內燃機機械增壓技術分析與性能評價

陳文波

（佛山職業技術學院汽車工程系，廣東佛山528137）

內燃機機械增壓技術分析與性能評價

陳文波

（佛山職業技術學院汽車工程系，廣東佛山528137）

內燃機的增壓問題隨著內燃機的誕生而誕生，內燃機增壓技術是內燃機發展的重要技術之一。通過對內燃機機械增壓原理進行介紹，并深入分析了機械增壓的技術可行性及機械增壓對內燃機性能的影響。通過對機械增壓器性能進行分析，指出其結構上的缺陷，提出改進轉子和尾氣口設計來提升機械增壓器的性能，為今后繼續研究機械增壓和對內燃機的機械增壓裝置性能的分析提供了理論依據。

內燃機；機械增壓；內泄漏；氣流

內燃機增壓對改善內燃機性能有著關鍵的作用，通過增壓可以提高內燃機的機械效率，提高輸出功率，改善內燃機的動力性能，同時通過增壓可以先將空氣進行壓縮，體積變小可以使更多的空氣進入氣缸［1］，使得燃料燃燒的更充分，提高燃燒效率，內燃機的增壓又分為機械增壓、渦輪增壓、外援增壓和復合增壓，而應用最廣的屬機械增壓，研究機械增壓的原理和技術是研究內燃機增壓的重要問題，也是內燃機發展的趨勢之一。

1　內燃機機械增壓原理

內燃機的增壓裝置稱為增壓器，根據增壓器的驅動方式可分為多種增壓方式，機械增壓是由內燃機的曲軸來驅動［2］，結構簡單，典型的如M111機械增壓內燃機和AVL機械增壓DL內燃機。對于內燃機來說增壓是指對進入氣缸內的空氣進行壓縮，使得氣體的體積變小，在氣缸體積不變的情況下進入更多的氣體，充分的氣體可以提高燃料的熱效率，這也是通過增壓技術改善內燃機性能的基本原理。內燃機的有效功率表達式如下：

其中：i為汽缸數；Vδ為氣缸體積；ρe為有效平均壓力；τ為沖程數；ηi為熱效率。

由此可得，通過加大壓力和提高轉速都可以提高內燃機的功率，轉速的提高是由內燃機本身結構所決定的，不可能隨意提高，而且最大值也是確定的，而壓力的大小取決于內燃機腔體內充入的氣體體積，且充入的氣體體積越多，壓力越大，因此對于提高內燃機功率，選擇增大壓力更具可行性與發展潛力。

2　內燃機的機械增壓器的技術分析

2.1機械增壓器

機械增壓器本質上就是容積式轉子空氣壓縮機，通過犧牲一部分輸出功率，將空氣進行壓縮來提高內燃機的有效功率［3］。根據轉子的不同，分為兩葉、三葉、直葉，機械增壓器一般是由傳動帶輪、同步傳動齒輪、殼體、主動和從動轉子。

機械增壓器的工作過程：內燃機曲軸帶動傳動帶輪轉動，從而帶動同步齒輪轉動，同步齒輪帶動從動轉子轉動，將進入內燃機的空氣吸入并在排氣口排出，空氣就這樣不斷地進入內燃機腔體，并將廢氣排出。

2.2機械增壓對內燃機性能的影響

為了更好地研究增壓裝置對內燃機性能影響，本文以SQR372內燃機為研究對象（如表1），分析該內燃機的性能指標變化。

表1　SQR372數據

（1）空氣消耗量

空氣消耗量是內燃機的一個首要的指標，是通過忽略燃料體積利用功率和過量空氣系數來進行計算的［4］，公式為：m=a·p/3 600，通過計算得出，增壓前m=0.05 kg/s，增壓后為0.06 kg/s。

（2）增壓器消耗功率

一般的R=0.287，γ=1.4，η=0.78。從公式就可看出增壓器工作是一個做負功的過程，計算的在等熵的理想狀態下由上式可得，計算結果為3.25 kW。

（3）內燃機扭矩與最大功率

如果忽略增壓器的功率消耗，則內燃機的有效功率與腔體內的氣壓成正比關系。內燃機的輸出功率包括機械增壓器的功率消耗、傳動摩擦損耗和有效功率，最大功率公式為一般的η取0.8，計算可得內燃機有效功率為41.54 kW，提升了9.31%，結果可以反映出機械增壓裝置通過消耗一部分內燃機的輸出功率用來提高有效功率，在油耗不變的情況下實現內燃機扭矩的提升。

