课题十 柴油机增压
目的要求：
1．熟悉增压的目的。
2．熟悉几种增压系统的工作原理及特点。 3．掌握废气涡轮增压的工作原理。 4．了解两种废气涡轮增压特点。 5．掌握废气涡轮增压器的结构。
6．掌握离心式压气机的通流特性和喘振机理。 7．掌握增压器与柴油机的配合要求。 重点难点：
1．废气涡轮增压的工作原理及结构。 2．压气机的喘振机理。 3．增压器与柴油机的配合要求。 教学时数：4学时 教学方法：多媒体讲授 课外思考题：
1．柴油机增压的目的是什么？
2．柴油机增压的方式有哪几种？各有何特点？ 3．比较两种废气涡轮增压方式。 4．VTR废气涡轮增压器的构造与特点。 5．喘振及发生的原因是什么？ 6．哪些运转工况易导致喘振的发生？
课题十 柴油机增压
第一节 柴油机增压系统
一、柴油机增压概述
根据有效功率的计算公式：Pe?pe?Vhnmi，可知，提高柴油机的有效功率有下列途径：
60000 （1）改变柴油机的结构参数i、D、S、m。增大这些参数可以提高柴油机的功率，但是提高的幅度受到多种因素的限制。
（2）提高柴油机的转速。柴油机转速的增加可以增大柴油机作功频率，提高功率。但转速增加会使磨损增加，柴油机的惯性力增加，使柴油机寿命缩短，可靠性变差。对于船用主机还受到螺旋桨效率的限制，因而这种方法也是有限度的。目前新型船用低速柴油机大多降低转速以获得更高的经济性。
（3）提高平均有效压力pe。提高平均有效压力pe可以增加柴油机的功率。对pe影响最主要的因素是新气的密度。提高进气密度，就可以增加气缸充气量，使更多的燃油完全燃烧，从而大幅度提高柴油机的功率。而空气密度的增加对以通过提高进气压力和降低进气温度来实现。
所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力pi和柴油机的平均有效压力pe。柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。
由于空气在增压器中被压缩时压力和温度是同时升高的，这就影响了空气密度的增加和增压的效果。因此，在增压器后都设有中冷器以降低空气温度，提高空气密度。通常中冷器都是以海水来冷却的。中冷的另一个作用是降低柴油机的循环平均温度。
二、柴油机增压系统
1．机械增压（图10-1）
增压器直接由柴油机驱动。显然这种增压形式将消耗柴油机的有效功率。随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。因此机械增压只适于增压压力小于（0.15～0.17）MPa的低增压柴油机。
2．废气涡轮增压（图10-2）
利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压器。显然，这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用。
3．复合增压
这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压。根据两种增压器的不同布置方案，可分为串联增压和并联增压。
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1）串联增压系统（图10-3）
图10-l 机械增压系统图 图10-2 废气涡轮增压系统
串联增压系统是采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作。在这种串联增压系统中，增压空气经过两级压缩。涡轮增压器为第一级，压气机从大气中吸入空气进入中间冷却器进行冷却，然后进入与增压器串联的往复压气机中进行第二级压缩，以达到规定的增压压力。空气经第二级压缩后，再送入第二级空气冷却器冷却，最后送入柴油机扫气箱。 采用串联增压系统使柴油机起动容易，低负荷性能好。当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到70％～80％的标定转速，因此不须另设应急鼓风机。然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加。
图10-3 串连增压系统 图10-4 串联旁通增压系统
2）串联旁通增压系统（图10-4）
串联旁通增压系统的特点是部分串联增压，在扫气前期为串联增压，在换气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。这种增压系统利用柴油机活塞的下部空间作为辅助压气机，并与涡轮增压器串联作为第二级增压泵，涡轮增压器为第一级增压泵。其扫气箱分成内外两部分。外侧空间各缸共用，与涡轮增压器相通；内侧空间各缸分开，并与活塞下部空间相连通组成单缸扫气室。两者之间以单向阀连接。
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串联旁通增压系统的主要优点是利用扫气室中空气的压力变化防止废气倒冲，扫气效果好。对于弯流扫气柴油机可以减小排气口高度。活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单。在采用定压增压时，由于在起动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作。
瑞士Sulzer RND…M型、RL和 RTA型柴油机采用这种串联旁通增压系统。
（3）并联增压系统（图10-5）
并联增压系统就是使涡轮增压器与活塞下部空间并联工作。在这种增压系统中，废气涡轮增压器和活塞下部辅助增压泵分别从机舱吸入空气并在其中压缩，然后经空气冷却器冷却再共同送入扫气箱。一般涡轮增压器所供应的空气约为增压空气量的75％～80％，其余空气量由活塞下部辅助增压泵供给。由于辅助增压泵只供给一小部分空气，则只需将柴油机的部分气缸下部作为辅助增压泵。
并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，增压器在低负荷时易发生喘振。为了防止在低负荷时增压器发生喘振和改善柴油机的性能，并联增压系统几经改进，取消了活塞下部辅助增压泵，变成了单独增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气。
MAN公司生产的KZ型、KSZ型柴油机采用并联增压系统。
图10-5 并联增压系统 图10-6 废气涡轮中废气能量的利用图
第二节 两种废气涡轮增压系统
一、废气能量分析（图10-6）
柴油机排出的废气具有一定的温度和压力。它所含的热量约占燃油燃烧放出热量的30％～37％，因此研究废气的能量及其有效利用是增压技术中的重要问题。
在理论上所能作的功为面积b-1-f-b，也就是排气开始时废气中的可用能。
在换气过程中获得的能量为面积4-g-i-1-4。这部分能量对四冲程柴油机包括强制排气过程中的活塞推出功1-2-3-4-1和燃烧室扫气阶段进入排气管的扫气空气所具有的能量2-i-g-3-2两
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部分；而二冲程柴油机这部分能量为扫气期间扫气空气所作的功。值得注意的是，二冲程柴油机在排气开始后活塞继续下行，获得膨胀功为b-4-5-b所示的面积，使废气可用能减少；在换气过程中没有活塞推出功补充废气能量，并且废气中掺混有很多扫气空气，使涡轮前气体温度降低，因而废气中的能量较少。
根据在废气涡轮中能量的利用情况，通常把废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力pb膨胀到pT膨胀能E1，称之为脉冲能。它是一种脉动的速度能，在排气管中以压力波的形式出现，在图中为面积b-4-e-b。另一部分是废气由压力pT膨胀到po的膨胀能比，称之为定压能（亦称势能），在图中为面积g-e-f-i-g。废气能量E是脉冲动能E1和定压能E2之和。能量E1和E2各在总能量中所占的百分数随着增压压力pk的不同而不同。pk越低，则E1所占的比例越大；pk越高，则E2越大。
二、废气涡轮增压的两种基本形式
l．定压涡轮增压（图10-7）
定压涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态。柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮就装在排气总管后面。因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定，效率高。
定压增压只利用了废气能量中的定压能E2，而没有利用废气中的脉冲动能E1。脉冲动能E1在排气流动中由于排气口（阀）的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分损失掉。只有小部分脉冲动能转化为热能，使排气管中的废气温度略有升高。因此废气涡轮增压所能利用的废气能量就少些。尤其是当柴油机在低负荷时或起动时，因排气管压力低，废气的能量少，使涡轮发出的功率满足不了压气机所需的功率，柴油机必需另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要。
图10-7 定压废气涡轮增压系统 图10-8 定压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图 2．脉冲涡轮增压（图10-9、10）
脉冲涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态。在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细。
脉冲增压除了可以利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，故废气的能量利用增多。
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