柴油機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀

1、20142015學(xué)年第二學(xué)期汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程論文柴油機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀學(xué)生姓名: 專業(yè)班級(jí): 學(xué) 號(hào):教師姓名: 目錄1.前言12.柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史13.柴油機(jī)增壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀23.1慣性增壓23.1.1可變進(jìn)氣系統(tǒng)研究33.1.2 共鳴進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)73.2氣波增壓及現(xiàn)狀73.3機(jī)械增壓93.3.1基本式機(jī)械增壓103.3.2雙螺旋式增壓器113.3.3離心力式機(jī)械增壓器123.4渦輪增壓143.4.1 車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)143.4.2渦輪增壓系統(tǒng)183.4.3 現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)方面203.4.4 新材料的應(yīng)用方面203.5復(fù)合增壓214.柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展前景與

2、展望214.1柴油機(jī)機(jī)械增壓技術(shù)的發(fā)展前景214.2柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展前景224.2.1 柴油機(jī)渦輪增壓器的發(fā)展趨勢(shì)224.2.2柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)234.3 柴油機(jī)增壓技術(shù)的展望23參考文獻(xiàn)241.前言柴油機(jī)面世以來，人們向來非常關(guān)心其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性能等的提高，而增壓技術(shù)則是目前廣泛被人們采用的技術(shù)。增壓技術(shù)可使柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)改變不大的情況下，功率、經(jīng)濟(jì)性能等有較大的提高和改善。增壓技術(shù)提高內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣壓力來增加內(nèi)燃機(jī)功率的措施。提高進(jìn)氣壓力（又稱增壓壓力）可增大進(jìn)入氣缸的空氣密度，使供入氣缸內(nèi)的空氣量增加。這樣就可以燃燒更多的燃料，從而大幅度地提高功率，而且還能改善內(nèi)燃機(jī)的燃料

3、經(jīng)濟(jì)性；若使增壓空氣受到冷卻還能減少排氣中的有害成分。內(nèi)燃機(jī)在高海拔地區(qū)工作時(shí)，因大氣壓力低而充量不足，使功率下降。這時(shí)若用增壓，可以提高進(jìn)入氣缸的空氣壓力，使內(nèi)燃機(jī)功率得以增大。內(nèi)燃機(jī)采用增壓后,機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷會(huì)增高,特別是在高增壓時(shí),過高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷會(huì)使內(nèi)燃機(jī)零件損壞,因此內(nèi)燃機(jī)采用增壓方法增加功率的程度就受到限制。至20世紀(jì)80年代初，高增壓柴油機(jī)的功率比非增壓柴油機(jī)功率高200以上。2.柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史自上個(gè)世紀(jì)20年代就有人提出壓縮空氣提高進(jìn)氣密度的設(shè)想，直到1926年瑞士人A.J.伯玉希才第一次設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶廢氣渦輪增壓器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī) 。 由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和工藝、材

4、料的限制，還難于制出性能 良好的渦輪增壓器，加上二次大戰(zhàn)的影響，增壓技術(shù)未能迅速普及。直到大戰(zhàn)結(jié)束后，增壓技術(shù)的研究和應(yīng)用才受到重視。上世紀(jì)50年代，柴油機(jī)的增壓度約為50%，四沖程機(jī)的平均有效壓力約在0.70.8MPa之間，無中冷，處于一個(gè)技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。其后20多年間，增壓技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的采用?，F(xiàn)在，國(guó)外車用柴油機(jī)60%以上為增壓機(jī)型，車用汽油機(jī)采用渦輪增壓或機(jī)械增壓的機(jī)型也逐年增多。增壓技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的提高起了劃時(shí)代的作用。3.柴油機(jī)增壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀按所用增壓器的不同可分為慣性增壓、氣波增壓、機(jī)械增壓、廢氣渦輪增壓、和復(fù)合增壓。13.1慣性增壓所謂慣性增壓，就是利用

5、進(jìn)氣管道內(nèi)氣流的慣性效應(yīng)來提高柴油機(jī)的充氣效率以達(dá)到增壓的一種裝置。也就是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理一書中介紹的諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣。很久以前, 人們就意識(shí)到進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大影響。因此通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng),充分利用進(jìn)氣系統(tǒng)中的不穩(wěn)定波動(dòng),即利用進(jìn)氣管中的動(dòng)力效應(yīng)提高充量是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。2諧振進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣過程互不重疊的三個(gè)氣，缸和諧振管、諧振室以及分支管組成,當(dāng)活塞位移產(chǎn)生的周期性吸氣頻率與諧振系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí),進(jìn)氣流動(dòng)發(fā)生共振。如果在進(jìn)氣后期,剛好有一正壓力波進(jìn)人氣缸,從而使新鮮充量增加,則充氣效率得到提高。3.利用諧振進(jìn)氣改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能 由于各缸在進(jìn)氣過程中均會(huì)

6、產(chǎn)生氣流波動(dòng),因此發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體波動(dòng)是極其復(fù)雜的。在進(jìn)氣過程中, 由于活塞的吸入作用, 在進(jìn)氣門入口處所形成的負(fù)壓波, 經(jīng)支管到達(dá)支管開口處時(shí), 遇到開口邊界條件, 反射回一波形相反的正壓波, 在該缸進(jìn)氣沖程后期增加進(jìn)氣。與此同時(shí), 支管開口反射回一壓力波,諧振管中的氣體也會(huì)受到負(fù)壓波的擾動(dòng),負(fù)壓波經(jīng)諧振箱、總管傳至上游開口端, 再反射回來。支管入口處壓力波形態(tài)取決于總管、外接管及上游耦合部件中復(fù)雜的氣流波動(dòng), 故它不是自身負(fù)壓波的簡(jiǎn)單反射, 而是由自身負(fù)壓波、上游各部件中氣體反射波以及來自各缸的負(fù)壓波在此處疊加而成。當(dāng)該缸下次進(jìn)氣產(chǎn)生的波與進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)殘余的波動(dòng)相位吻合, 各波合成效果

