2022年定压增压与脉冲增压 .pdf

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1、浅析 K38 发动机 A 型与 C 型在增压方式上的区别从内燃机的热平衡分析中我们知道，燃料通过燃烧所释放的总热量中，有25%以上是被排气带走的， 而其中的可用能量又占排气总能量的60%。 内燃机的排气涡轮增压器就是要利用这部分能量实现对进气的加压，增加进气密度， 提高内燃机各项性能指标。 按排气能量在涡轮中的利用方式，内燃机的排气涡轮增压系统有定压和脉冲涡轮增压两种基本形式，如图1 所示，进气管进气管a）b）图 1 涡轮增压系统的两种基本形式a）定压系统b）脉冲系统（一）定压涡轮增压系统K38 发动机 A 型机子属于典型的定压增压系统。定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足

2、够大的排气管内，然后再引入涡轮（图 1 a） 。尽管各个缸是交替排气的， 但是由于排气管的稳压作用， 涡轮入口处的压力基本不变，故称为定压增压系统。下面根据增压柴油机的理论示功图(图 2)， 来说明定压增压对内燃机排气能量的利用情况。图 2 定压涡轮增压内燃机的理论示功图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 图中，3-a是内燃机的吸气行程， 吸入的空气压力为Pb，a-c-z -z-b 是气缸内依次进行的压缩、燃烧与膨胀

3、过程，然后是排气过程b-5。由于排气涡轮增压器的存在，使得排气的背压即增压器前排气管总管内的压力为Pt，该压力对于定压增压系统而言是恒定的，显然PbPt，这样面积 a-5-4-3-a 为充量更换过程所获得的泵气正功。面积2-3-a-0 系压缩进入内燃机气缸内的空气所需的能量，面积i-g -3-2 则为压缩扫气空气所需的能量（s 为扫气系数），故压气机消耗的能量为上述两部分之和，由面积i-g -a-0 表示。排气涡轮的可用能量应为涡轮前压力Pt线与大气压线 Po所围成的面积 i-g-e-f,他由三部分组成：（1）面积 i-g-4-2 是扫气空气提供的能量； （2）面积 2-4-5-1 为活塞强制

4、推出排气所做的功，系发动机给予；（3）面积 1-5-e-f 是真正取自燃气的能量。燃气所具有的可用能为1-b-f，他是排气由排气门开启状态b 等熵膨胀到大气压力 f 所做的最大功。 定压系统仅能从损失的能量5-b-e-5中回收一小部分热能，加热排气从而使定压系统中排气的温度从e 点提高到 e点，因此排气在涡轮中将沿着 e -f 线膨胀，涡轮可用能量面积将增加一项e-e -f -f，因此 5-b-e-5中大部分能量不可避免的损失了。若采用高增压，使增压压力和涡轮前的压力提高，即提高排气总管内的压力，上述损失将会降低，能量的利用率就会有所提高。定压涡轮的主要优点是： 涡轮在定压下全周进气， 效率较

5、高； 气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂；排气系统简单，成本较低，易于布置和维护。主要缺点是脉冲能量的利用率低， 实验表明， 当增压压力较小时， 定压增压系统仅仅利用了排气能量的12%-15%,高增压时可达 30%以上。此外，定压增压的内燃机的低速转矩特性和加速性能较差。(二)脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损失能量（面积5-b-e）的利用率。这种方案的特点是排气管做的短而细，排气系统容积要尽可能小， 使排气能直接迅速的进入涡轮机中膨胀做功， 减少节流损失。 此外，为减少各缸排气压力波的相互干扰， 往往采用两根或更多排气支管将相邻的发火气缸的排气相互隔开。图中，发火顺序为