3　機械增壓器的性能分析

在機械增壓器眾多性能指標里，氣流脈動和泄漏對其工作性能有很大的影響，本文著重對這兩個因素進行研究。

3.1機械增壓器氣體泄漏

機械增壓器內部零件之間的結合產生很多的縫隙，這就導致了能量泄漏的通道比較多，這些泄漏通道將降低內燃機的有效功率輸出，這也是采用機械增壓不可避免的，研究泄漏對提升機械增壓器的性能有著重要影響［5］。與機械增壓器自身密封有關的泄漏稱為外泄漏，通過提升密封的方式可以將此類泄漏降低，這種泄漏方式簡單而且容易解決。本文研究的泄漏是另外一種由增壓器零部件之間的縫隙產生的泄漏。

間隙泄漏主要是由轉子與轉子、轉子與腔體之間的間隙造成的，研究間隙泄漏是提高機械增壓器性能所必須解決的問題。在理想狀態下，將間隙泄漏進行模擬如圖1所示。

圖1　機械增壓器氣體泄漏模型

為了研究方便，假設被壓縮進入腔體的氣體在腔體內膨脹成同在進氣口的氣體一樣的初始狀態，并定義這樣的狀態為亞臨界狀態，該狀態只是研究用，在實際中不存在。按Weinig和Eckert給出的亞臨界泄漏流量經驗公式進行計算。

轉子與轉子之間泄漏：

轉子與腔體之間的泄漏量：

經以上分析得出，在機械增壓器結構確定的情況下，泄漏量的大小取決于壓力的大小，而不是轉速的大小，即在一定的壓力下，泄漏量是恒定的，不隨著轉速的變化而變化。

3.2機械增壓器氣流脈動

氣流脈動是指在機械增壓器內部隨著轉子的轉動，出口處的高壓區與進氣口的低壓區相連通，產生空氣回流，造成的噪聲、壓力脈動和氣體的脈動，這種現象嚴重地影響機械增壓器的性能［6］，也是判斷一個機械增壓器優劣的標準。其結構模型如圖2所示。

圖2　機械增壓器氣流脈動模型

為了方便研究該模型，假設該模型是理想狀態，即與外界無任何熱交換，且內部氣體狀態穩定，并對參數進行如表2設定。

表2　機械增壓器的結構參數

根據假設的條件與設定的參數進行流量脈動的相關計算，轉子的轉動是呈周期性的，因此流量也是呈現出一定的規律：

其中：R=D/2，單位為m；a=A/2，單位為m；ω=2πnc，單位為rad/s。經過分析計算可知，為了降低內燃機的氣流脈動，可以從兩方面著手進行改進，首先可以將轉子改進成扭轉的線性轉子，這種結構可以延緩回流降低脈動，其次為了降低脈動帶來的噪聲，可以改進排氣口，將排氣口設計成異性的，可以有效地降低噪聲。

4　結論

在對內燃機的增壓原理及機械增壓器結構進行研究后，認為內燃機采用機械增壓可以有效地提高燃料利用率，在油耗不變的情況下，提升內燃機的有效功率輸出。然而機械增壓器由于受本身結構的約束，存在著諸如氣流脈動和能量泄漏等問題，需要對其轉子結構和尾氣口進行改進，這樣可以提升機械增壓器的整體性能。

［1］魏春源，張衛正，葛蘊珊.高等內燃機學［M］.北京：北京理工大學出版社，2001.

［2］趙雨腸.增壓器［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］劉作利，張維國.增壓器正確使用與故障分析［J］.農機使用與維修，2007（02）：25-28.

［4］廖世勇，米林，石曉輝，等.基于分形理論的內燃機噪聲信號分析［J］.內燃機工程，2010（02）：13-16.

［5］周志強.機車柴油機排放及污染控制研究［J］.山東工業技術，2015（02）：29-31.

［6］吳天萍，劉憲，吳占庭.內燃機車柴油機氣缸超聲波探傷［J］.鐵道技術監督，2015（03）：9-11.

Analysis and Performance Evaluation of Mechanical Boost for Internal Combustion Engine

CHEN Wen-bo
（Department of Automotive Engineering，Foshan Polytechnic，Foshan528137，China）

Supercharging problem of internal combustion engine was born with the birth of the internal combustion engine，the internal combustion engine turbo technology is one of the important technologies in the development of internal combustion engine.Through introducing the supercharging principle of the internal combustion engine and analyzing the supercharging the technical feasibility and the supercharging impact of internal combustion engine in-depth，conducts an evaluation to the supercharging internal combustion engine performance using technical indicators，thus provides a theoretical basis for the study of mechanical supercharger continually and for the analysis of the engine supercharging unit’s performance to the internal combustion in the future.

combustion engine；mechanical boost；internal leakage；air flow

TK411.8

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0066-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.018

陳文波，男，1975年生，湖北老河口人，碩士，副教授。研究領域：汽車檢測與維修技術、汽車制造及汽車新能源。

（編輯：向飛）

2015-06-01