7、為正壓波時(shí), 則有利于后續(xù)進(jìn)氣, 使充量系數(shù)增加;若相位不吻合甚至相反, 則不利于進(jìn)氣, 充量系數(shù)降低4. 國(guó)內(nèi)外開發(fā)出了多種可變諧振進(jìn)氣系統(tǒng), 利用由諧振箱容積、諧振管的長(zhǎng)度與直徑以及共振箱容積調(diào)節(jié)進(jìn)氣系統(tǒng)固有頻率, 使發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)諧振轉(zhuǎn)速, 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù), 提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。 研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況的變化,進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)作相應(yīng)的變動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況的變化,進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)作相應(yīng)的變動(dòng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)采用可變進(jìn)氣系統(tǒng),提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性做了大量的研究工作，已經(jīng)成功應(yīng)用到高級(jí)轎車 上。資料顯示可提高充量系數(shù)10%左右,降低油耗35g/kWh。

8、53.1.1可變進(jìn)氣系統(tǒng)研究現(xiàn)在的可變諧振進(jìn)氣系統(tǒng)大部分是通過機(jī)械式調(diào)整進(jìn)氣管長(zhǎng)度的可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度諧振系統(tǒng), 也有少部分其他形式的可變進(jìn)氣系統(tǒng)。它們都是通過電控系統(tǒng)使其在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下迅速改變進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù), 在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生諧振, 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)。分類：常用的可變進(jìn)氣歧管技術(shù)可分為可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管、可變截面進(jìn)氣歧管及共鳴進(jìn)氣三種技術(shù)，這三項(xiàng)技術(shù)都是利用進(jìn)氣歧管的幾何設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)相同的目的。3.1.1.1可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管技術(shù)（1）無級(jí)可變系統(tǒng)進(jìn)氣管長(zhǎng)度無級(jí)可變系統(tǒng)可以在內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高充氣效率, 但是存在著控制系統(tǒng)復(fù)雜、密封性差的問題。無級(jí)可變進(jìn)氣系統(tǒng)又可分為旋轉(zhuǎn)式和伸縮式兩種。旋轉(zhuǎn)式無

9、級(jí)可變進(jìn)氣系統(tǒng)由可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)腔件和固定的外腔件組成, 通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)腔件可以調(diào)整進(jìn)氣管長(zhǎng)度。如圖1所示。圖1伸縮式無級(jí)可變進(jìn)氣系統(tǒng), 通過齒輪驅(qū)動(dòng)齒條, 帶動(dòng)進(jìn)氣管伸縮, 以達(dá)到無級(jí)改變進(jìn)氣系統(tǒng)的目的。如圖2所示。圖2（2）有級(jí)式可變進(jìn)氣： 進(jìn)氣管長(zhǎng)度分級(jí)可變系統(tǒng)如下圖所示, 一般只在兩個(gè)管長(zhǎng)之間切換, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。但切換時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩容易下降。分級(jí)可變結(jié)構(gòu)主要是通過閥門的開啟和關(guān)閉, 從而使進(jìn)氣通過不同長(zhǎng)度的通道, 通常在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)使用長(zhǎng)管, 在低轉(zhuǎn)速時(shí)切換為短管。如右圖所示, 德國(guó)生產(chǎn)的OpelAstra轎車用新型1.8L汽油機(jī)采用可變進(jìn)氣管, 其進(jìn)氣管有兩個(gè)進(jìn)氣口, 分別使

10、進(jìn)氣走過長(zhǎng)短不同的通道, 應(yīng)用真空開關(guān)式節(jié)流閥控制管道長(zhǎng)短的切換 20 。以保證在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)形成一個(gè)豐滿的扭矩曲線。在高負(fù)荷低轉(zhuǎn)(2400r/min和3900r/min)時(shí), 關(guān)閉真空開關(guān)式節(jié)流閥, 即“功率工況”進(jìn)氣口被關(guān)閉, 空氣通過“扭矩工況”進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī), 將288mm的短進(jìn)氣歧管轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為621mm的長(zhǎng)進(jìn)氣歧管, 在低轉(zhuǎn)速下有較好諧振效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩曲線變化很大程度上受到進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)參數(shù)和凸輪軸配氣定時(shí)的支配。如圖3所示, 由于對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在3400r/min時(shí)就達(dá)到了170N m的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩值, 較前者要好。從圖中可見, 在5400r/min時(shí)就能達(dá)到

11、與前者一樣的85kW功率, 最佳燃油耗值為242g/(kW h。6圖 4三菱公司開發(fā)的6A12發(fā)動(dòng)機(jī), 奔馳車的V6、V8發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道也由長(zhǎng)、短兩個(gè)進(jìn)氣道組成, 高速和低速時(shí), 分別使用短的和長(zhǎng)的進(jìn)氣道。奧迪公司、本田公司等的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了類似的可變進(jìn)氣裝置。如圖5所示, 該套可變進(jìn)氣系統(tǒng)的諧振腔中裝有一電磁閥, 通過電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行控制, 通過電磁閥的開閉, 改變進(jìn)氣系統(tǒng)固有頻率, 使其在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有良好的充氣效果。 圖 53.1.1.2 可變截面進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)目前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣歧管的截面積可變也是通過機(jī)械調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)，一般是控制閥門的開啟和關(guān)閉，使進(jìn)氣經(jīng)由不同通

12、道，從而改變進(jìn)氣截面，該系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速區(qū)域關(guān)閉閥門，只從一個(gè)通道向各汽缸供給混合氣，可提高向燃燒室通道口進(jìn)氣的流速，以提高填充效率；在高速區(qū)域則開啟閥門，雙通首供給混合氣，從而減低進(jìn)氣阻力，提高填充效率。3.1.2 共鳴進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)目前共鳴進(jìn)氣系統(tǒng)可以進(jìn)行兩級(jí)調(diào)節(jié)和三級(jí)調(diào)節(jié)，圖7 為日產(chǎn)VG30DE 型發(fā)動(dòng)機(jī)的共鳴進(jìn)氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，可變進(jìn)氣控制閥關(guān)閉，左右兩個(gè)容器中的相位相反，產(chǎn)生240的周期性壓力波，并在穩(wěn)壓箱中互相抵消，從而形成反射點(diǎn)；在高速時(shí)，可變進(jìn)氣控制閥開啟，反射點(diǎn)卻成為進(jìn)氣管連接通道的中心點(diǎn)，利用這種控制原理，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得兩種共振效應(yīng)，從低速區(qū)域到高速區(qū)域，提高了充填

