浅谈增压柴油机开发研制过程的几个问题

YTR4105ZG型柴油机外特性试验数据：

最高稳定空转r/min 发动机转速 (r/min) 2654 怠速r/min 823 功率(实测值) kW 供油提前角℃A 小时油耗 kg/h 18 试验日期 2008年3月24日 压气机后压力 MPa 扭矩(实测值) N.m 燃油消耗率(实测值) g/kW.h 2450 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 最高稳定空转r/min 发动机转速 r/min 236.2 270.6 284.2 294.7 301.8 306.8 316.5 331.8 333.3 335.1 336.0 60.6 68.0 68.5 67.8 66.3 64.1 62.9 62.4 59.3 56.0 52.7 14.09 15.58 15.42 14.88 14.29 13.65 13.46 13.36 12.58 12.14 11.42 供油提前角℃A 小时油耗 kg/h 18 232.5 229.1 225.1 219.5 215.5 212.9 214.0 214.1 212.1 216.8 216.7 0.105 0.115 0.115 0.110 0.100 0.100 0.095 0.090 0.085 0.080 0.075 2658 怠速r/min 823 功率(实测值) kW 试验日期 2008年3月24日 压气机后压力 MPa 扭矩(实测值) N.m 燃油消耗率(实测值) g/kW.h 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 304.8 313.4 319.0 328.0 332.6 331.1 330.8 326.5 70.1 68.8 66.7 65.1 62.6 59.0 55.0 51.1 15.26 14.77 14.22 13.94 13.36 12.56 11.84 11.05 217.7 214.7 213.2 214.1 213.4 212.9 215.3 216.2 0.110 0.110 0.105 0.100 0.090 0.085 0.075 发动机输出功率的大小，在转速一定的情况下，与进气过程中充入气缸的新气重量成正比。在气缸容积不变的情况下，增加进气压力和降低进气温度均可提高新气的密度，使充入气缸的新气重量增加，可提高发动机的功率，柴油机尤为显著。目前柴油机采用增加进气压力的方法，提高输出功率，这种方法称为增压。降低进气温度的方法只是在高增压时作为辅助手段，对增压的新气进行冷却，使增压的新气进一步提高密度后充入气缸，以改善高增压提高输出功率的效果，这种降低进气温度的方法称为中间冷却，简称“中冷”。汽油机采用增压时，易引起爆震，实用上比较困难，因此除在高原地区采用增压以补偿功率损失以外，一般地区很少采用（注：现在由于增压技术的日益完善以及对排放的要求，汽油机采用增压的也越来越多）。

柴油机采用废气涡轮增压一般可使功率增加30%~100%，甚至更多。如果只在普通柴油机上，改变一下进、排气管，使它适合安装废气涡轮增压器的要求，其它机件不作变变，由于充入气缸新气增加，就可加大供油量，使柴油机的功率增加20%~30%。例如6140-B型柴油机采用废气涡轮增压后，输出功率由200马力增加到260马力，功率增加30%。如果对柴油机在增压方面做完善的改进，采取增加运动件的刚度和强度，改变配气机构及配气相位和调整燃料供给系统等措施，则功率可增加100%。

废气涡轮增压是利用柴油机排出废气的能量驱动，所以它与柴油机没有机械传动关系，因此消耗功率很少，结构比较简单、紧凑，体积小，经济性好。故目前车用柴油机多是废气涡轮增压。

废气涡轮增压系统，按照排气管内的压力状况或废气能量利用方式不同，有两种形式，即恒压式涡轮增压系统和脉冲式涡轮增压系统。

恒压式废气涡轮系统是将各缸排出的废气引入一个容积较大的排气总管内，然后流入涡轮机。这样进入涡轮机的废气压力波动很小，使涡轮叶轮承受冲击负荷较小，排气管的结构也较简单。但这种增压系统中，废气流通过气门时的节流大，并且废气进入废气总管时自由膨胀和形成涡流，使这部分飞起的动能（也称脉冲能量）大部分损失掉了，而脉冲能量占废气能量的百分比将随增压压力的增加而下降，故恒压式涡轮增压系统多用于

