康明斯动力设备（深圳）有限公司

摘要：随着生产的需要和科技水平的不断提高，对柴油机的要求也越来越高，既要求柴油机输出功率要大，经济性要好，而且重量要轻，体积要小。柴油机输出功率的大小，取决于进入气缸的燃油和空气的数量及热能的有效利用率。由此可知：要提高柴油机的输出功率，最经济最有效的办法是增加进入气缸的空气量。在柴油机气缸容积保持不变的条件下，增加进入气缸的空气密度是提高柴油机输出功率的主要手段。然而，空气密度与压力成正比，与温度成反比，因此，增加进气压力，降低进气温度都能提高进气密度。目前柴油机中采用增压器来提高压力，采用中冷器降低气体的温度。所谓增压，即用增压器（压气机）将柴油机的进气在缸外压缩后再送入气缸，以增加柴油机的进气量，从而提高平均有效压力和功率。

一、 柴油机增压方法

      不带增压器的柴油机进气方式称为自然吸气，它与增压型柴油机的功率对比曲线如图1所示。按照驱动增压器所用能量来源的不同，基本的增压方法可分为三类：机械增压系统、废气涡轮增压系统和复合增压系统三类。除了利用上述三种方法来提高气缸的空气压力外，还有利用进排气管内的气体动力效应来提高气缸充气效率的惯性增压系统以及利用进排气的压力交换来提高气缸空气压力的气波增压器。

1、机械增压系统

      增压器（压气机）由柴油机直接驱动的增压方式称为机械增压系统。它由柴油机的曲轴通过齿轮、传动带或链条等传动装置带动增压器旋转。增压器通常采用离心式压气机或罗茨压气机。空气经压缩提高其压力后，再送入气缸，如图2所示。

      由于机械增压系统压气机所消耗的功率是由曲轴提供的，当增压压力较高时，所耗的驱动功率也会很大，使整机的机械效率下降。因此，机械增压系统通常只适用于增压压力不超过160～170kPa的低增压小功率柴油机。

图1  自然吸气和增压发动机功率曲线图

图2 柴油机机械增压系统

2、废气涡轮增压系统

      废气涡轮增压是利用柴油机排出的废气能量来驱动增压器，将空气压缩后再送入气缸的一种增压方法。柴油机采用废气涡轮增压后，可提高输出功率30％～100％以上，同时还可减少单位功率的质量，缩小外形尺寸，节省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油机扭矩，提高载荷能力以及减少排气对大气的污染等，因而得到广泛应用。尤其在高原地区因气压低、空气稀薄，导致输出功率下降。一般当海拔高度每升高1000m，功率将下降8％～10％。若装设涡轮增压器后，可以恢复原输出功率，其经济效果尤为显著。

      柴油机废气涡轮增压系统如图3所示。将柴油机排气管接到增压器的涡轮壳上，柴油机排出的具有500～650℃高温和一定压力的废气经涡轮壳进入喷嘴环，喷嘴环的通道面积由大逐渐变小，因而可以做到：虽然废气的压力和温度在下降，但其流速在不断提高，高速的废气流，按一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。废气的压力、温度和速度越高，涡轮的转速就越快。通过涡轮的废气最后排入大气。

（1）废气涡轮增压器按进入涡轮的气流方向，可分为轴流式和径流式两种。

① 径流式涡轮增压器

      径流式涡轮增压器的结构主要是由涡轮壳、喷嘴环、涡轮和转子轴等组成。径流式涡轮增压器工作时，柴油机排出的废气进入增压器的涡轮壳后，沿增压器转子轴的轴线垂直平面（即径向）流动。这是由于当气流通过喷嘴时，一部分压能和热能转换为动能，由此获得高速气流。由喷嘴环出来的高速气流按一定方向流入叶轮，在叶轮中被迫沿着弯曲通道改变流动方向，在离心力的作用下，气流质点投向叶片凹面，压力增加而相对速度降低；叶片凸面上则相对速度提高而压力降低，因此，作用在叶片凹凸面上的气流合力（即压力差）在涡轮轴上形成推动叶片旋转的力矩，因而从叶轮流出的废气经由涡轮中心沿轴排出。中型柴油机大多采用径流式涡轮增压器。

