增压式发动机循环优化技术

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：机械增压式发动机与涡轮增压式发动机进气、排气过程的p-V线图不同。除了泵气功之外的指示热效率，因增压式发动机单位输出功率的冷却损失小，与无增压式发动机相比略微增大。如果不考虑泵气功，增压式发动机的理论平均有效压力pth与无增压式发动机pth0的比，当压缩比和空气过量系数一定时，与进气密度成正比。平均有效压力比为式中，下标0表示无增压式发动机。

机械增压式发动机与涡轮增压式发动机进气、排气过程的p-V线图不同。

1.机械增压式发动机的理论压力线图

机械增压式发动机的理论循环线图如图7-38所示。机械增压式发动机的理论线图以1-2-3′-3-4-5-6-7-1表示，因增压压力为p_s>p₀，因此泵气功为由1-5-6-7组成的正（+）功。对于压缩和做功过程1-2-3′-3-4，如果压缩比ε和空气过量系数λ一定，与无增压式发动机相同，从式（2.55）中可以看出，理论热效率η_th受压缩初期温度和压力的影响小，仅与压力比p₃/p₁=p_max/p₁有关。因此，机械增压式发动机与无增压式发动机的差异为是否考虑泵气功的问题。

在进气过程初期的气门重叠期间，如果新气（混合气）不从排气门直接排出，仅对气缸燃烧室中的残留废气进行扫气时，进气压缩功（-）为9-1′-1-8，回收的泵气功（+）为1-5-6-7，图中的斜线部分为因增压造成的损失。机械增压器如果考虑进气压缩功，理论热效率会以损失相同量降低。另外，如果最高压力相同，与无增压式发动机（p₀→p₂）相比压缩比（p₁→p₂）会降低，因此理论热效率会更加恶化。

除了泵气功之外的指示热效率，因增压式发动机单位输出功率的冷却损失小，与无增压式发动机相比略微增大。

图7-38 机械增压的理论循环

增压器（压缩器）的效率可以使用等熵效率（或绝热效率）η_ad。

如果不考虑泵气功，增压式发动机的理论平均有效压力p_th与无增压式发动机p_th0的比，当压缩比和空气过量系数一定时，与进气密度成正比。

平均有效压力比为

式中，下标0表示无增压式发动机。增压时的输出功率增加，即提高平均有效压力比来说，通过对进气进行冷却，以降低T_s，进而提高增压效率η_ad是非常有效的方法。

机械增压器的驱动功用发动机的平均有效压力p_m进行换算，为

式中，l₀为在外气状态下供给到发动机的空气容积V_s与工作容积V_h之比（V_s/V_h），相当于二冲程循环中的供气比。实际供给的空气量为气缸内充入的空气量和气门重叠期间直接通过排气系统排出的空气量之和，因此气门重叠量越大，机械增压器的驱动功就会越大。

对于泵气功的理论平均有效压力为增压压力p₁这与大气压p₀之间的差异，在实际系统中因排气压力高于大气压力，以及存在进气、排气阻力损失，因此会小于理论值。

2.涡轮增压式发动机的理论压力线图

机械增压器的驱动功是利用发动机的输出功率，涡轮增压器是利用排气能量（废能量），因此涡轮增压式发动机的效率较高。

（1）恒压涡轮式如图7-39所示为恒压式涡轮增压发动机没有低压部分损失的理想p-V线图。恒压式涡轮增压器的排气压力为p_t，不同于以大气压p₀排气的机械增压器。现在假设在排气过程时，气缸内的压力与涡轮入口的压力p_t相同，排出气体减压排放的能量W_b（面积4-5-5′-4）全部转换为热量，排气温度在排气压力p_t下上升ΔT温度，容积也增加ΔV，状态从5变化到5′。另外，供给空气也从压力p_s到p_t膨胀，其能量附加到排气中，使气体容积进一步从5′增加到6。结果，涡轮绝热膨胀功是面积6-7-9-10-6。

另一方面，供给空气的压缩功（p₀-p_s）为面积8-1-11-9-8，充气量为1′-11，供给空气量为1-1′。泵气功相当于面积1′-5′-12-13，如果进气系统的压力大于排气系统的压力，即p_s>p_t，泵气功为正（+），由此附加到发动机的输出功率中。

恒压增压方式因涡轮喷嘴的废气流动基本上为正常流动，因此对涡轮效率有利，但因排气压力较高，会导致输出功率的减小。

图7-39 恒压式涡轮增压低压部分p-V线图

（2）动压涡轮式动压增压时的低压部分p-V线图如图7-40所示。出口压力是大气压p₀，理想的通过进气增压的泵气功e-p₂-1为正（+）功，以附加在发动机输出功率上。排气系统设计为，1个气缸的排气压力充分降低后，从另外的气缸接收动压。排气系统容积尽可能小。如果每3个气缸的排气系统合在一起，排气间隔会在240℃A左右，可以连续获得动压，因此效率的降低量就会很少。如果发动机的气缸数为4或8个，就不能把1、2个气缸合在一起，减压排放会受到限制，效率会显著降低。

图7-40 动压涡轮式增压低压部分p-V线图

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