动力机械： 废气涡轮增压

利用内燃机排气能量驱动废气涡轮增压器实现内燃机增压的方法。废气涡轮增压器(简称涡轮增压器)由涡轮机(见透平)和压气机(见压缩机)两主要部件﹐以及轴和轴承﹑润滑系统﹑冷却系统﹑密封件﹑隔热装置等组成。内燃机气缸排出的高温高速的燃气﹐经排气管供入涡轮增压器的涡轮机﹐推动涡轮旋转﹐涡轮再带动与它同轴的压气机叶轮旋转。压气机将吸入的空气压缩﹐提高了压力的空气流经内燃机进气管﹐供入气缸﹐从而达到增压的目的。

1905年﹐瑞士工程师A.比希首先提出利用内燃机排气能量驱动涡轮增压器进行增压的设想﹐并于1911 1914年间完成了第一次试验﹐1923年开始用于柴油机。1950年以来﹐废气涡轮增压技术获得了广泛的应用。普通柴油机采用废气涡轮增压可提高功率30～50％。而专门设计的高增压柴油机﹐在增压压力为0.3兆帕时平均有效压力可达 2兆帕。若采用两台串联的涡轮增压器和两台空气冷却器的两级增压方案﹐可使增压压力达到0.4～0.5兆帕﹐在采用低压缩比(7～8)以限制机械负荷的条件下已能使平均有效压力提高到2.5～3.1兆帕以上。功率大于70千瓦的柴油机已大多具有增压变型产品﹐功率大于350千瓦的柴油机几乎都已是增压柴油机。

废气涡轮增压系统 由废气涡轮增压器和内燃机进﹑排气系统组成(见图 废气涡轮增压系统 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)。内燃机由于受结构尺寸的限制﹐燃烧气体在气缸内不能充分膨胀至大气压力。因此﹐排气开始时气缸内的燃气压力远比大气压力高﹐这样﹐排气就具有一定能量。废气涡轮增压系统将排气能量有效地传给涡轮机﹐使涡轮机获得较高的效率﹐同时有利于内燃机气缸的扫气。根据排气管中压力状况和排气能量的利用方式﹐废气涡轮增压系统一般分为定压增压系统和脉冲增压系统两类。

定压增压系统 内燃机所有气缸的排气都通入一根粗大的排气总管﹐然后再流入涡轮机。排气总管实际上起稳压作用﹐以使总管内的气体压力基本恒定。这样﹐涡轮在稳定气流下工作﹐故涡轮机效率较高。但采用这种系统时内燃机加速性能和低负荷性能较差﹐所以定压增压系统只适用于高增压﹑工况变化少的场合。

脉冲增压系统 这种系统的特点是在排气管中造成尽可能大的压力脉动。为此﹐排气支管被做得细而且短﹐涡轮尽可能靠近内燃机气缸。排气互不干扰的几个气缸(通常是二缸或三缸)的排气支管连在一根排气管上﹐这样﹐每根排气管中就形成两个或三个连续的排气脉冲波。涡轮机的喷嘴环按排气管数目分组隔开﹐它们互不干扰。采用脉冲增压系统能充分利用排气能量﹐改善变工况性能﹔但涡轮是在脉动气流状态下工作﹐故涡轮机效率较低。 为克服两种系统的缺点﹐人们已研制出脉冲转换系统和多脉冲系统。它们多用在气缸数不是 3倍数的柴油机上。