6、 1-5-2-4-3-6,1、2、3 缸共用一根排气管， 4、5、6 缸共用另一根排气管，例如当 1 缸开始排气后，排气管内的压力Pt 能够迅速升高到接近缸内气体压力 P1，因为减少了排气的节流损失，而在缸1 排气过程中，同一排气管内其他缸尚无排气门打开， 与另一排气管中缸5 排气也不产生排气压力波的干扰。随着排气进入涡轮，缸内和排气管内压力Pt 迅速下降，待到同一排气管内相邻发火间隔的气缸 3 开始排气，缸 1 排气门已经关闭，缸3 的排气压力波不会影响缸 1 的排气过程。 随着缸 3 排气的进行， 管内的压力 Pt 迅速升高，而后又降低，于是形成了排气管内的压力周期性脉动。由于排气管内的压

7、力周期性脉动，造成涡轮进口压力的周期性脉动， 涡轮是在进口压力有较大波动情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压系统。在脉冲涡轮增压系统中，在气缸刚刚开始排气时，节流损失固然也很大，但是由于排气管内的压力Pt 迅速升高，并接近气缸内的压力P1，因而总得节流损失大大减少。同时，由于排气管较细，排气管中气流速度较高，因而部分气流的动能可以再涡轮中直接加以利用，使涡轮机的可用能量增加， 有利于增压压力的提高。从以上的分析可以看出，脉冲系统比定压系统能更好的利用内燃机的排气能量，且排气管容积越小越好， 以至于近年来出现了一种将增压器与排气管作为一名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

8、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 体的紧凑结构。 一般而言， 当排气系统设计较好时， 在定压系统损失的可用能量5-b-e中，大约有 40%-50%可以再脉冲系统中得到利用， 因此涡轮的可用能量大，可以建立的增压压力Pb 就高。反之，如果要求同样的增压压力Pb，那么在脉冲系统中就可以放大涡轮喷嘴环的截面积，使排气管的排空更快， 从而减少排气背压，改善内燃机的扫气性能。（三）定压增压与脉冲增压系统的比较1、排气能量的利用脉冲涡轮增压系统中，由于排气节流所造成的排气能量的损失比定压

9、增压系统小，同时还考虑了对排气脉冲能量的利用，而在定压涡轮增压系统中， 脉冲能量由于排气管容积大而几乎损失殆尽， 所以脉冲增压对排气能量的利用比定压增压要好。但当定压比提高时， 定压系统排气管内的压力也相应提高，排气能量的损失有所下降， 且脉冲能量在排气能量中所占的比重也随增压比的增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近。一般而言，当增压比小于 2.5 时，采用脉冲增压系统对排气能量的利用比较好。2、扫气作用在内燃机气门叠开扫气期间，脉冲系统的排气管压力PT 正好处于波谷，因此即使在部分负荷工况下，仍能保持足够的扫气压力差Pb-Pt，以保证气缸有良好的扫气，达到提

10、高充量系数、 减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。而在定压系统中由于排气管压力Pt 波动小，扫气压力差小，不容易保证气缸内的扫气质量。3、内燃机的加速性能在脉冲增压系统中， 由于排气管容积小， 当内燃机负荷改变时， 排气温度和压力的变化很快传递到涡轮机， 并由涡轮直接反映到压气机， 从而使增压器能较快响应发动机负荷的变化， 所以采用脉冲增压系统的内燃机加速性能好。此外，在内燃机转速降低时，脉冲增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。 在排气管容积较大的定压系统中，涡轮机前的压力变化比较缓慢，特别是在低增压时，排气能量的利用率低，加速性能差。定压系统的转矩特性也

11、不如脉冲系统。4、增压器的效率从排气涡轮的效率来看， 脉冲系统的平均等熵效率比定压系统略低。脉冲系统在内燃机开始排气时， 排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加； 涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的， 进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期性地改变， 这使得气流的撞击损失增加； 脉动压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，因此脉冲系统的热效率较低。定压系统的涡轮前压力恒定，涡轮的效率较高。5、增压系统结构与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管结构也比较复杂。综上所述，内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统，高增压时两种系统均可采用。车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故多采用脉冲增压系统。对于船、发电等场合，由于变工况要求并不突出，对增压系统的空间安装位置也无严格限制，且增压度一般较高， 故多采用定压增压系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -