柴油机的废气涡轮增压

8.2　柴油机的废气涡轮增压

废气涡轮增压是增压内燃机中应用最普遍、最有效率的增压方式，20年代初就开始用于柴油机。

图8－3　车用废气涡轮增压器

1－压气机壳　2－压气机叶轮　3－透平机壳体　4－转子　5－支承座　6－废气流入　7－废气流出　8－新鲜空气　9－压缩空气　10－润滑油流入　11－润滑油流出

图8－4　离心式压气机

1－进气道　2－工作轮　3－扩压器　4－压气机壳

根据废气在涡轮中的流通方向，可将废气涡轮增压器分为径流式和轴流式两种。车用内燃机大多采用径流式涡轮增压器。

径流式涡轮增压器是由径流式涡轮机和离心式压气机组成，两者有一固定的轴联接。其结构如图8－3所示。涡轮机的叶轮由内燃机的热废气驱动，由涡轮机带动压气机工作，压气机吸入新鲜空气压缩后送入汽缸。废气涡轮增压器是通过空气和废气的流动与内燃机耦合，并自行调整，其转速与内燃机的转速没有联系。

8.2.1　离心式压气机的构造、工作原理与特性

1.离心式压气机的构造

如图8－4所示，单机离心式压气机通常由进气道1、工作轮2、扩压器3和压气机壳4组成。

(1)进气道。进气道的作用是将气流有秩序地导入压气机的工作叶轮进行压缩，按其结构和空气流动的特性，主要有轴向进气和径向进气两种形式，见图8－5。

图8－5　进气装置形式

轴向进气道的进气气流沿轴向进入工作轮，空气进入工作轮时的损失较小，这种结构常用于小型增压器。径向进气道的进气气流由径向流入，再转为沿轴向流入工作轮。由于气流流入工作轮要转弯，损失较大，且工作轮进口的气流不均匀，常用于大型增压器。

(2)压气机的工作轮。即叶轮，它旋转时使空气在离心力的作用下受到压缩甩向工作叶轮外缘，使空气得到能量，从而使空气的温度、压力和流速都增加。

如图8－6所示，工作轮由叶片2、轮廓3、轮盘4和轮盖1组成。

其结构形式有:封闭式，见图8－6(a)与图8－6(b);开式，见图8－6(c);星行，见图8－6(d)四种。

图8－6　压气机工作叶轮

1－轮盖　2－叶片　3－轮毂　4－轮盘

封闭式的流道是封闭的，由于叶片通道中的空气对静止机壳间的摩擦和流动损失较小，故效率较高。半开式叶轮与封闭式相比，没有轮盖，其气流损失和流动损失较封闭式大，因其结构简单、制造方便、叶片和轮盘相连具有一定的强度和刚度而应用较多，小型增压机常用此结构形式。开式叶轮则只有轮毂和叶片，没有轮盖和轮盘，叶片两边是敞开的，摩擦和流动损失大、效率低，容易引起振动，目前已很少采用。星形叶轮是在半开式叶轮的基础上发展起来的是介于开式和半开式之间的一种型式。为减少叶轮质量(即减少转动惯量)，将轮盘的直径减小，即小于叶片端部直径，这样它能承受较高转速，适用于高增压压力的增压器。星形轮按工作轮叶片的形状分为径向叶片、后弯叶片及前弯叶片三种，如图8－7所示。

图8－7　工作轮叶片形式

不同的叶片型式，影响着升高空气压力的过程。在离心式压气机工作中，空气压力的升高一部分在工作轮内完成，另一部分在扩压器和出气蜗壳内完成。

前弯叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向一致，空气压力的提高大部分在扩压器内完成。径向叶片的出口方向与叶轮半径方向一致，空气压力的提高约一半在叶轮内完成。后弯叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向相反，空气压力的提高大部分在叶轮内完成。若获得的空气压力相同，后弯叶片的叶轮效率最高，前弯叶片的叶轮效率最低，径向叶片的效率在两者之间。

在涡轮增压器中，压气机的工作轮有闭式后弯和半开式径向叶轮两种基本形式。闭式后弯叶轮的叶片是后弯的，叶片两边均有盖板是封闭式的流道，其主要优点是效率高，但强度较差、叶轮圆周速度较小，叶轮做功量较小，增压压力较低，制造工艺复杂，一般在低增压时采用这种叶轮。

半开式径向轮的叶片是径向的，工作轮叶片一边有盖板，其主要优点是高强度、允许较高的圆周速度、叶轮做功量大、可获得较高的增压压力、制造工艺简便，但效率比后弯叶片低。一般在高、中增压时采用此种叶轮。

近年来，为了在高增压时获得高效率，已开始采用半开式后弯叶轮。

(3)扩压器和出气蜗壳。扩压器的作用是使用流经叶轮的气流速度降低，从而进一步增加气体的静压力。按结构可分为无叶扩压器(即缝隙式扩压器)和叶片扩压器两种。见图8－8所示。

图8－8　扩压器的形式

出气蜗壳的作用是收集气体，并将其引入增压机的进气管，同时继续压缩气体，使从扩压器出来的气体再一次降低流速度，以提高气体的静压力。

2.离心式压气机的工作原理

增压器工作时，空气沿进气道轴进入工作轮，因进气道多为收敛形，气流流经进气道时，速度略有增加，此时充量与外界没有热功交换，其压力和温度略有下降。气流流入工作轮的叶片后，由于工作轮的转动，使气流受离心力的压缩并被甩到工作轮外缘，空气从回转的工作轮获得能力，使其压力、温度、速度都有所增加，特别是气流速度有较大增长，气流然后进入扩压器，其动能在这里大部分转为压力能，空气的密度及压力和温度升高，而速度降低。涡壳收集从扩压器流出的空气，并继续将空气的动能变为压力能，然后将空气送入发动机的进气管和气缸，从而达到增压的目的。

3.离心式压气机的主要工作参数及工作特性

(1)离心式压气机的主要工作参数。主要工作参数是增压比、流量、转速和绝热效率。

①增压比π_b。增压比是压气机最主要的工作指标，它是压气机出口压力和进口压力之比［参考式(8－2)］。

②空气流量。单位时间内流过压气机的气体质量和体积，叫做压气机的流量。质量流量用G _b表示，单位为kg/s;体积流量用V _o表示，单位为m³/s。增压器的空气流量取决于发动机的空气消耗量，即由其排量、转速及充量系数等因素来确定。

③压气机转速。压气机的工作轮每分钟的转速即压气机的转速用n _tb表示。由于压气机与涡轮机同轴，所以压气机的转速即涡轮机的转速，也就是增压器转速，单位为r/min，n _tb很高，可达每分钟几万到几十万转。

④压气机的绝热效率。绝热效率是用来评定压气机工作的完善程度的，通常以实际压气机与理想压气机来评定的，即与外界无热交换的压气机相比较。绝热压气机压缩空气所做的功W _adb与实际压气机消耗功W _k之比，叫做压气机的绝热效率，用η_kb表示，即:

绝热效率是衡量压气机性能的基本标志，它表明了压气机流通部分的完善程度。目前涡轮增压器上使用的离心式压气机的绝热效率为0.75～0.83。

(2)离心式压气机的压比流量特性。在不同转速下，压气机的增压比和效率随空气流量的变化关系，称为压气机的压比流量特性，见图8－9。

由图可见，在某一转速下，当压气机的流量减少时，增压比和效率增加。当流量减少到某一较小值时，增压比和效率达到最大值。流量再继续减少，增压比和效率就随之降低。当流量减少到某一最小值时，压气机工作变得不稳定，此时流过压气机的气流开始振荡，严重时整台压气机发生振动，并伴随着特殊的尖叫声，压气机的这种现象称为喘振。压气机在每一转速下都有类似的变化规律，也都有一个这样的喘振状态点，把不同转速下的喘振点连起来，构成一条喘振动边界线。由增压比、流量、转速、效率组成的这组曲线，叫压气机的压比流量特性曲线，它是压气机特性的集中反映。离心式压气机和轴流式压气机的曲线类似。为了减轻增压器转子的转动惯量，车用机增压均采用离心式压气机。压气机和发动机联合运行时，只能在喘振线右边匹配，不能在左边工作。

图8－9　离心式压气机比流量特性

8.2.2　废气涡轮

压气机由废气涡轮来驱动的增压方式，即废气涡轮增压(图8－10)。这时涡轮机与发动机之间没有机械联系，将普通非增压机经过改装，加上增压器，即可提高功率30%～50%。在增压比较高时，为了降低增压充量进入内燃机气缸温度，可在压气机出口和内燃机之间设中间冷却器。

图8－10　废气涡轮增压系统

1－排气管　2－喷嘴环　3－涡轮　4－涡轮壳　5－转子轴　6－浮动轴承　7－扩压器　8－压气机叶轮　9－压气机壳　10－进气管

废气在涡轮中膨胀和进入能量交换，使涡轮轴得到机械功。在废气涡轮增压器中，它是压气机的原动机。根据废气在涡轮中的流动方式，可将涡轮分为轴流式和径流式两种。这两种形式的涡轮在目前得到了平衡的发展，一般来说，径流式涡轮用于小流量增压器上(叶轮外径小于150mm)，轴流式用于大流量增压器上(叶轮外径小于300mm)。车用机多为小流量，大多采用径流式。这里以径流式为例作简要介绍。

