第十章 柴油机的增压
第一节 柴油机的增压系统
一、增压概述 （一）增压的目的
增压技术是提高柴油机功率最有效的措施之一，目前已广泛应用于船舶柴油机上。 根据： Pe?pe?Vhnmi60000
可知，有效功率Pe只与平均有效压力pe、气缸工作容积Vh、柴油机转速n、冲程系数m及气缸数i等参数有关，故提高柴油机功率的措施，可以归纳为三个方面。 1．增加工作容积
加大D、S和i，均能增加气缸工作容积，但这一措施会加大柴油机总重量和总尺寸，使造价增加，并给维修工作带来困难。 2．增加单位时间内的工作循环次数
提高n（或活塞平均速度Cm）和采用二冲程柴油机（使m=1），皆可增加单位时间内的工作循环次数，但是，此措施会导致柴油机机械负荷和热负荷的增大，充气系数?v和机械效率?m的下降，使燃油燃烧恶化，影响柴油机工作可靠性和使用寿命。
3．提高平均有效压力Pe
由Pe?Pi??m可知，要提高Pe可通过提高机械效率?m或者提高平均指示压力Pi来达到，但?m的变化范围很小，从减少机械损失来提高?m是有限的，所以Pe的提高主要是依靠提高Pi。 由燃烧理论得知，增加每一工作循环的喷油量，能提高Pi，但必须相应地增加气缸充气量，以确保燃油完全燃烧。在气缸容积不变的条件下，欲增加气缸充气量，必须增加进气密度，即先将空气进行压缩，然后使之进入气缸。
所谓增压，就是指通过提高柴油机进气压力来增加气缸的充气量。这样，可以相应地增加喷入气缸的燃油量，提高柴油机平均有效压力，从而有效地提高柴油机功率。
（二）中冷的作用
中冷即将经压缩的空气，在进入气缸前进行中间冷却，以降低进气温度，增大进气密度。中冷配合增压，可进一步增大气缸充气量。中冷器（即增压空气中间冷却器）往往以舷外水作为冷却介质。
二、柴油机增压系统
提高进气压力的方法一般是用空气压缩机来完成。通常把这一设备称为增压器，而把实现增压所设置的成套附件及管路系统称为增压系统。根据驱动增压器不同的能量来源，增压系统通常可分为三类。
（一）机械增压系统
增压器由柴油机直接驱动的增压系统称为机械增压系统。此时驱动增压器所需的能量由柴油机本身提供，如图10-1所示。
系统中的增压器采用离心式，转瓣式（罗茨式）、或其它型式的机械泵，由柴油机曲轴通过齿轮等传动机构直接驱动或利用十字头往复运动来带动。
机械增压系统驱动增压器要消耗柴油机的有效功率，增压压力越高，驱动增压器所消耗的功率也越大。当达到一定增压压力后，增压器所消耗的功率将超过柴油机由于增压而提高的功率，因此机械增压系统只适用于低增压柴油机，一般单独机械增压压力不超过0.16MPa～0.17MPa。这种增压系统制造容易、成本低，运转范围宽，柴油机加速和加载性能较好，且在启动与低速运转时也能获得一定的进气压力。
（二）废气涡轮增压系统
增压器由柴油机排气驱动的废气涡轮所带动的增压系统称为废气涡轮增压系统，如图10-2所示。
图10-l 机械增压系统图 图10-2 废气涡轮增压系统
1-排气管；2-柴油机气缸；3-曲轴； 1-排气管；2-柴油机气缸；3-压气机； 4-齿轮；5-压气机；6-进气管 4-进气管；5-涡轮
该系统中的增压器由废气涡轮和压气机两部分组成，称为废气涡轮增压器。驱动增压器所需的功率由柴油机的排气能量来提供，即柴油机的排气驱动涡轮增压器的涡轮，由涡轮带动同轴上的压气机来压缩空气，经进气管送入气缸。