高增压柴油机。

脉冲式涡轮增压系统亦称变压式涡轮增压系统。在这种系统中，排气歧管较短，管子的通道截面较小，差不多与排气门的最大流通截面相等。这样当气缸排气时，排气管内的压力迅速提高，产生压力高峰，此后随气缸内的压力降低而下降。因此脉冲式涡轮增压系统在低、中增压时，可以使废气的脉冲能量得到较好的利用，从而可获得较大的涡轮功率，所以目前车用柴油机多采用这种增压系统。为了保证排气管内废气压力处于脉冲状态，四行程多缸柴油机连接在一根排气管上的气缸数最多不超过三个，并且它们的排气顺序必须错开，不能重叠，以避免排气互相干扰，即破坏了排气管内的压力脉冲状态，又影响柴油机正常扫气过程的进行。例如四行程六缸柴油机，其发火顺序为1-5-3-6-2-4，则1、2、3缸用一根排气歧管连接，4、5、6缸用一根排气歧管连接，分别与涡轮机的相应进气口连接。废气涡轮增压器的一个主要性能指标是压力升高比，符号为πk。它是压气机的出口压力与压气机进口压力之比值。即

πk?Pk P0涡轮增压器按压比大小可分为低、中、高三种形式。低增压涡轮增压器的压比πk＜1.4；中增压涡轮增压器的压比πk=1.4~2.0；高增压涡轮增压器的压比πk＞2.0。一般πk＞1.8的中高增压均采用中冷，以降低柴油机的进气温度，提高充入气缸的空气重量。（注：按照GB/T1883的规定，增压压力Pb≤0.15MPa的增压为低增压；增压压力0.15MPa＜Pb≤0.25 MPa的增压为中增压；增压压力0.25MPa＜Pb≤0.35 MPa的增压为高增压；增压压力Pb＞0.35 MPa的增压为超高增压）

（以上摘自《汽车构造》 中国人民解放军总后勤部车船部 编写）

对于增压度很高的车用发动机，其结构上的变动可能是很大的，甚至需要为适应高增压而重新进行设计。这时，机体和主要零部件在结构上要加强，活塞可能要通油冷却，供油、配气、冷却、润滑等各部分都要重新考虑。

可是目前多数车用增压发动机的增压度不高，它在基本结构方面与非增压发动机型同属一个系列，这样便于对增压与非增压两种机型的主要零件在同一条加工流水生产线上组织生产。为了适应增压后功率增长的要求，降低其机械负荷与热负荷，仍然需要对这种增压机型作必要的改动。了解这些改动的部分，可以较全面地认识两种机型在结构与参数上的差异。

（1） 增大供油量、调整供油系 为了增加循环供油量，如果仍采用非增压的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉长，经济性变坏。缩短供油持续时间的办法有：增大柱塞直径、增加供油速率（使喷油

泵凸轮轮廓线变陡）以及加大喷油嘴孔径等。提高喷油压力和加大喷孔直径还可以增加油雾的穿透能力，保证 在气缸空气密度增大的情况下有足够的射程，适应油束、气流及燃烧室尺寸之间配合的要求。

从限制最高爆发压力的角度考虑，应适当减小喷油提前角，即减少上止点前燃烧的燃料量。但过多地减小喷油提前角，可使燃烧大量地延续至膨胀线上，以致发动机经济性和涡轮工作条件变坏。

（2） 改变配气相位 合理地增加气阀重叠角，可加强气缸的扫气作用，有助于降低燃烧室零件的表面温度，增加充气系数，改善涡轮的工作条件。不过气门重叠角不宜过大。研究表明，当气门重叠角超过88°曲轴转角以后，其扫气冷却效果将不会进一步改善。而且，重叠角过大将使扫气空气量增加，加重了压气机的工作负担，引起发动机在低速、低负荷时废气倒流，这对整机的加速及变工况性能不利；同时，当重叠角过大，为了避免气阀与活塞相碰，要在活塞顶上挖过深的凹坑，使得燃烧恶化。