13、效率，從而獲得優(yōu)異的動(dòng)力性。7圖63.2氣波增壓及現(xiàn)狀氣波增壓技術(shù)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量來提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力從而實(shí)現(xiàn)增壓的目的。在氣波增壓器中, 柴油機(jī)排出的高溫高壓燃?xì)馀c低壓低溫的空氣直接接觸時(shí), 高壓燃?xì)鈱?duì)低壓空氣產(chǎn)生一壓縮波, 使空氣的溫度、壓力和燴值增加. 同時(shí), 低壓空氣對(duì)高壓燃?xì)猱a(chǎn)生一膨脹波, 使燃?xì)獾膲毫Α囟群蜖Z值降低. 膨脹波和壓縮波是在一個(gè)等截面的轉(zhuǎn)子槽道中進(jìn)行的, 而轉(zhuǎn)子內(nèi)幾十個(gè)相同的槽道就為這兩種氣體之間的能量交換提供了必要條件. 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 槽道與空氣定子和燃?xì)舛ㄗ拥倪M(jìn)、出氣口周期性聯(lián)通或關(guān)閉.這樣便形成了一系列的壓縮波和膨脹波.氣波增壓器內(nèi)的能量交換就是通過這一

14、系列的壓縮波和膨脹波來實(shí)現(xiàn)的. 8SOFIM柴油機(jī)氣波增壓研究：將SOFIM 渦輪增壓中冷柴油機(jī)改造成氣波增壓中冷柴油機(jī)。匹配氣波增壓器的柴油機(jī)需重新設(shè)計(jì)進(jìn)、排氣管, 根據(jù)氣波增壓的要求, 采用進(jìn)氣均勻性更好、總管容積更大的進(jìn)氣管及中央出口漸擴(kuò)式排氣管, 采用變頻電機(jī)優(yōu)化增壓器轉(zhuǎn)子與曲軸間的傳動(dòng)速比, 使得在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)較高的增壓比。試驗(yàn)結(jié)果表明, 氣波增壓柴油機(jī)的動(dòng)力性和排放性能在低轉(zhuǎn)速下優(yōu)于原機(jī), 在中高轉(zhuǎn)速下比原機(jī)差,通過設(shè)計(jì)容量更大的進(jìn)、排氣管及進(jìn)一步優(yōu)化速比可改善氣波增壓柴油機(jī)在高工況下的性能。針對(duì)SOFIM 2 .5 L 渦輪增壓中冷柴油機(jī)加速冒黑煙和NO x 排放較高

15、等問題, 采用國(guó)外先進(jìn)的氣波增壓器匹配該柴油機(jī)使其成為氣波增壓柴油機(jī)。相同的柴油機(jī)匹配氣波增壓器后需要的進(jìn)氣量比匹配渦輪增壓器要大。因此，必須重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣管，在滿足安裝和空間布置的條件下適當(dāng)增加總管容積和流通截面積。改善進(jìn)氣均勻性、減小流動(dòng)阻力, 增加進(jìn)氣量。氣波增壓要求進(jìn)入增壓器的排氣壓力盡可能穩(wěn)定，以免破壞增壓器轉(zhuǎn)子槽道內(nèi)的壓力波系, 考慮到安裝和結(jié)構(gòu)緊湊。采用漸擴(kuò)式中央出口排氣管。流出氣缸的超臨界氣流在排氣支管中進(jìn)一步膨脹。并在進(jìn)入總管之前以激波的形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。經(jīng)總管穩(wěn)壓后進(jìn)入氣波增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過皮帶驅(qū)動(dòng)氣波增壓器轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速之比為氣波增壓器的速比。為了使發(fā)

16、動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況下均能實(shí)現(xiàn)較高的增壓比。需通過試驗(yàn)確定最佳速比,為了使速比調(diào)整方便, 采用變頻電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速, 實(shí)現(xiàn)不同的速比。通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量與速比間的關(guān)系。確定各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最佳速比。并綜合得到整個(gè)運(yùn)行工況的最佳速比。采用確定的最佳速比和改進(jìn)的進(jìn)、排氣管與氣波增壓器匹配成為氣波增壓柴油機(jī)。其改進(jìn)效果如下：(1)在低速區(qū),氣波增壓柴油機(jī)的動(dòng)力性和排放均明顯優(yōu)于渦輪增壓柴油機(jī), 可有效解決渦輪增壓柴油機(jī)低速性能較差的問題。(2)氣波增壓柴油機(jī)的動(dòng)力性、HC和煙度排放,在中速區(qū),比渦輪增壓柴油機(jī)稍差,在高速區(qū)則明顯比渦輪增壓柴油機(jī)差, 原因是排氣管容積太小, 導(dǎo)致高速增壓不足。(3)在整個(gè)轉(zhuǎn)

17、速區(qū)間,氣波增壓柴油機(jī)的NOx排放比渦輪增壓柴油機(jī)平均降低近50%,表明氣波增壓具有很強(qiáng)的EGR能力,而渦輪增壓柴油機(jī)很難實(shí)現(xiàn)較高的EGR 率。9氣波增壓是使用發(fā)動(dòng)機(jī)做功后尾氣的動(dòng)力，借助一系列由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)子和定子的調(diào)節(jié)箱，直接將進(jìn)氣壓縮輸入氣缸，但該種增壓形式噪音很大，增壓部件體積很大，通常只用于大型柴油機(jī)之上。所以民用汽車不常見。3.3機(jī)械增壓 機(jī)械增壓是指針對(duì)自然進(jìn)氣引擎在高轉(zhuǎn)速區(qū)域會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣效率低落的問題，從最基本的關(guān)鍵點(diǎn)著手，也就是想辦法提升進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣壓力，以克服氣門干涉阻力，雖然進(jìn)氣歧管、氣門、凸輪軸的尺寸不變，但由于進(jìn)氣壓力增加的結(jié)果，讓每次氣門開啟時(shí)間內(nèi)能擠入燃燒室的