显然，废气涡轮增压器与柴油机无任何机械联系，驱动增压器不仅不消耗柴油机的有效功，而且能够回收利用废气中的一部分能量来实现增压。涡轮从废气中利用的能量越多，其做功的能力越大，则增压压力越高，柴油机功率也就越大。废气涡轮增压可使增压压力达到0.25MPa甚至更高。增压压力较高时，由于会使增压空气的温度也随之升高而降低实际充气量，所以常在系统中装设空气中间冷却器。中间冷却器装于压气机出口和柴油机进气管之间。 （三）复合增压系统
采用机械增压器和废气涡轮增压器联合工作的增压系统称为复合增压系统。
对于二冲程柴油机，它是依靠扫气箱和排气管之间的压力差来进行换气的。由于换气时间变短，所需的换气空气量又大，所以扫气压差也大，致使压气机消耗的功率较大，涡轮增压器很难实现压气机和涡轮的功率平衡，特别是在低负荷或怠速运转时，这种不平衡更为严重。因此，早
期的二冲程柴油机多采用复合增压系统。
复合增压系统有串联和并联两种基本型式。
1．串联增压系统
图10-3所示是串联式复合增压系统。它是由废气涡轮增压器和机械增压器（柴油机带动的扫气泵）串联工作的两级增压系统。
由废气涡轮1驱动的离心式压气机2作为第一级增压，它将空气压缩到增压压力的70％～95％后，经第一级中冷器3冷却，然后空气进入串联的往复泵4进行第二次压缩，再经第二级中冷器5冷却后送入扫气箱 6，提供柴油机足够的增压空气。
采用串联增压系统的柴油机，工作比较可靠，起动和低负荷性能良好，增压压力较高，当涡轮增压器损坏时，依靠第二级机械增压器仍可使柴油机达到70％～80％的标定转速。但这种系统由于有第二级增压泵，使其结构复杂，装置体积、重量增加，而且两个增压器均需按全负荷时的空气流量设计。国产8E350ZCD和意大利菲亚特（FLAT）大型柴油机曾采用过这种系统。
图10-3 串连增压系统 图10-4 串联旁通增压系统
1-废气涡轮；2-离心式压气机； 1-压气机；2-废气涡轮；3-排气回转阀；
3-第一级中冷器；4-往复增压泵； 4-活塞下部空间；5-总容气箱；6-中冷器； 5-第二级中冷器；6-扫气箱 7-单向阀；8-扫气箱
2．串联旁通增压系统
这种增压系统是串联增压系统的一个特例，其特点是部分串联增压，即扫气前期为串联，后期则串联失效，由涡轮单独供气，如图10-4所示。废气涡轮增压器是第一级增压，活塞与其下部空间4构成第二级增压泵，起辅助扫气泵的作用。当活塞上行时，其下部空间容积增大，扫气箱压力下降，由废气涡轮增压器输出的空气经中冷器6、总容气箱5、单向阀7进入该缸扫气箱8。当活塞下行时，扫气箱压力高于总容器箱压力，单向阀关闭，使空气压力得以不断升高。当活塞打开扫气口时，经两级压缩的扫气空气迅速流入气缸，进行强制扫气。当活塞由下止点开始上行时，扫气箱8内压力低于总容器箱5内压力，由第一级废气涡轮增压压送的空气，将不经活塞下部空间而直接通过单向阀、扫气箱，流入气缸进行扫气，直至扫气口完全关闭为止，使串联的活塞下部空间在扫气后期失去二级增压的作用。
这种增压系统扫气效果较好。因为，当扫气口打开时，该缸扫气箱压力波正被活塞底泵压缩到波峰附近，所以加强了扫气过程的开始阶段，减少了废气倒流的可能性。此外，在废气涡轮增压器损坏时，借助活塞底泵的泵气作用，仍可维持柴油机在70％标定转速下运转。但为改善柴油机起动和低负荷性能，常增设电动鼓风机。国产6ESDZ76／160型和瑞士苏尔寿（Sulzer） RD、
RND型柴油机均采用该种增压系统。 3．并联增压系统
