6第三章 换气机构和增压系统(5)

近年来石油的价格回落，航运界要求柴油机有高的综合经济性（包括高的可靠性、提高平均有效压力降低单位功率造价及保持低的燃油消耗率）、排气污染应降低至法规限定的范围内。这就要求增压器有更高的增压压比。当然，在该压比时也应有足够高的增压器效率，见图3-2-2 VTR-4D总效率曲线。针对低速机ABB公司推出了VTR-4D型增压器（由VTR-4P型增压器的压气机与VTR-4E型增压器的涡轮择优拼装而成，其压比达3.9，总效率为0.67）。使新型低速机的性能进一步提高，平均有效压力已达到1.9MPa。九十年代末ABB公司开始研制新一代高效率高压比、易维护更可靠的TPL/TPS型涡轮增压器，现已有配机装船。

二、废气涡轮增压技术

1．废气能量的组成

为说明废气能量的组成，我们画出四冲程等压涡轮

增压的理论示功图（图3-2-3）。其中：

3-a：进气过程，进气压力为pk。

a-c-z'-z-b：压缩、燃烧、膨胀过程。 b-5-4：排气过程，排气管中的压力为pT。 图3-2-2 VTR-4D总效率曲线

b点：排气阀打开时气缸中燃气的状态。

b-f-1-b：废气等熵膨胀到大气压p0时作出机械功的最大能力，即排气阀打开时气缸中废气具有的可用能（ ）。

o-a-3-2-o：压气机压缩进入柴油机气

缸的空气所需能量。（3-a长度为气缸工作

容积。）

i-g'-3-2-i：压气机压缩扫气空气所需

能量。（g'-3长度表示扫气空气体积。）

o-a-g'-i-o：压气机消耗的总能量。

e'-f'-i-g-e'：涡轮前废气的可用能。它

由以下四部分组成：

（1）e-f-1-5-e：废气到达涡轮前仍保

留的可用能。

（2）5-4-2-1-5：活塞以pT将Vs体积 的废气从气缸中推出所给予的可用能。

图3-2-3 四冲程等压涡轮增压柴油机的理论示功图

（3）i-g-4-2-i：扫气空气带来的可用能。

（4）e'-f'-f-e-e'：由于损失废气可用能b-e-5-b而获得的热量使废气温度升高，这样涡轮前的废气温度比等熵膨胀后的e点的温度高（以e'点来表示），由此废气得到复热回收的可用能。当然，它远小于损失掉的可用能b-e-5-b。

b-f-i-g-5-b：废气总的可用能。它包括排气阀打开时气缸中废气具有的可用能，活塞推出废气而给予的可用能以及扫气空气带来的可用能。废

能E1和E2组成：E1（b-e-5-b） 废气由压力pb降到涡轮前压力pT的可用能，或称脉冲能。E2（e-f-i-g-e） 废气由压力pT降到p0的可用能，或称定压能。

能量E1在废气总可用能E1＋E2中所占的比例（E1）随pT的不同而不同。pT低，其E1 E2

所占比例大；pT高，其所占比例小。

2．废气涡轮增压的两种基本方式

1）等压增压

（1）结构特点

柴油机所有气缸的排气管都连接于一根粗大

的排气总管，排气总管再与废气涡轮连接，如图

3-2-4所示。这样，排气总管实际上还起了稳压箱 的作用，尽管各气缸轮流排气，但进入涡轮时气图3-2-4 等压涡轮增压

体压力的波动不大。 1-柴油机；2-排气管；3-涡轮；4-压气机；5-进气管

（2）废气可用能的损失

在等压涡轮增压系统中，排气管中维持着恒定的压力pT。排气阀刚打开时，废气在超临界压差作用下，以临界速度迅速排出。当气缸内压力下降到与排气管压力差低于临界值时，排气流动变为亚临界流动。在这排气过程中废气的可用能损失主要是节流损失，它包括流出气阀的高速气流进入排气管后由于管子较粗，流速大大降低，因此大量动能通过气体分子互相撞击、摩擦和形成涡流而损失，以及废气流入排气总管时产生不可逆膨胀的损失。超临界阶段的节流作用强烈，超临界阶段的节流损失是废气可用能损失的最主要部分。亚临界阶段的节流损失数值不大。除节流损失外，还有废气在管道中流动的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，它们在数量上更是小部分了。