1.废气涡轮的构造

径流式涡轮机主要由进气涡壳、喷嘴环、工作轮及出气道组成，见图8－11。

图8－11　径流式涡轮机简图

1－进气涡壳　2－喷嘴环　3－工作轮　4－出气道

进气涡壳把发动机与增压器连接起来，并使发动机的废气均匀进入涡轮，在结构上有轴向、切向、径向进气三种。根据增压系统的要求，涡壳可以有一个、两个或几个进气口。在进气涡壳与工作轮间装有喷嘴环，喷嘴环的作用是将废气的势能有效地转换为动能，并使气流在喷嘴出口具有一定的方向和较均匀的速度，即以最小的损失进入工作轮。径流式涡轮的喷嘴环式由许多喷嘴叶片和环状底板组成的环形叶栅，叶片之间形成一个均匀的收缩道。工作轮即叶轮，是涡轮增压器中很重要的一个元件，是在高温、高速及腐蚀性强的废气冲击下高速旋转的零件，是受热、受力、受振动、受腐蚀最为严重的地方。

2.基本工作原理

废气在涡轮中流动时，其压力、温度、速度都要发生变化，如图8－12所示。

图8－12　废气涡轮机工作原理图

从发动机排出的废气经涡壳流入喷嘴环，因导向叶片之间的通道是收缩型的，使部分压能变为动能，在喷嘴出口处，废气的压力和温度相应下降，而气流的绝对速度则由C_T增加到C₁。废气从喷嘴喷出时，与工作轮的转动平面α₁角以W₁的相对速度和β₂的角度进入工作轮。工作轮的工作叶片构成的通道也是收缩型的，废气再次继续膨胀，在其出口处压力和温度下降到P₂和T₂，相对速度增加到W₂，绝对速度下降c₂，由于绝度速度c₂远小于c₁，说明废气在喷嘴中膨胀所获得的动能大部分已传给工作轮。废气的热能及压力能在喷嘴环中，仅仅是部分得到利用，尚有部分被损失掉。

3.涡轮机的主要参数及工作特征

(1)涡轮机的主要参数

①膨胀比π_T。废气涡轮前后压力之比，即膨胀比:

式中，P _T为涡轮前的压力;P₂为涡轮后的压力。

②废气流量GT。为每秒的废气流量，单位为kg/s。

③涡轮转速n_t(r/min)。

④涡轮机效率η_t。

(2)涡轮机的工作特性。上述参数在变工况运行时的相互关系，即为涡轮机的工作特性。见图8－13为涡轮机的通用特性。

由图可见，当转速一定时，随着膨胀比的增大，流量也跟着增大，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大不再增加，这种现象叫做涡轮机的堵塞现象。其原因是，在喷嘴最小截面处(喉部)废气的速度达到音速，此后即使膨胀比继续增加，喉部的速度也不会再超过音速，气流量任为最大值。

8.2.3　废气涡轮增压

1.废气涡轮增压的分类

按照发动机排气管废气能量利用情况，废气涡轮增压又分为恒压增压和脉冲增压两种基本形式，如图8－14所示。

(1)恒压增压。恒压增压的特点是，涡轮前排气管内的废气压力基本相同。如图8－14(a)所示，将各缸的废气集中到一个很大的排气管(即集流管或稳容器)，然后废气以几乎不变的压力作用到涡轮机的叶片上。但由于排气管的容积大，在排气门开启初期，缸内压力与排气管压力相差较大，废气在管内的自由膨胀产生较大的涡流与摩擦损失，背压的提高对发动机的工作过程不利，稳压后的可用能减少。

图8－13　径流式涡轮机通用特性曲线圈

图8－14　废气涡轮增压的两种基本形式

(2)脉冲增压。这种方案的特点是尽可能将气缸的废气直接、迅速地送到涡轮机中去，在排气管中造成尽可能大的压力变动并形成周期性的脉动，使涡轮机在进口压力波动较大的情况下工作。为此将涡轮机靠近气缸，把排气管做得短而细(即使排气管的容积相当小)，为了减少各缸排气中压力波的相互干扰，用几根排气歧管将点火次序相邻的气缸的排气相互隔开。多缸机(如6缸)较适合的方式是采用两个歧管将废气引入涡轮机。

脉冲增压与恒压增压比，有如下特点:

(1)在废气能的利用上，要比恒压要好，在低增压是很有利的;但随着增压压力的增高，其优点逐渐消失。

(2)背压相对较低，排气作用明显，即使在部分负荷下，也能保证良好排气。

(3)在气缸刚开始排气时节流损失大，但是由于排气管压力迅速升高并接近缸内废气压力，总的节流损失大大下降。

(4)排气管容积小，负荷变化时，排气压力波立即发生变化并迅速传到涡轮，引起增压器转速的较快变动，即动态响应(加速性能)较好。

(5)平均绝热效率比恒压增压低，其涡轮尺寸大，排气管结构复杂。

综合两种增压系统，可知:在低增压时，采用脉冲增压较为有利;在高增压时，一般采用恒压系统，但由于车用机大部分是在部分负荷下工作，对其扭矩特性、加速性的要求较高，为了在低速时也能获得良好的扭矩特性，即使在高增压时也仍采用脉冲增压。

2.废气涡轮增压的特点

(1)与发动机的匹配。要使增压机获得良好的性能，涡轮增压机和发动机必须很好地匹配。对配合性能的要求有:

①在标定工况下，必须达到预期的增压压力和空气流量，以保证有足够的过量空气系数，以使燃烧完善。同时，要求涡轮前的排气温度不超过预定值，以保证热负荷不致于过高;

增压后的压力也不能高，以免最高爆发压力超过允许值，使机械负荷加大。

②低工况时，也应保证一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求，这对于高增压机特别重要，尤其是诸如拖船及车用机等特殊用机，低负荷低转速性能往往非常突出。

③要求在整个运转范围内增压器不发生喘振和阻塞。涡轮机允许的运转范围较广，高效率运转区也较大，而压气机能运行的流量范围较窄，主要考虑两者的匹配。这就要求压气机的喘振极限所覆盖的流量范围要广，且在整个范围内压气机的效率要比较高。

(2)转速与增压压力的调节。由于增压比与增压器转速的平方成正比，因此两者的调节是一致的。常用的方法是使涡轮喷嘴的面积加大，废气的能量降低，转速下降，增压压力也随之下降。而对于已经配套运行的增压机组来说，出于低速扭矩特性(轿车用柴油机)和暴震的需要(轿车用汽油机)，要求对增压压力极限进行调节，所采取的方法是放气调节。

①空气侧放气(调节增压压力)。这是通过将增压后空气的一部分放掉来调节增压压力。相对来说，便于调节，但涡轮机必须按最大值来选用或设计，这对于扭矩性和匹配特性来说都极为不利，因而很少使用。

②废气侧放废气(控制压力=增压压力)。这是将进入涡轮前的废气放掉一部分进入大气或排入涡轮后的排气管中来调节涡轮机的功率。放气机构成长期在高温下工作，容易变质，使用寿命不长，成本很高，但扭矩特性和匹配特性都比较合适。

对汽油机而言，有在节气门前或在节气门后控制的两种方式。在节气门前控制的好处是:节气门开度很小时，不会出现在节气门后控制时出现的增压压力峰值;也不存在随运行时间的增加增压器受到污染而影响其性能的问题。

③将部分增压后的空气放入涡轮前的废气进口。这和第一种放气方法基本相同，只不过是将已经增压的部分空气渗入涡轮前的废气中。这种方法综合了前两种方法的优点，空气渗入废气，使其温度降低，既缓解了热负荷，又利用了这部分空气的压力能，且放气机构的工作温度降低，使用寿命较长。

由于放气装置的热负荷相当高(汽油机高达1000℃，柴油机也高达800℃)，对材料的耐热性的要求很高。柴油机的放气装置通常直接与涡轮机相联，汽油机则要分开布置。

④涡轮进气温度的调节。涡轮进气温度的高低，不仅影响涡轮运行的可靠性，也是表征发动机热负荷大小的重要参数。凡是使发动机排气温度升高的因素都可能使涡轮进气的温度升高;反过来，发动机的进气温度升高也要使其排气温度升高。

使燃烧恶化、后燃增加的各种因素，都能使排气温度升高，在这种情况下，应保证燃烧系统的正常工作;另外，可适当增大气门重叠角，可提高排气能力，增加气缸充量，降低排温，不过要考虑低负荷时排气倒流的可能;对于脉冲系统，由于是利用排气压力波的低压阶段来排气，在部分负荷时仍能实现排气，该系统的气门重叠角可增大到110°～140°曲轴转角。

尤其是在增压机中，排气温度高主要是由于进气温度高的原因，设置中间冷却器是降低进气温度的主要措施;对于无中冷器的情况下，提高压气机效率也是降低排温的重要方法。