擾，往往采用兩根或更多排氣支管將相鄰的發(fā)火氣缸的排氣相互隔開。圖中，發(fā)火順序為1-5-2-4-3-6,1、2、3缸共用一根排氣管，4、5、6缸共用另一根排氣管，例如當(dāng)1缸開始排氣后，排氣管內(nèi)的壓力Pt能夠迅速升高到接近缸內(nèi)氣體壓力P1，因為減少了排氣的節(jié)流損失，而在缸1排氣過程中，同一排氣管內(nèi)其他缸尚無排氣門打開，與另一排氣管中缸5排氣也不產(chǎn)生排氣壓力波的干擾。隨著排氣進入渦輪，缸內(nèi)和排氣管內(nèi)壓力Pt迅速下降，待到同一排氣管內(nèi)相鄰發(fā)火間隔的氣缸3開始排氣

6、，缸1排氣門已經(jīng)關(guān)閉，缸3 的排氣壓力波不會影響缸1 的排氣過程。隨著缸3排氣的進行，管內(nèi)的壓力Pt迅速升高，而后又降低，于是形成了排氣管內(nèi)的壓力周期性脈動。由于排氣管內(nèi)的壓力周期性脈動，造成渦輪進口壓力的周期性脈動，渦輪是在進口壓力有較大波動情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。   在脈沖渦輪增壓系統(tǒng)中，在氣缸剛剛開始排氣時，節(jié)流損失固然也很大，但是由于排氣管內(nèi)的壓力Pt迅速升高，并接近氣缸內(nèi)的壓力P1，因而總得節(jié)流損失大大減少。同時，由于排氣管較細，排氣管中氣流速度較高，因而部分氣流的動能可以再渦輪中直接加以利用，使渦輪機的可用能量增加，有利于增壓壓力的提高。

7、60;  從以上的分析可以看出，脈沖系統(tǒng)比定壓系統(tǒng)能更好的利用內(nèi)燃機的排氣能量，且排氣管容積越小越好，以至于近年來出現(xiàn)了一種將增壓器與排氣管作為一體的緊湊結(jié)構(gòu)。一般而言，當(dāng)排氣系統(tǒng)設(shè)計較好時，在定壓系統(tǒng)損失的可用能量5-b-e中，大約有40%-50%可以再脈沖系統(tǒng)中得到利用，因此渦輪的可用能量大，可以建立的增壓壓力Pb就高。反之，如果要求同樣的增壓壓力Pb，那么在脈沖系統(tǒng)中就可以放大渦輪噴嘴環(huán)的截面積，使排氣管的排空更快，從而減少排氣背壓，改善內(nèi)燃機的掃氣性能。 （三）定壓增壓與脈沖增壓系統(tǒng)的比較1、排氣能量的利用 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)中，由于排氣節(jié)流所造成的排氣能量

8、的損失比定壓增壓系統(tǒng)小，同時還考慮了對排氣脈沖能量的利用，而在定壓渦輪增壓系統(tǒng)中，脈沖能量由于排氣管容積大而幾乎損失殆盡，所以脈沖增壓對排氣能量的利用比定壓增壓要好。但當(dāng)定壓比提高時，定壓系統(tǒng)排氣管內(nèi)的壓力也相應(yīng)提高，排氣能量的損失有所下降，且脈沖能量在排氣能量中所占的比重也隨增壓比的增加而減小，所以兩種系統(tǒng)對排氣能量的利用效果將隨增壓比的提高而逐漸接近。一般而言，當(dāng)增壓比小于2.5時，采用脈沖增壓系統(tǒng)對排氣能量的利用比較好。2、掃氣作用  在內(nèi)燃機氣門疊開掃氣期間，脈沖系統(tǒng)的排氣管壓力PT正好處于波谷，因此即使在部分負荷工況下，仍能保持足夠的掃氣壓力差Pb-Pt，以保證氣缸有良好的

9、掃氣，達到提高充量系數(shù)、減小燃燒室中受熱零件熱負荷的目的。而在定壓系統(tǒng)中由于排氣管壓力Pt波動小，掃氣壓力差小，不容易保證氣缸內(nèi)的掃氣質(zhì)量。3、內(nèi)燃機的加速性能  在脈沖增壓系統(tǒng)中，由于排氣管容積小，當(dāng)內(nèi)燃機負荷改變時，排氣溫度和壓力的變化很快傳遞到渦輪機，并由渦輪直接反映到壓氣機，從而使增壓器能較快響應(yīng)發(fā)動機負荷的變化，所以采用脈沖增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機加速性能好。此外，在內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速降低時，脈沖增壓系統(tǒng)的可用能與定壓增壓系統(tǒng)的可用能之比增大，有利于改善內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩特性。在排氣管容積較大的定壓系統(tǒng)中，渦輪機前的壓力變化比較緩慢，特別是在低增壓時，排氣能量的利用率低，加速性能差。定壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性也不如脈沖系統(tǒng)。4、增壓器的效率  從排氣渦輪的效率來看，脈沖系統(tǒng)的平均等熵效率比定壓系統(tǒng)略低。脈沖系統(tǒng)在內(nèi)燃機開始排氣時，排氣以很高的流速進入渦輪，流動損失增加；渦輪前的排氣溫度和壓力都是周期性脈動的，進入工作輪葉片的排氣流動方向也是周期性地改變，這使得氣流的撞擊損失增加；脈動壓力有時還造成渦輪機的部分進氣現(xiàn)象，因此脈沖系統(tǒng)的熱效率較低。定壓系統(tǒng)的渦輪前壓力恒定，渦輪的效率較高。5、增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  與定壓系統(tǒng)相比，脈沖系統(tǒng)的尺寸較大，排氣管結(jié)構(gòu)也比