（3） 减小压缩比、增大过量空气系数 为了降低爆发压力，宜适当减小压缩比1~2个单位。过多地减小，不仅会恶化整机经济性，也会使起动性变差。

（4） 设置分支排气管 在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使各缸排气互不干扰，排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连各缸排气必须不互相重叠（或重叠很少）。例如，一般四冲程柴油机排气脉冲延续时间为240°曲轴转角，这时一根排气管所连接气缸的数目不宜超过三个，同时应该使相邻发火的各缸排气相互隔开，如发火次序为1-5-3-6-2-4的六缸机，就可采用1、2、3缸及4、5、6缸各连一根排气管。

表7-3为脉冲增压柴油机排气管分支的例子。

应该指出，表中所列的一个排气管连接两个气缸的情况：例如直列4缸或V8缸，由于所连接气缸的发火间隔大于一个气缸的排气延续角，所以排气管有一段时间并不向涡轮机的喷嘴环段供气，该时该处工作叶轮片产生鼓风作用而损耗能量，称为鼓风损失（或称为脉冲涡轮的部分进气损失）。所有汽缸数目为三的倍数的柴油机，一般安排一根排气管连接三个气缸。这样涡轮机虽在脉冲压力下工作，但涡轮机各段喷嘴环的进气都是连续的。

（5） 冷却增压空气 将增压器出口的增压空气加以冷却，一方面可以提高充气密度，从而提高柴油机功率，另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低了柴油机的热负荷和排气温度。实践表明，增压空气每降低10℃，柴油机的循环平均温度可降低25~3010℃.在压力比为1.5到2时，供气量可以比不采用增压空气冷却的增压柴油机提高10%~18%。

冷却增压空气的方法，一般是用水或空气在中间冷却器中进行间接冷却，采用独立水冷系统使结构庞大而复杂，在汽车上布置困难；而采用空气冷却的方案比较可取。如图7-19所示，被涡轮增压器压缩的空气经一中冷器2后进入柴油机，冷却空气3由一个空气涡轮所驱动的轴流式风扇5所提供，而驱动空气涡轮的压缩空气就取自涡轮增压器7所压缩的工质（由图中抽气管道6引出）。为了使结构紧凑，空气涡轮的叶片就装在风扇的边缘，二者合为一体，称为轮缘空气涡轮风扇。

冷却增压空气尽管是降低热负荷最合理的措施之一，但它只有在增压压力较高时（例如pk≥200kPa）才是合适的。在低增压时没有必要设置中间冷却器。

（6） 其它改动部分 对于不同的增压机型，可能还会做若干有针对性的结构改进，如：加粗进气管，加强冷却系等等。

（以上摘自《汽车拖拉机发动机》 第3版 武汉汽车工业大学 董敬 庄志 编） 内燃机的增压改造

为了适应增压的需要，内燃机的结构与工作参数要进行适当的改动。

1. 压缩比与过量空气系数

为了降低最高燃烧压力，增压内燃机应适当降低压缩比。增压比越高，压缩比降低幅度越大，但过高的降幅会恶化内燃机的经济性能，且会造成冷起动困难。对于汽油机而言，增压容易诱发爆燃，故降低压缩比是比较普遍的选择。

为了降低内燃机的热负荷和改善经济性，增压柴油机可适当加大过量空气系数，如车用非增压柴油机的φa一般较小，增压后一般将其增大10%~30%。

2. 供油系统

供油系统为了适应增压后功率增大的要求，需要增加每循环的供油量。对于增压柴油机而言，为了使供油持续期近似不变，常采用以下方法：增大柱塞直径，增加供油速率，提高喷油压力，加大喷孔直径等，这些措施也保证了燃油喷射油束在空气密度提高的情况下有足够的贯穿距离。