18、空氣增加了，因此噴油量也能相對(duì)增加，讓引擎的工作能量比增壓之前更為強(qiáng)大。 機(jī)械增壓共分為3類。 基本式機(jī)械增壓(RootsSuperchargers)：你經(jīng)常能在60到70年代的肌肉車上看到看到這東西，它從發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上的突非常明顯，正如圖中這輛野馬跑車一樣。這種機(jī)械增壓將空氣吸入增壓器內(nèi)部，有兩個(gè)螺旋狀葉片將空氣壓縮，之后送到進(jìn)氣歧管里。這種機(jī)械增壓能提供強(qiáng)大的扭矩輸出。它在加速比賽和街道競(jìng)賽中十分流行。螺旋式增壓器(ScrewSuperchargers羅茨式增壓)：這個(gè)形式的增壓器是基本型的派生出來的，而且也長(zhǎng)得很像，但它們的吸氣壓縮方式卻截然不同。當(dāng)空氣被吸入增壓器時(shí)，被螺旋狀葉片強(qiáng)壓入進(jìn)氣

19、歧管內(nèi)。這種形式的增壓器對(duì)于提升各個(gè)轉(zhuǎn)速的馬力都很有效離心式機(jī)械增壓(CentrifugalSuperchargers)：這種機(jī)械增壓與渦輪增壓很像，只不過它不是用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)，而是用發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶帶動(dòng)。它和渦輪增壓增壓原理相同，吸入空氣靠離心力把空氣加壓，以達(dá)到壓縮空氣的目的。103.3.1基本式機(jī)械增壓基本式機(jī)械增壓就是魯氏機(jī)械增壓，是最早的機(jī)械增壓器，特征是體積龐大、且只能間歇的吸入空氣，因?yàn)轶w積龐大，不能完全隱藏于轎車機(jī)艙內(nèi)，所以只能將其置于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上方，新鮮空氣直接經(jīng)由增壓器頂端的節(jié)氣門進(jìn)入汽缸內(nèi)。目前已經(jīng)被更小、效率更高、且可以持續(xù)吸入空氣的雙螺桿式機(jī)械增壓器（羅茨式機(jī)械增壓器）

20、所代替。圖7圖8Roots式機(jī)械增壓由于體積較大并且只能裝置在引擎的上方，所以通常只被應(yīng)用在美式肌肉跑車或?qū)ｉT用來比直線加速的賽車上，因?yàn)檫@些車可以毫無顧忌得在引擎蓋上挖洞(或干脆直接拿掉)來放置增壓。Twin-screw式機(jī)械增壓器與Roots的工作原理相同，Twin-screw也是使用的兩根meshing lobes來壓縮空氣。但由于Twin-screw的meshing lobes被設(shè)計(jì)成回旋樣式，使得吸入的空氣能夠被集中起來并壓縮在一個(gè)更小的空間里。 3.3.2雙螺旋式增壓器 這種需要精密加工技術(shù)的設(shè)計(jì)讓Twin-screw式增壓更有效率，同時(shí)卻也更為昂貴。而且當(dāng)被壓縮過的空氣從排出口擠

21、出來時(shí)，會(huì)發(fā)出巨大的噪音，讓使用者不得不另外花錢裝置消音器。3.3.2.1羅茨機(jī)械增壓器工作原理羅茨機(jī)械增壓器是一種高速回轉(zhuǎn)的容積式氣體輸送機(jī)械,通過一對(duì)含有螺旋齒槽的平行轉(zhuǎn)子相互哨合,造成容積的變化,不斷地將空氣抽送到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管中。羅茨機(jī)械增壓器的主要結(jié)構(gòu)。羅茨機(jī)械增壓器的特點(diǎn)是具有外部變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它串聯(lián)在一對(duì)同步齒輪之前。增壓器轉(zhuǎn)子由同步齒輪帶動(dòng),轉(zhuǎn)子之間留有適當(dāng)間隙,實(shí)現(xiàn)非接觸式哨合傳動(dòng),哨合間隙對(duì)容積效率有較大的影響。轉(zhuǎn)子上的球軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位,并承受增壓器中的軸向力。同樣,轉(zhuǎn)子的滾針軸承使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)徑向定位,并承受增壓器的力。在增壓器殼體的兩對(duì)角位置分別開設(shè)一定形狀和大小的進(jìn)氣

22、口和排氣口。羅茨機(jī)械增壓器單個(gè)基元容積的工作循環(huán),可分為吸氣、位移、壓縮和排氣四個(gè)過程,這個(gè)循環(huán)過程是由一對(duì)相互平行的螺旋轉(zhuǎn)子周期噴合旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的單個(gè)基元容積的工作過程可分為:吸氣(SSo)、位移(SoSi)、壓縮(SiDo)和排氣(DoD)四個(gè)階段。在增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,基元容積的縮小不是在與進(jìn)、排氣口隔絕的狀態(tài)下進(jìn)行,工作過程無內(nèi)壓縮。羅茨機(jī)械增壓器在基元容積與排氣口連通的瞬間完成壓縮工作,所以將基元容積視為不變,羅茨機(jī)械增壓器工作過程是無內(nèi)壓縮的定容積過程羅茨機(jī)械增壓器無內(nèi)壓縮,基元容積與排氣口端相連通時(shí)會(huì)引起回流沖擊。無內(nèi)壓縮會(huì)給容積式機(jī)械帶來很大的能量損失,限于低壓場(chǎng)合使用。對(duì)羅茨機(jī)

23、械增壓器改進(jìn)設(shè)計(jì),從而可以改善增壓器的回流沖擊特性,降低排氣溫度。羅茨機(jī)械增壓器容積效率和排氣溫度是其熱力性能的主要指標(biāo)。容積效率的下降主要受泄漏的影響,排氣溫度的升高主要由排氣過程引起。3.3.2.2羅茨機(jī)械增壓器的基本性能指標(biāo)羅茨機(jī)械增壓器的基本性能指標(biāo)包括:流量、容積效率和排氣溫度等。圖9 (Twin-screw式機(jī)械增壓)3.3.3離心力式機(jī)械增壓器 離心力式增壓使用的是一個(gè)類似渦輪的裝置，其輪葉能夠在很短的時(shí)間內(nèi)以高達(dá)50000至60000RPM的轉(zhuǎn)速將空氣壓縮。 但與此同時(shí)，輪葉的高轉(zhuǎn)速卻使得從排氣口出來的空氣處在高速低壓的狀態(tài)。為了增加壓力，工程師們?cè)诔隹谔幵O(shè)計(jì)了一個(gè)擋板。當(dāng)被推

