摘要：隨著生產(chǎn)的需要和科技水平的不斷提高，對(duì)柴油機(jī)的要求也越來越高，既要求柴油機(jī)輸出功率要大，經(jīng)濟(jì)性要好，而且重量要輕，體積要小。柴油機(jī)輸出功率的大小，取決于進(jìn)入氣缸的燃油和空氣的數(shù)量及熱能的有效利用率。由此可知：要提高柴油機(jī)的輸出功率，最經(jīng)濟(jì)最有效的辦法是增加進(jìn)入氣缸的空氣量。在柴油機(jī)氣缸容積保持不變的條件下，增加進(jìn)入氣缸的空氣密度是提高柴油機(jī)輸出功率的主要手段。然而，空氣密度與壓力成正比，與溫度成反比，因此，增加進(jìn)氣壓力，降低進(jìn)氣溫度都能提高進(jìn)氣密度。目前柴油機(jī)中采用增壓器來提高壓力，采用中冷器降低氣體的溫度。所謂增壓，即用增壓器（壓氣機(jī)）將柴油機(jī)的進(jìn)氣在缸外壓縮后再送入氣缸，以增加柴油機(jī)的進(jìn)氣量，從而提高平均有效壓力和功率。

一、 柴油機(jī)增壓方法

      不帶增壓器的柴油機(jī)進(jìn)氣方式稱為自然吸氣，它與增壓型柴油機(jī)的功率對(duì)比曲線如圖1所示。按照驅(qū)動(dòng)增壓器所用能量來源的不同，基本的增壓方法可分為三類：機(jī)械增壓系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)和復(fù)合增壓系統(tǒng)三類。除了利用上述三種方法來提高氣缸的空氣壓力外，還有利用進(jìn)排氣管內(nèi)的氣體動(dòng)力效應(yīng)來提高氣缸充氣效率的慣性增壓系統(tǒng)以及利用進(jìn)排氣的壓力交換來提高氣缸空氣壓力的氣波增壓器。

1、機(jī)械增壓系統(tǒng)

      增壓器（壓氣機(jī)）由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的增壓方式稱為機(jī)械增壓系統(tǒng)。它由柴油機(jī)的曲軸通過齒輪、傳動(dòng)帶或鏈條等傳動(dòng)裝置帶動(dòng)增壓器旋轉(zhuǎn)。增壓器通常采用離心式壓氣機(jī)或羅茨壓氣機(jī)?？諝饨?jīng)壓縮提高其壓力后，再送入氣缸，如圖2所示。

      由于機(jī)械增壓系統(tǒng)壓氣機(jī)所消耗的功率是由曲軸提供的，當(dāng)增壓壓力較高時(shí)，所耗的驅(qū)動(dòng)功率也會(huì)很大，使整機(jī)的機(jī)械效率下降。因此，機(jī)械增壓系統(tǒng)通常只適用于增壓壓力不超過160～170kPa的低增壓小功率柴油機(jī)。

圖1  自然吸氣和增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線圖

圖2 柴油機(jī)機(jī)械增壓系統(tǒng)

2、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

      廢氣渦輪增壓是利用柴油機(jī)排出的廢氣能量來驅(qū)動(dòng)增壓器，將空氣壓縮后再送入氣缸的一種增壓方法。柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓后，可提高輸出功率30％～100％以上，同時(shí)還可減少單位功率的質(zhì)量，縮小外形尺寸，節(jié)省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油機(jī)扭矩，提高載荷能力以及減少排氣對(duì)大氣的污染等，因而得到廣泛應(yīng)用。尤其在高原地區(qū)因氣壓低、空氣稀薄，導(dǎo)致輸出功率下降。一般當(dāng)海拔高度每升高1000m，功率將下降8％～10％。若裝設(shè)渦輪增壓器后，可以恢復(fù)原輸出功率，其經(jīng)濟(jì)效果尤為顯著。

      柴油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)如圖3所示。將柴油機(jī)排氣管接到增壓器的渦輪殼上，柴油機(jī)排出的具有500～650℃高溫和一定壓力的廢氣經(jīng)渦輪殼進(jìn)入噴嘴環(huán)，噴嘴環(huán)的通道面積由大逐漸變小，因而可以做到：雖然廢氣的壓力和溫度在下降，但其流速在不斷提高，高速的廢氣流，按一定的方向沖擊渦輪，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪的轉(zhuǎn)速就越快。通過渦輪的廢氣最后排入大氣。