柴油机增压后，滞燃期缩短，可以适当地减小喷油提前角，以限制最高燃烧压力的增长（注：同时可减少NOx的排放）。

3. 配气相位

利用增压压力比排气压力高的有利条件，合理地加大气门叠开角，已增加气缸扫气，从而降低内燃机的热负荷。增压柴油机的实验表明，气门叠开角每增加10°（CA），活塞平均温度降低4℃。合理地增大气门叠开角，除了可降低发动机的热负荷以外，还有利于气缸内废气的扫出和进气终点温度的降低，使充量系数增大。此外，由于扫气增加，降低了排气温度，改善了涡轮的工作条件。但当增压压力较高（pb＞300kPa）和采用进气中冷技术后，气门叠开角反而和非增压差不多，主要为防止低负荷时的排气倒流。

4. 进排气系统

进排气系统的设计，要与增压系统的要求相一致。如脉冲系统，为了使各缸的排气不致互相干扰，要求同一排气支管内所连各缸的排气不能重叠或尽可能地减小重叠。如乏货顺序为1-5-3-6-2-4的6缸机，可以采用1、2、3缸和4、5、6缸各连一根排气管，每一根管内相邻两缸间的工作夹角为240°（CA），与排气脉冲波的持续时间大致相同，排气互相干扰不大。

增压内燃机的进气管容积尽可能大一些，以减少进气压力的脉动，从而提高压气机效率和改善发动机的性能。

5. 增压空气的冷却

对增压器出口空气进行冷却，一方面可以进一步提高内燃机进气管内的空气密度，从而提高内燃机的功率输出，另一方面可以降低内燃机压缩始点和整个循环的平均温度，从而降低内燃机的排气温度、热负荷和NOx排放。对增压器出口空气进行冷却称为中冷，可以利用循环冷却水进行“水冷”或用冷却风扇进行“风冷”。利用冷却风扇加车辆运行过程中所产生的高速气体流动来冷却增压空气的所谓“空-空”中冷方式，可以获得比较好的冷却效果，且布置较为灵活，近年来在车用发动机上应用较多。 （以上摘自《内燃机学》 第2版 周龙宝 主编）

燃油的输入量是可以控制的，而关键是空气，一般发动机靠自然吸气，空气吸入量受发动机进气系统阻力

的影响，仅能吸入70%~80%的空气量（以一个大气压计，吸入气缸的空气体积与汽缸容积的百分比），因此功率难以提高。

燃油在发动机气缸内燃烧做功，其做功部分的能量只占燃油释放能量的35%~40%，剩余的60%~65%的能量有一半随废气排到发动机外，另一半被燃烧室壁面、气缸筒壁面和活塞顶面所吸收，这些部件如果不加以适当冷却，必然将使其温度过高，破坏发动机的正常工作。因此，必须对燃烧室和活塞周围进行冷却。

（以上摘自《汽车柴油机维修10日通》赵英君 编著 黑龙江科学技术出版社） 喷油泵在试验台上的调整

喷油泵在实验台上调整，必须在规定的条件下进行。喷油泵的调整最好完全模拟柴油发动机的工作状况进行。然而由于柴油发动机种类繁多，机型各异，若想在实验台上完全模拟每种燃料喷射系统的实际工况是相当困难的，为了使试验调整工作标准化，使试验数据具有一致的基础，在各机型喷油泵试验调整工作中，对影响试验结果的各因素做了相应的统一规定，这就是喷油泵的试验条件。

一般喷油泵试验台调整的试验条件包括几个方面：

1、喷油嘴和喷油器的型号。因为在一定的情况下，喷油嘴的形式、喷孔的大小和数量、喷油器的开启压力都对喷油量有直接的影响。一般来说，喷孔直径越大，喷孔数越多，喷油量越大。同样，喷油器开启压力越低，喷油量越小（注：原文如此，疑其观点是错误的，应该是开启压力越低，喷油量越大）。为消除喷油嘴与喷油器上述因素对被测试喷油泵试验的影响，在试验调整时必须对喷油嘴与喷油器的型号加以统一规定。为保证试验调整精度，试验台上规定使用的喷油器在使用一定时间后，应对其喷油压力进行检查和调整，而且还规定使用一定次数之后，必须更换新的喷油器。