因此，在等压涡轮中可利用的能量为废气由压力pT膨胀到压力p0的可用能e'-f'-i-g-e'。实际上由于废气锅炉、烟囱有流动阻力，废气在涡轮中只能膨胀到p0' （p0'>p0），即可用能还要少些。

（3）脉冲能量E1的利用

等压增压中脉冲能量E1复热回收的比例 E1/E1很低。它随pT增加而增加。在高增压柴油机中，由于pT高，E1回收的比例也较高一些。

2）脉冲增压

采用脉冲增压的目的就是要尽可能多地利用脉冲能E1。

（1）结构特点

将涡轮增压器尽量靠近气缸，并把柴油机各缸的排气支管做得短而细，总之使排气管容

积尽可能小些。四冲程柴油机缸径较小，排气量较

小。因此常是二、三缸为一组，共用一根排气支管，

再让几根排气支管分别通往废气涡轮的几个进口。如图3-2-5

所示。废气进入涡轮壳内相互隔开的几 个腔，再分别流向喷咀环对应的部分。每根排气支图3-2-5 脉冲涡轮增压

管只与部分喷咀环接通，即所谓“部分进气”。这

种系统工作时，排气管中形成脉冲压力波，进入涡轮的废气压力和速度都是变化的，所以称为脉冲涡轮增压。

（2）脉冲能E1损失减少

由于排气管短而细，排气阀一开启管内就迅速建立起

压力。如图3-2-6所示。使排气的超临界阶段大大缩短，

气缸内外压差很快变小进入亚临界阶段，节流损失减小

了。这部分可用能就表现为脉动的压力和速度，它包含了

脉冲势能和脉冲动能。在设计良好的情况下，脉冲增压可

利用E1的40～50%。

（3）脉冲涡轮增压柴油机气缸的分组

如果脉冲涡轮增压柴油机也象等压增压那样，各缸的

废气排入一根共同的排气管，由于排气管很细，就会产生

图3-2-6 排气脉冲波 扫、排气互相干扰。如某缸正在进行扫气而另有一缸开始

排气，排气压力波传到扫气缸的排气口处，使该缸背压升

高，妨碍扫气，甚至可能使排气倒灌。因此，气缸必须进行分组。分组的原则是：同一组气缸的扫、排气时间相互不重叠或重叠很少。（排气管中的压力波不是排气阀一开始打开就达到高峰，而且压力波是以音速传递的，传到正在扫气的气缸得花一点时间，而且对扫气的气缸而言，扫气后期，排气阀已经关得很小，即使有些干扰也已很小了。因此允许有点重叠。）

在四冲程柴油机中，曲轴转过720°各缸完成一个循环，而每一缸排、扫气持续时间约为240°曲柄转角，根据上述分组原则，分在同一组各缸排气间隔应大于或等于240°曲柄转角，所以同一组允许最多气缸数i＝720°/240°=3。在二冲程柴油机中，曲轴转过360°各缸完成一个循环，而每一缸排、扫气持续时间约为120°曲柄转角，同理，同一组允许最多气缸数i=360°/120°=3。对四冲程或二冲程柴油机，同一组气缸数少于3固然不会产生排、扫气互相干扰，但废气不能连续供给，使废气传递过程可用能损失加大，也使涡轮间歇进气、部分进气引起的损失加大，使涡轮效率ηT下降。所以不管是四冲程还是二冲程柴油机，同一组中的气缸数以3为最佳。因而缸数为3的倍数（3、6、9、12缸）的柴油机采用脉冲增压效果很好。

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