24、擠出來的空氣沖擊到擋板時(shí)，流速降低，壓力因此被從新聚集起來。 體積小、重量輕和可以安置在引擎前方的優(yōu)點(diǎn)讓離心力式增壓成為最有效率、最普及的機(jī)械增壓器。11圖10總結(jié)：機(jī)械增壓的優(yōu)點(diǎn) 裝置增壓器的目的是為了能夠讓引擎擁有更多的馬力。但如何在機(jī)械增壓器和渦輪增壓器之間做抉擇呢？這個(gè)問題同樣讓工程師們很傷腦筋，但總體來說，機(jī)械增壓還是略勝過渦輪增壓。 首先，機(jī)械增壓不會(huì)產(chǎn)生延遲(Lag)。 渦輪增壓的啟動(dòng)需要有足夠多的廢氣來支持，而這通常會(huì)需要一點(diǎn)時(shí)間。機(jī)械增壓的驅(qū)動(dòng)力則直接來自引擎的曲軸，當(dāng)引擎啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械增壓就已開始工作。 其次，由于渦輪增壓對(duì)排氣系統(tǒng)要求很高，需要在改裝時(shí)一并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化，而機(jī)

25、械增壓只需裝置在引擎上即可。最后，當(dāng)你要熄滅引擎時(shí)，渦輪增壓引擎通常需要30秒左右的時(shí)間來讓部件、機(jī)油冷卻，而機(jī)械增壓引擎則可以直接熄火，無需任何特殊保養(yǎng)。 機(jī)械增壓的缺點(diǎn) 機(jī)械增壓最大的不足來自其優(yōu)點(diǎn)：由于機(jī)械增壓由曲軸來帶動(dòng)，也就意味著驅(qū)動(dòng)它就必須直接地消耗引擎的馬力。大概有20%的馬力消耗在驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器上，但考慮到它能制造46%以上的馬力，這點(diǎn)損耗實(shí)際上是值得的。3.4渦輪增壓3.4.1 車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 歐洲的渦輪增壓技術(shù)非常領(lǐng)先，2010年車型已達(dá)到61%的應(yīng)用了，歐洲橋車有一半是柴油機(jī)，100%應(yīng)用了渦輪增壓技術(shù)。預(yù)計(jì)到2015年，該技術(shù)在歐洲市場(chǎng)的增長(zhǎng)幅度將達(dá)77

26、%，2020年將達(dá)到85%。在中國(guó)輕型車中，約17%應(yīng)用了渦輪增壓技術(shù)，出于能源、環(huán)保方面的考慮，我相信渦輪增壓技術(shù)在中國(guó)的增長(zhǎng)速度會(huì)非?？?，預(yù)計(jì)汽油機(jī)應(yīng)用的比例到2015年將達(dá)到34%，2020年將達(dá)到67%。 渦輪增壓技術(shù)通過渦輪增壓器提高進(jìn)氣密度，可以全面改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放指標(biāo)等綜合性能，給發(fā)動(dòng)機(jī)注人強(qiáng)勁動(dòng)力，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑。由于渦輪增壓器在提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和降低燃油消耗率方面的巨大優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)普遍采用渦輪增壓技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前歐、美、日等國(guó)在重型柴油機(jī)上已100%裝有增壓器，在中、小型柴油機(jī)上裝增壓器的比例達(dá)80%，國(guó)內(nèi)像一汽、東風(fēng)等大型柴油機(jī)骨干企業(yè)

27、都在致力采用、推廣渦輪增壓技術(shù)，不斷推出增壓型柴油機(jī)。同時(shí)國(guó)外一些公司突破技術(shù)障礙，開始將渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用在汽油機(jī)上，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 然而傳統(tǒng)的渦輪增壓技術(shù)存在低速轉(zhuǎn)矩、渦輪遲滯以及加速性差等缺點(diǎn)，隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，和對(duì)汽車駕駛性要求的不斷提高，可變混流式渦輪增壓、可變二級(jí)渦輪增壓等先進(jìn)的渦輪增壓技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用。 目前主要的渦輪增壓技術(shù)有混流式渦輪增壓技術(shù)12、可變渦輪增壓技術(shù)13、兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)14、電輔助渦輪增壓技術(shù)15。3.4.1.1混流式渦輪增壓技術(shù) 混流式渦輪也稱斜流式渦輪，是一種介于徑流式渦輪和軸流式渦輪的一種中間形式。如圖1所示，由于葉片進(jìn)口傾斜，使得氣

28、流能很好地適應(yīng)葉型的變化而平緩地過渡至軸向，并且可以有效地防止葉輪出口外徑增大帶來的輪緣處氣流脫離現(xiàn)象，使葉輪的內(nèi)部流場(chǎng)大為改善，與同樣輪徑的徑流式渦輪相比，流通能力增加約40%，可以滿足渦輪增壓器向高速、大容量變化發(fā)展要求16?，F(xiàn)在世界各國(guó)最新車用增壓器產(chǎn)品上，已采用大容量混流式渦輪和寬流量范圍的前傾后彎壓氣機(jī)來獲得高效率的增壓器。 圖11 混流式渦輪示愈圈3.4.1.2可變截面渦輪增壓技術(shù)渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進(jìn)氣截面、蝸殼出口環(huán)形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調(diào)節(jié)因?qū)崿F(xiàn)起來較為復(fù)雜且易造成較大損失，調(diào)節(jié)效果不如前兩者，故一般不予考慮。基于此，可變渦輪增壓器有兩