（1）廢氣渦輪增壓器按進(jìn)入渦輪的氣流方向，可分為軸流式和徑流式兩種。

① 徑流式渦輪增壓器

      徑流式渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)主要是由渦輪殼、噴嘴環(huán)、渦輪和轉(zhuǎn)子軸等組成。徑流式渦輪增壓器工作時(shí)，柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)入增壓器的渦輪殼后，沿增壓器轉(zhuǎn)子軸的軸線垂直平面（即徑向）流動(dòng)。這是由于當(dāng)氣流通過噴嘴時(shí)，一部分壓能和熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，由此獲得高速氣流。由噴嘴環(huán)出來的高速氣流按一定方向流入葉輪，在葉輪中被迫沿著彎曲通道改變流動(dòng)方向，在離心力的作用下，氣流質(zhì)點(diǎn)投向葉片凹面，壓力增加而相對(duì)速度降低；葉片凸面上則相對(duì)速度提高而壓力降低，因此，作用在葉片凹凸面上的氣流合力（即壓力差）在渦輪軸上形成推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)的力矩，因而從葉輪流出的廢氣經(jīng)由渦輪中心沿軸排出。中型柴油機(jī)大多采用徑流式渦輪增壓器。

② 軸流式渦輪增壓器

      軸流式渦輪增壓器工作時(shí)，柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)入增壓器的渦輪殼之后，氣流沿著增壓器的轉(zhuǎn)子軸的軸線方向流動(dòng)，故稱軸流式。大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用這種形式的增壓器。

（2）廢氣渦輪增壓器按是否利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)廢氣的脈沖能量，可分為恒壓式和脈沖式兩種增壓器。

① 恒壓式廢氣渦輪增壓器

      恒壓式廢氣渦輪增壓器是將多缸柴油機(jī)全部氣缸的排氣歧管接到一根排氣總管內(nèi)，再與增壓器渦輪殼相連接，而廢氣以某一平均壓力順著一個(gè)單一的渦輪殼進(jìn)氣道通向整個(gè)噴嘴環(huán)，這種增壓器常用于大功率高增壓柴油機(jī)中。

② 脈沖式廢氣渦輪增壓器

      脈沖式廢氣渦輪增壓器的排氣系統(tǒng)示意圖如圖4所示。以6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例來說明，其發(fā)火次序?yàn)?-5-3-6-2-4，通常將1、2、3缸的排氣道連接到一根排氣歧管上，沿渦輪殼上的一條進(jìn)氣道通向半圈噴嘴環(huán)；而將4、5、6缸的排氣道連接到另一根排氣歧管，沿渦輪殼上的另一條進(jìn)氣道，通向另半圈噴嘴環(huán)，這樣各缸排氣互不干擾，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用廢氣的脈沖能量，并能利用壓力高峰后的瞬間真空掃氣，防止某缸排氣壓力波高峰倒流到正在吸氣的另一缸中，因此，在同一根排氣歧管的各氣缸發(fā)火間隔應(yīng)大于180°曲軸轉(zhuǎn)角。目前，中型柴油機(jī)廢氣渦輪增壓均采用脈沖式增壓器。

      廢氣渦輪增壓器的主要性能指標(biāo)是空氣壓力升高比，簡(jiǎn)稱壓比，用π_k表示，它是壓氣機(jī)出口空氣壓力p_k和壓氣機(jī)進(jìn)口空氣壓力p₁的比值，即

π_k＝p_k/p₁

      壓氣機(jī)出口空氣壓力p_k值越大，進(jìn)入氣缸的空氣密度也越大。渦輪增壓器按壓比大小可分為低、中、高增壓三種：

低增壓π_k＜1.7；中增壓π_k＝1.7～2.5；高增壓π_k＞2.5。

      一般π_k＞1.8的中增壓，就要采用中冷器，以降低壓氣機(jī)出口空氣溫度，使進(jìn)入氣缸的空氣密度增大。目前，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上普遍采用低、中增壓徑流脈沖式廢氣渦輪增壓器。高增壓柴油機(jī)已成為發(fā)展趨勢(shì)。