2、喷油开启压力。喷油器的喷油开启压力对喷油泵的喷油量影响极大。因此在试验中必须规定喷油开启压力标准。应当注意，试验条件中规定的喷油压力不一定与实际工作中要求的喷油压力相符。

3、供油压力。喷油泵低压供油压力对喷油泵的喷油量影响也较大。一般来说，供油压力越高，喷油泵的供油量越大。因此在试验中必须规定供油压力。试验用油与油温。试验用油与油温决定了试验油的粘度，而试验油的粘度对喷油泵的供油量又有不容忽视的影响。一般来说，试验油的粘度越大，喷油泵的供油量越大。因此，在试验条件中又严格规定了试验油的牌号与试验油温。

4、高压油管的规定。连接喷油泵与喷油器的高压油管有一定的长度、内径和壁厚。高压油管在脉冲式的工作中，会产生油管效应。就是说在供油过程中油管会产生弹性膨胀。同时，喷油器的喷油要滞后于喷油泵的开始供油时刻。因此，不同规格的高压油管对喷油量会有不同的影响。在试验中必须对高压油管的规格加以规定。

5、试验用油与油温。试验用油与油温决定了试验油的粘度。而试验油的粘度对喷油泵的供油量又有不容忽视的影响。一般来讲，试验油的粘度越大，喷油泵的供油量越大。因此在喷油泵试验条件中严格规定了试验油的牌号与试验油温。

（以上摘自《斯太尔系列柴油汽车结构与维修》 管晓忙 鲍利平 编 机械工业出版社《斯太尔重型货车维修手册》陆涛 编 金盾出版社） 柴油机用废气涡轮增压，一般可提高功率30%~40%，增压中冷可提高到50%~70%，而成本只增高8%~10%，重量只增加3%~5%。

柴油机增压后，机械负荷和热负荷都增大。机械负荷一般以最高燃烧压力Pzmax的大小为标志。增压时进气压力，压缩压力（始点及终点）、和最高爆发压力都随之提高，机械负荷增加，不仅使受力零件的磨损加剧，而且易引起损坏。所以要控制最高爆发压力，同时要对相关零部件采取强化措施。在目前的材料和工艺条件下，一般不希望最高爆发压力超过14Mpa。（注：河柴DBT234系列柴油机为15MPa，斯太尔WD615.68柴油机为1589KPa）。

热负荷一般以活塞温度和涡轮前废气温度为标志。增压后，柴油机的进气温度提高，工作循环温度升高，热负荷过高，热应力加大可引起燃烧室壁、气门座面和活塞表面产生裂纹；发生活塞环结碳、零件间隙变化、润滑油高温结焦、油耗增高等。

增压机热负荷的增加往往比机械负荷的影响更为严重，因而是提高增压度的主要障碍。四冲程增压柴油机的平均有效压力最高可达3.2MPa左右，在车用发动机上实际达到的较好水平是1.4~1.8MPa。

设计增压柴油机时应当根据热负荷和机械负荷增高的特点，对有关零部件的材质、结构设计、工艺和有关性能参数进行考虑和调整。一般地，应采取以下技术措施： 1、 降低压缩比，加大过量空气系数

为了降低爆发压力，可根据增压度的高低适当地减小压缩比。一般车用增压柴油机的压缩比约在16~19范围。如果过低，会使工作粗暴、经济性恶化，并给冷起动造成困难。

为了降低热负荷，改善经济性，增压柴油机可适当加大过量空气系数。 2、 调整供油系统

增压柴油机每循环的供油量比同系列非增压机的大，因此要适当增大喷油泵的柱塞直径。采用较陡的凸轮型线以提高供油速率；此外，增压机由于压缩终点压力和温度均增高，滞燃期将缩短，为使爆发压力不至太高，应适当减小喷油提前角。连同喷油器的喷油压力和喷孔直径的调整，必须匹配好燃料喷射系统。 3、 调整配气相位

4、 匹配好涡轮增压器和进排气系统 5、 提高主要承载件的强度

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