29、種結(jié)構(gòu)，即可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)和可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。 對(duì)于無葉徑流式渦輪機(jī)，采用可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在渦輪進(jìn)氣截面后加擺動(dòng)舌片，通過舌片的擺動(dòng)，改變蝸殼的面徑比A/R值，對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，減小A/R值.提高渦輪內(nèi)燃機(jī)與配件轉(zhuǎn)速，增加進(jìn)氣壓力;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，增加A/R值，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于流動(dòng)損失較大且調(diào)節(jié)范圍有一定限制，增壓器總效率低17。對(duì)于有葉徑流式渦輪機(jī)，采用可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要適用于在大排量重型車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖3所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速或怠速時(shí)，噴嘴

30、葉片關(guān)閉或開度很小，增加進(jìn)氣壓力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和響應(yīng)性;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，噴嘴葉片全開或開度加大，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。新款911Turb。的3.6L發(fā)動(dòng)機(jī)配備有兩臺(tái)可變噴嘴BV50G渦輪增壓器，使得6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩較上一代車有大幅度增加。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問題，在設(shè)計(jì)和制造上難度較大，生產(chǎn)成本高。3.4.1.3二級(jí)渦輪增壓技術(shù) 所謂二級(jí)渦輪增壓技術(shù)，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中采用兩個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器，實(shí)現(xiàn)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)在更大工況范圍的良好匹配的一種技術(shù)。圖4為MAN Diesel & Turbo推出的二級(jí)渦輪增壓器，該渦輪增壓系統(tǒng)由

31、一大一小兩個(gè)渦輪增壓器串聯(lián)搭配而成。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，只有一個(gè)質(zhì)量小的渦輪增壓器工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，質(zhì)量大的渦輪增壓器開始介人工作，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。 二級(jí)渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和加速性的同時(shí)，可以改善渦輪遲滯現(xiàn)象，國(guó)外諸如寶馬535d以及福特F系列super-Duty卡車上均實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。但與單級(jí)系統(tǒng)相比，在部分負(fù)荷時(shí)采用二級(jí)增壓系統(tǒng)增壓比下降快，使得發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷性能惡化，此外，二級(jí)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高18。3.4.1.4電輔助渦輪增壓技術(shù) 如圖5所示，電

32、輔助渦輪增壓系統(tǒng)主要增加了電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電路控制單元、電池、高功率逆變電源和一些傳感器。其中，電控單元和電池可與發(fā)動(dòng)機(jī)共用。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，電控單元發(fā)出控制信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作，電池中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為壓氣機(jī)的動(dòng)能，增壓進(jìn)氣壓力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性和低速轉(zhuǎn)矩問題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定程度，壓氣機(jī)能夠提供足夠的空氣時(shí)，電機(jī)就可以關(guān)閉或脫開。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速大負(fù)荷工況時(shí)，電控單元發(fā)出控制信號(hào)起動(dòng)發(fā)電機(jī)，回收渦輪能量中的一部分，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中。電輔助技術(shù)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問題，降低了燃油消耗率，擴(kuò)大了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效、經(jīng)濟(jì)區(qū)域。國(guó)外諸如Honeywell公司、C

33、aterpillar公司以及日本三菱重工均在電輔助渦輪增壓方面開展了大量的研究。但由于輔助電機(jī)加入使得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和增壓器軸提出了很高的要求，目前該技術(shù)還不夠成熟。193.4.2渦輪增壓系統(tǒng) 前面我們大概了解了柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的一些詳細(xì)工作原理，但由于傳統(tǒng)增壓器流量范圍窄, 難以兼顧與發(fā)動(dòng)機(jī)高低工況點(diǎn)的合理匹配, 而增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配是保障燃油經(jīng)濟(jì)性以及柴油機(jī)具有良好排放性能的關(guān)鍵, 因此近幾年來采用各種不同設(shè)計(jì)概念的新型渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。3.4.2.1 相繼增壓系統(tǒng) 相繼增壓系統(tǒng)的基本工作原理是采用多個(gè)小型渦輪增壓器, 隨著柴油機(jī)工況的提高,按次序地投入運(yùn)

34、行, 改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)由于排氣能量減少而使渦輪轉(zhuǎn)速下降, 增壓壓力不足, 從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。在標(biāo)定工況, 柴油機(jī)的每臺(tái)增壓器都在高效區(qū)工作, 燃油消耗率低; 在部分工況, 減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量, 使得投入使用的增壓器仍然在高效率區(qū)附近工作, 最大限度地增加了氣缸的進(jìn)氣量, 從而改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。 MTU 公司首先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于該公司的 956/1163 雙系列船用柴油機(jī)上。目前,相繼增壓技術(shù)也應(yīng)用到卡車的發(fā)動(dòng)機(jī) ( 沃爾沃) 、跑車的發(fā)動(dòng)機(jī) ( 保時(shí)捷)和轎車發(fā)動(dòng)機(jī)( 奧迪) 等車上。3.4.2.2 可變截面渦輪增壓系統(tǒng) 可變截面渦輪增

35、壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面, 來提高發(fā)動(dòng)機(jī)低工況時(shí)的過量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^渦輪噴嘴葉片時(shí), 根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度, 使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化, 從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配。變截面渦輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是渦輪增壓器的成本較高, 而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 需要專門的控制機(jī)構(gòu)。 蓋瑞特公司、KKK 公司均研制了可變截面渦輪增壓器, 而且為了達(dá)到嚴(yán)格的排放法規(guī), 在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié), 歐美采用可變截面渦輪增壓器已成主流。3.4.2.3 低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng) 低工

36、況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)的原理是當(dāng)柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí), 增壓空氣繞過氣缸, 直接進(jìn)入渦輪前的排氣管, 從而增大氣體流量, 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓壓力, 以避免發(fā)動(dòng)機(jī)低工況的喘振,改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況性能。如果利用廢氣余熱對(duì)旁通的空氣加熱, 效果會(huì)更好。MTU 公司 396 柴油機(jī)就采用了進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)來改善低速工況性能, 但該系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)部分較為復(fù)雜, 因此主要應(yīng)用于大功率高增壓柴油機(jī)。3.4.2.4 廢氣旁通增壓系統(tǒng) 廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)匹配點(diǎn), 對(duì)無法兼顧的高負(fù)荷區(qū), 通過打開渦輪殼上與大氣連通的一個(gè)可調(diào)節(jié)閥, 釋放多余廢氣能量。這種增壓器的好處是通過設(shè)計(jì)較小的渦輪殼截面, 迅速建立起低