3、復(fù)合增壓系統(tǒng)

      在一些柴油機(jī)上，除了應(yīng)用廢氣渦輪增壓器外，同時(shí)還應(yīng)用機(jī)械增壓器，這種增壓系統(tǒng)成為復(fù)合增壓系統(tǒng)（如圖5所示）。大型二沖程柴油機(jī)，常采用復(fù)合式增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)增壓器用于協(xié)助廢氣渦輪增壓器工作，以使在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得較高的進(jìn)氣壓力，從而保證二沖程柴油機(jī)在啟動(dòng)、低速和低負(fù)荷時(shí)所必需的掃氣壓力。有時(shí)，對(duì)排氣背壓較高的水下運(yùn)行的柴油機(jī)，要得到較高的增壓壓力也常采用這種系統(tǒng)。

      復(fù)合增壓系統(tǒng)有兩種形式：一種是串聯(lián)增壓系統(tǒng)，柴油機(jī)的廢氣進(jìn)入廢氣渦輪帶動(dòng)離心式壓氣機(jī)，以提高空氣壓力，然后送入機(jī)械增壓器中再增壓，進(jìn)一步提高空氣壓力后進(jìn)入柴油機(jī)燃燒室中；另一種是并聯(lián)增壓系統(tǒng)，廢氣渦輪增壓器和機(jī)械增壓器分別將空氣壓力提高后，進(jìn)入柴油機(jī)燃燒室中。

4、其他增壓方法

① 慣性增壓系統(tǒng)

      這種增壓方式是利用進(jìn)氣和排氣管內(nèi)的氣體，由于進(jìn)、排氣過程中會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)力效應(yīng)-氣體的慣性效應(yīng)和波動(dòng)效應(yīng)，以改善柴油機(jī)的換氣過程和提高氣缸的充氣效率。系統(tǒng)中僅適當(dāng)加長(zhǎng)進(jìn)氣管，再加一個(gè)穩(wěn)壓箱，不需專門的增壓設(shè)備和改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。因此，慣性增壓系統(tǒng)易于在原機(jī)上安裝實(shí)現(xiàn)。這種增壓方法常用于小型高速柴油機(jī)上，尤其適用于負(fù)荷及轉(zhuǎn)速變化范圍不大的柴油機(jī)。一般可增加功率20％，降低燃油消耗10％左右，并可降低排氣溫度和改善尾氣排放。

② 氣波增壓器

      氣波增壓器是將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高壓廢氣直接與低壓進(jìn)氣接觸，在相互不混合的情況下，利用氣波（壓縮波和膨脹波）原理，高壓廢氣的能量通過壓力波傳遞給低壓進(jìn)氣，使低壓進(jìn)氣壓縮，進(jìn)氣壓力提高。實(shí)際上它是一個(gè)壓力轉(zhuǎn)換器。氣波增壓器的結(jié)構(gòu)及其與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的配置如圖6所示。

      氣波增壓器主要有由空氣定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子外殼和燃?xì)舛ㄗ拥冉M成。在空氣定子上設(shè)有低壓空氣入口及高壓空氣出口；在燃?xì)舛ㄗ由显O(shè)有高壓燃?xì)馊肟诤偷蛪喝細(xì)獬隹冢晦D(zhuǎn)子上裝有許多直葉片，構(gòu)成了狹長(zhǎng)的通道；轉(zhuǎn)子外殼將轉(zhuǎn)子包在里面。當(dāng)轉(zhuǎn)子由曲軸通過V帶傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，大氣中的低壓空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道的左端，柴油機(jī)排出的高壓燃?xì)膺M(jìn)入轉(zhuǎn)子通道的右端。高壓燃?xì)鈱?duì)低壓空氣產(chǎn)生一個(gè)壓力波進(jìn)行壓縮，使空氣壓力增加，得到增壓的空氣，經(jīng)出口進(jìn)入柴油機(jī)的進(jìn)氣管2充入氣缸，降低了壓力的燃?xì)饨?jīng)出口進(jìn)入柴油機(jī)排氣消聲器排放到大氣中。