② 轴流式涡轮增压器

      轴流式涡轮增压器工作时，柴油机排出的废气进入增压器的涡轮壳之后，气流沿着增压器的转子轴的轴线方向流动，故称轴流式。大型柴油发动机大多采用这种形式的增压器。

（2）废气涡轮增压器按是否利用柴油发动机排气管内废气的脉冲能量，可分为恒压式和脉冲式两种增压器。

① 恒压式废气涡轮增压器

      恒压式废气涡轮增压器是将多缸柴油机全部气缸的排气歧管接到一根排气总管内，再与增压器涡轮壳相连接，而废气以某一平均压力顺着一个单一的涡轮壳进气道通向整个喷嘴环，这种增压器常用于大功率高增压柴油机中。

② 脉冲式废气涡轮增压器

      脉冲式废气涡轮增压器的排气系统示意图如图4所示。以6缸柴油发动机为例来说明，其发火次序为1-5-3-6-2-4，通常将1、2、3缸的排气道连接到一根排气歧管上，沿涡轮壳上的一条进气道通向半圈喷嘴环；而将4、5、6缸的排气道连接到另一根排气歧管，沿涡轮壳上的另一条进气道，通向另半圈喷嘴环，这样各缸排气互不干扰，这种结构可以充分利用废气的脉冲能量，并能利用压力高峰后的瞬间真空扫气，防止某缸排气压力波高峰倒流到正在吸气的另一缸中，因此，在同一根排气歧管的各气缸发火间隔应大于180°曲轴转角。目前，中型柴油机废气涡轮增压均采用脉冲式增压器。

      废气涡轮增压器的主要性能指标是空气压力升高比，简称压比，用π_k表示，它是压气机出口空气压力p_k和压气机进口空气压力p₁的比值，即

π_k＝p_k/p₁

      压气机出口空气压力p_k值越大，进入气缸的空气密度也越大。涡轮增压器按压比大小可分为低、中、高增压三种：

低增压π_k＜1.7；中增压π_k＝1.7～2.5；高增压π_k＞2.5。

      一般π_k＞1.8的中增压，就要采用中冷器，以降低压气机出口空气温度，使进入气缸的空气密度增大。目前，柴油发动机上普遍采用低、中增压径流脉冲式废气涡轮增压器。高增压柴油机已成为发展趋势。

3、复合增压系统

      在一些柴油机上，除了应用废气涡轮增压器外，同时还应用机械增压器，这种增压系统成为复合增压系统（如图5所示）。大型二冲程柴油机，常采用复合式增压系统。该系统中的机械驱动增压器用于协助废气涡轮增压器工作，以使在低负荷、低转速时获得较高的进气压力，从而保证二冲程柴油机在启动、低速和低负荷时所必需的扫气压力。有时，对排气背压较高的水下运行的柴油机，要得到较高的增压压力也常采用这种系统。

      复合增压系统有两种形式：一种是串联增压系统，柴油机的废气进入废气涡轮带动离心式压气机，以提高空气压力，然后送入机械增压器中再增压，进一步提高空气压力后进入柴油机燃烧室中；另一种是并联增压系统，废气涡轮增压器和机械增压器分别将空气压力提高后，进入柴油机燃烧室中。

4、其他增压方法

① 惯性增压系统

      这种增压方式是利用进气和排气管内的气体，由于进、排气过程中会产生一定的动力效应-气体的惯性效应和波动效应，以改善柴油机的换气过程和提高气缸的充气效率。系统中仅适当加长进气管，再加一个稳压箱，不需专门的增压设备和改变发动机结构尺寸。因此，惯性增压系统易于在原机上安装实现。这种增压方法常用于小型高速柴油机上，尤其适用于负荷及转速变化范围不大的柴油机。一般可增加功率20％，降低燃油消耗10％左右，并可降低排气温度和改善尾气排放。

② 气波增压器

      气波增压器是将柴油发动机排出的高压废气直接与低压进气接触，在相互不混合的情况下，利用气波（压缩波和膨胀波）原理，高压废气的能量通过压力波传递给低压进气，使低压进气压缩，进气压力提高。实际上它是一个压力转换器。气波增压器的结构及其与柴油发动机的配置如图6所示。

      气波增压器主要有由空气定子、转子、转子外壳和燃气定子等组成。在空气定子上设有低压空气入口及高压空气出口；在燃气定子上设有高压燃气入口和低压燃气出口；转子上装有许多直叶片，构成了狭长的通道；转子外壳将转子包在里面。当转子由曲轴通过V带传动旋转时，大气中的低压空气进入转子通道的左端，柴油机排出的高压燃气进入转子通道的右端。高压燃气对低压空气产生一个压力波进行压缩，使空气压力增加，得到增压的空气，经出口进入柴油机的进气管2充入气缸，降低了压力的燃气经出口进入柴油机排气消声器排放到大气中。