37、速壓力, 改善低速時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放指標(biāo)及瞬態(tài)響應(yīng)性, 將柴油機(jī)在高速區(qū)所需要的進(jìn)氣壓力由旁通閥調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài), 解決了因較小的渦輪殼截面導(dǎo)致的高速高負(fù)荷區(qū)過高的增壓壓力而造成柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力大幅升高、可靠性降低、性能指標(biāo)惡化等問題。帶廢氣旁通閥的增壓器目前在車用柴油機(jī)上應(yīng)用較為普遍, 不足之處是由于釋放了一部分廢氣, 造成了能量損失, 因此柴油機(jī)高工況的燃油消耗有一定增加。 此外, 還有超高增壓系統(tǒng)、電動(dòng)放氣渦輪增壓系統(tǒng)以及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等多種型式的增壓系統(tǒng), 它們正在逐步得到發(fā)展和應(yīng)用, 使增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷有新的提高。 3.4.3 現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)方面 在渦輪增壓器的

38、設(shè)計(jì)方法上, 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓氣機(jī)和渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 在國(guó)外已開展多年。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在 20 世紀(jì) 60 年代中后期就已開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行徑流渦輪的空氣動(dòng)力學(xué)與三元流場(chǎng)分析, 隨后又利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離心式壓氣機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、三元流場(chǎng)分析、葉輪及葉型設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析等。目前, 國(guó)外主要增壓器生產(chǎn)廠家都已擁有先進(jìn)的 CAD/CAM 和 CAT 系統(tǒng),并采用 FEM 和先進(jìn)的激光測(cè)試技術(shù)來進(jìn)行3- D 粘性流動(dòng)的建模和驗(yàn)證分析。增壓器的加工制造技術(shù)近年來也發(fā)展很快, 國(guó)外于 20 世紀(jì) 70 年代末成功地將“硅橡膠”技術(shù)用于鑄造小型后彎壓氣機(jī)葉輪, 到20 世紀(jì) 80 年代

39、初期, 世界各大增壓器公司相繼推出了帶后彎壓氣機(jī)葉輪的新型增壓器。KKK 公司采用五軸數(shù)控銑床, 銑削加工鍛鋁后彎葉輪, 強(qiáng)度比鑄鋁好, 且在輪盤通道上保留銑削刀痕, 可以減少二次流, 有利于改善性能。3.4.4 新材料的應(yīng)用方面 鈦鋁合金材料具有密度小、高溫強(qiáng)度及抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用于渦輪增壓器可以降低渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 改善響應(yīng)特性, 消除增壓柴油機(jī)在加速瞬間冒黑煙現(xiàn)象, 目前其它一些新的輕質(zhì)合金材料也在研制中。另外, 在增壓器上也開發(fā)使用了陶瓷渦輪, 由于陶瓷渦輪的質(zhì)量較輕, 渦輪箱的壁厚能被設(shè)計(jì)得很薄, 在保持包容性不變的前提下可以使增壓器的質(zhì)量減輕。目前, 采用陶瓷渦輪的技術(shù)難點(diǎn)主

40、要是陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接。203.5復(fù)合增壓 復(fù)合增壓系統(tǒng)即廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用的方法。既結(jié)合了渦輪增壓的效果明顯、不浪費(fèi)動(dòng)力，又結(jié)合了機(jī)械增壓的無介入遲滯、低速增壓效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，目前在使用最多的是國(guó)外大眾車的部分發(fā)動(dòng)機(jī)型（如1.4TSI，T、S分別代表渦輪增壓Turbo和機(jī)械增壓Supercharge，這點(diǎn)與國(guó)內(nèi)的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)不同）。復(fù)合增壓會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩輸出明顯提升，燃油消耗率下降，但由于兩套增壓系統(tǒng)同時(shí)安裝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，故成本（投入成本、使用成本、維修成本）相對(duì)較高，維修保養(yǎng)也相對(duì)困難，所以相對(duì)現(xiàn)階段普及性還不是很強(qiáng)。但隨著科技的進(jìn)步，未來增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)將向

41、部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)速更高、壓縮比更優(yōu)的方向發(fā)展。在歐洲增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為提高動(dòng)力性能的主流。隨著耐高溫材料科技的發(fā)展以及多種新技術(shù)的應(yīng)用，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的引用也會(huì)越來越廣泛。214.柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展前景與展望4.1柴油機(jī)機(jī)械增壓技術(shù)的發(fā)展前景 機(jī)械增壓技術(shù)的特點(diǎn)是低速轉(zhuǎn)矩特性好，且機(jī)械增壓的油門反應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的提高，動(dòng)力輸出隨之增強(qiáng)，因此機(jī)械增壓渦輪增壓的操作感覺與自然吸氣極為相似，卻能擁有較大的動(dòng)力與扭力。但是始終是損耗了渦輪增壓本身的動(dòng)力，就使得機(jī)械增壓在高速輸出上不如渦輪增壓器，為了減少損耗功率，因此機(jī)械增壓內(nèi)部機(jī)件的材質(zhì)與加工精密度要求很高。4可見，機(jī)械增壓技術(shù)雖然存在一定的局限性但

42、由于其低速轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)其在柴油增壓中仍然占有一定的地位。目前，機(jī)械增壓技術(shù)研究方向主要是其與渦輪增壓技術(shù)的復(fù)合增壓技術(shù)。4.2柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展前景柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展包含增壓系統(tǒng)及渦輪增壓器兩個(gè)方面的發(fā)展。增壓系統(tǒng)由常壓系統(tǒng),脈沖系統(tǒng),多脈沖MPC轉(zhuǎn)換系統(tǒng),增壓中冷系統(tǒng),進(jìn)一步發(fā)展到渦輪增壓加諧振的增壓系統(tǒng)及具有進(jìn)、排氣旁通調(diào)節(jié)加動(dòng)力渦輪的復(fù)合增壓系統(tǒng)等,提高了柴油機(jī)的總效率及輸出功率。1在渦輪增壓器方面,近年來圍繞著提高增壓器效率和性能,研制開發(fā)前傾后彎葉片壓氣機(jī),流動(dòng)性能好的軸流噴嘴,當(dāng)量流通面積大且比轉(zhuǎn)速高的混流式渦輪,可調(diào)截面噴嘴,可調(diào)截面渦輪,陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子,高效率等方面