并联增压系统是将废气涡轮增压器与活塞底泵并联工作，如图10-5所示。空气并列地进入涡轮增压器的压气机1和活塞下部空间5，两股增压空气汇合后，经中冷器8进入柴油机扫气箱 7供扫气用。涡轮增压器所供空气通常为总量的75％～80％，其余部分则由底泵供给。 这种增压系统每个增压器都只通过部分空气量，无需按全负荷时的空气流量设计，所以装置的尺寸和重量较小。但是在柴油机低负荷时，由于涡轮增压器供气量的下降和活塞底泵的供气量不足，会影响柴油机正常工作，并易发生涡轮增压器喘振（详见后述），故常须增设电动鼓风机以备起动和低负荷时使用。德国曼恩（MAN）系列大型低速柴油机曾采用过并联及其变型方案。
近年来，由于增压系统和换气系统的不断改进，增压器效率的不断提高，目前绝大多数中、低速二冲程柴油机已实现了单级涡轮增压。
图10-5 并联增压系统
l-压气机；2-涡轮；3-回转阀；
4-扫气空间； 5-活塞下部空间； 图10-6 废气涡轮中废气能量的利用图 6-单向阀；7-扫气箱；8-中冷器
第二节 两种废气涡轮增压系统
一、废气能量分析
在柴油机中，燃油所发出的热量约有30％～37％共被排出的废气带走，高温废气排入大气，不仅损失热能，而且污染环境。利用废气来驱动涡轮增压器，既可提高柴油机功率，又可回收废气中一部分能量。，同时也减小了对环境的不利影响。由柴油机原理可知，气缸内的气体不可能完全膨胀到大气压力P0，而只能膨胀到Pb后即开始排气，如图10-6所示。这样，由Pb膨胀到P0所相当的能量E1'；（面积abf）就是损失的能量，而未被柴油机所利用。但该能量可以设法在废气涡轮中进一步膨胀作功而得到利用。E1'的大小与Tb和Pb/P0o成比例，即Tb、Pb/P0大，即E1'也大。
另外，在废气涡轮增压柴油机中，柴油机气缸后的压力不是大气压力P0，而是涡轮前的压力（即排气管内的压力）PT。因此，废气涡轮可利用的能量有两部分：一是由压力Pb降到压力；二是废气在涡轮内压力PT降到涡轮后压力P0的膨胀能E2（面Pr的膨胀能E1（面积a'bf'）
积g'f'fg）。PT越低，则E1越大；反之，PT越高，E2越大。
再者，废气的可用能量中还包括因扫气而进入排气管的空气能量，但要扣除散热等损失。实
现废气涡轮增压有定压增压和脉冲增压两种基本型式，如下述。
二、定压废气涡轮增压
如图10-7所示。定压增压柴油机在结构上的特点是将各缸的排气支管接到一个大容积的排气总管上，而后再将排气引入涡轮。由于排气总管容积足够大，因此各缸排气进入总管时，迅速的。定压增压亦称等压增压。
膨胀，降为管内压力，只引起总管中微小的压力波动，涡轮前排气管内压力基本是恒定
图10-8是定压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图。图中PK是增压空气压力；PT是 ?s是扫气系数，涡轮前压力外进气管；P0是环境空气压力（若装有废气锅炉，则为锅炉前压力）；
它等于每循环流经气缸的总空气量Gc与进气结束时留在气缸内的空气量Gg之比，即?s?Gc/Gg。
图10-7 定压废气涡轮增压系统 图10-8 定压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图 柴油机的指示功为图中 3?a?c?y?z?b?5?4?3面积。其中3?a代表进气过程，
a?c?y?z?b为压缩、燃烧和膨胀过程，b?5?4代表排气过程。由于增压柴油机PK?Pr，