43、都取得了一定成效。2可見，目前柴油記渦輪增壓技術(shù)在柴油機(jī)增壓技術(shù)領(lǐng)域仍然很有潛力。4.2.1 柴油機(jī)渦輪增壓器的發(fā)展趨勢(shì)各種增壓發(fā)動(dòng)機(jī)提高動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性的總目標(biāo)是希望能尋求到與之相匹配的渦輪增壓器的性能能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)從低負(fù)荷到高負(fù)荷有良好的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性的要求。從增壓器方面講,為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的上述要求,必須做到高性能、大容量化、小型化和高壓比化。近幾年來,國(guó)外進(jìn)行了大量的科研和開發(fā)工作,這些科研開發(fā)工作基本上是從改善和提高壓氣機(jī)性能、渦輪性能和結(jié)構(gòu)性能三個(gè)方面進(jìn)行的。（1）壓氣機(jī)性能的改善和提高渦輪增壓器壓氣機(jī)性能的改善和提高很大程度與葉輪內(nèi)部氣流流動(dòng)情況密切相關(guān)。應(yīng)用三元流動(dòng)理論,分析葉輪

44、內(nèi)部流動(dòng)情況,確定葉輪氣動(dòng)性和幾何參數(shù),這一點(diǎn)己被廣泛采用。對(duì)于葉型方面,不論大型軸流式增壓器或是小型徑流式增壓器,近幾年來都趨向于采用了前傾后彎葉片壓氣葉輪新技術(shù)。3這種葉輪有良好的氣動(dòng)特性,效率高,高效率流動(dòng)范圍寬廣。（2）渦輪性能的改善和提高目前較多的是在渦輪靜葉上采用可調(diào)截面的辦法,即開發(fā)可調(diào)截面噴嘴和可調(diào)截面渦殼。（3）增壓器結(jié)構(gòu)和其它方面的改善提高增壓器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提高,不外乎從減少效率損失和結(jié)構(gòu)可靠性方面開展工作。采用高速滾動(dòng)軸承以減少機(jī)械效率損失,在軸徑尺寸、密封方式及配合方式等方面也開展了研究工作。4.2.2柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)繼續(xù)向高增壓比、高效率、

45、低排放方向發(fā)展。（1）提高增壓比向高增壓和超高增壓方向發(fā)展是提高柴油機(jī)功率的主要研究方向。增壓度的提高也標(biāo)志著增壓技術(shù)水平的提高。近年來,在普通增壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,世界各國(guó)竟相發(fā)展新的高增壓和超高增壓系統(tǒng),取得了十分驚人的進(jìn)展,這充分說明增壓系統(tǒng)發(fā)展具有無比強(qiáng)大的生命力。目前,這種發(fā)展勢(shì)頭還很猛,其前景是很寬廣的,沿著這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展下去很可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)又一次革命。應(yīng)該承認(rèn),這是柴油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)高技術(shù),一旦在高增壓和超高增壓系統(tǒng)方面取得突破就會(huì)帶動(dòng)整個(gè)增壓技術(shù)水平的提高。（2）提高渦輪增壓器的效率隨著渦輪增壓器效率的提高,可以降低柴油機(jī)的燃油消耗率,且根據(jù)不同的設(shè)計(jì),也可以降低柴油機(jī)一些部

46、件的熱負(fù)荷。（3）提高增壓器在整個(gè)工況范圍內(nèi)的總的增壓效果增壓柴油機(jī)總是要求具有較高的總效率,這對(duì)增壓器而言,就意味著要具有較高的壓比和較高的增壓器效率,但這又使柴油機(jī)在所有的負(fù)荷范圍內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行難以實(shí)現(xiàn)。因此在部分負(fù)荷工況下,為提高柴油機(jī)的增壓壓力,必須采取一些具有附加措施的增壓系統(tǒng)。4.3 柴油機(jī)增壓技術(shù)的展望柴油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來的發(fā)展密切相關(guān)，主要是滿足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和提高柴油機(jī)的全工況性能，繼續(xù)往高增壓方向發(fā)展，在高、中、低速柴油機(jī)的發(fā)展都對(duì)增壓器提出更高的要求。而單級(jí)增壓受軸承及壓氣機(jī)葉輪材料的限制，柴油機(jī)高增壓系統(tǒng)在今后會(huì)向兩級(jí)增壓器方向發(fā)展。5因此對(duì)于渦輪增壓

47、器向效率高，尺寸小，質(zhì)量輕，可靠性高，長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展，而對(duì)于機(jī)械渦輪增壓器除了以上幾點(diǎn)還對(duì)其材料材質(zhì)和加工工藝等又有額外要求。增壓系統(tǒng)將在全工況范圍內(nèi)與柴油機(jī)良好配合。而針對(duì)增壓系統(tǒng)，由于單種增壓技術(shù)的增壓強(qiáng)度有限、增壓曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不能較好匹配以及排放難以達(dá)到國(guó)家越來越高的標(biāo)準(zhǔn)等問題，未來增壓技術(shù)將會(huì)更多的傾向于集合兩種或兩種以上增壓技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合增壓技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 齊納著,侯玉堂、禹惠生譯:內(nèi)燃機(jī)增壓與匹配,國(guó)防工業(yè)出版社,北京,1978(KZinner,Supercharging of InternalCombustionEngines Springer-Verlag,Berlin, 1978.)2 趙嘉鼎, 倪琴華, 王永達(dá).進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)參教對(duì)四沖程多缸高速車用柴油機(jī)充氣效率及性能的影響 J .內(nèi)燃機(jī)工程,1982.3 薄清榮樊久銘孫紹重張輯洲.利用諧振進(jìn)氣改善柴油機(jī)的性能,哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1998年2月.4ObataA,Ylshida.Dynamic I