內(nèi)燃機(jī)機(jī)械增壓技術(shù)分析與性能評(píng)價(jià)

陳文波

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣東佛山528137）

內(nèi)燃機(jī)機(jī)械增壓技術(shù)分析與性能評(píng)價(jià)

陳文波

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣東佛山528137）

內(nèi)燃機(jī)的增壓?jiǎn)栴}隨著內(nèi)燃機(jī)的誕生而誕生，內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要技術(shù)之一。通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)械增壓原理進(jìn)行介紹，并深入分析了機(jī)械增壓的技術(shù)可行性及機(jī)械增壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響。通過對(duì)機(jī)械增壓器性能進(jìn)行分析，指出其結(jié)構(gòu)上的缺陷，提出改進(jìn)轉(zhuǎn)子和尾氣口設(shè)計(jì)來提升機(jī)械增壓器的性能，為今后繼續(xù)研究機(jī)械增壓和對(duì)內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械增壓裝置性能的分析提供了理論依據(jù)。

內(nèi)燃機(jī)；機(jī)械增壓；內(nèi)泄漏；氣流

內(nèi)燃機(jī)增壓對(duì)改善內(nèi)燃機(jī)性能有著關(guān)鍵的作用，通過增壓可以提高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率，提高輸出功率，改善內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能，同時(shí)通過增壓可以先將空氣進(jìn)行壓縮，體積變小可以使更多的空氣進(jìn)入氣缸［1］，使得燃料燃燒的更充分，提高燃燒效率，內(nèi)燃機(jī)的增壓又分為機(jī)械增壓、渦輪增壓、外援增壓和復(fù)合增壓，而應(yīng)用最廣的屬機(jī)械增壓，研究機(jī)械增壓的原理和技術(shù)是研究?jī)?nèi)燃機(jī)增壓的重要問題，也是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

1　內(nèi)燃機(jī)機(jī)械增壓原理

內(nèi)燃機(jī)的增壓裝置稱為增壓器，根據(jù)增壓器的驅(qū)動(dòng)方式可分為多種增壓方式，機(jī)械增壓是由內(nèi)燃機(jī)的曲軸來驅(qū)動(dòng)［2］，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，典型的如M111機(jī)械增壓內(nèi)燃機(jī)和AVL機(jī)械增壓DL內(nèi)燃機(jī)。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來說增壓是指對(duì)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使得氣體的體積變小，在氣缸體積不變的情況下進(jìn)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(shù)改善內(nèi)燃機(jī)性能的基本原理。內(nèi)燃機(jī)的有效功率表達(dá)式如下：

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

由此可得，通過加大壓力和提高轉(zhuǎn)速都可以提高內(nèi)燃機(jī)的功率，轉(zhuǎn)速的提高是由內(nèi)燃機(jī)本身結(jié)構(gòu)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(nèi)燃機(jī)腔體內(nèi)充入的氣體體積，且充入的氣體體積越多，壓力越大，因此對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)功率，選擇增大壓力更具可行性與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2　內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械增壓器的技術(shù)分析

2.1機(jī)械增壓器

機(jī)械增壓器本質(zhì)上就是容積式轉(zhuǎn)子空氣壓縮機(jī)，通過犧牲一部分輸出功率，將空氣進(jìn)行壓縮來提高內(nèi)燃機(jī)的有效功率［3］。根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同，分為兩葉、三葉、直葉，機(jī)械增壓器一般是由傳動(dòng)帶輪、同步傳動(dòng)齒輪、殼體、主動(dòng)和從動(dòng)轉(zhuǎn)子。

機(jī)械增壓器的工作過程：內(nèi)燃機(jī)曲軸帶動(dòng)傳動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)同步齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同步齒輪帶動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的空氣吸入并在排氣口排出，空氣就這樣不斷地進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)腔體，并將廢氣排出。

2.2機(jī)械增壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響

為了更好地研究增壓裝置對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能影響，本文以SQR372內(nèi)燃機(jī)為研究對(duì)象（如表1），分析該內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)變化。

表1　SQR372數(shù)據(jù)

（1）空氣消耗量

空氣消耗量是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)首要的指標(biāo)，是通過忽略燃料體積利用功率和過量空氣系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算的［4］，公式為：m=a·p/3 600，通過計(jì)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(gè)做負(fù)功的過程，計(jì)算的在等熵的理想狀態(tài)下由上式可得，計(jì)算結(jié)果為3.25 kW。

（3）內(nèi)燃機(jī)扭矩與最大功率

如果忽略增壓器的功率消耗，則內(nèi)燃機(jī)的有效功率與腔體內(nèi)的氣壓成正比關(guān)系。內(nèi)燃機(jī)的輸出功率包括機(jī)械增壓器的功率消耗、傳動(dòng)摩擦損耗和有效功率，最大功率公式為一般的η取0.8，計(jì)算可得內(nèi)燃機(jī)有效功率為41.54 kW，提升了9.31%，結(jié)果可以反映出機(jī)械增壓裝置通過消耗一部分內(nèi)燃機(jī)的輸出功率用來提高有效功率，在油耗不變的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)扭矩的提升。

3　機(jī)械增壓器的性能分析

在機(jī)械增壓器眾多性能指標(biāo)里，氣流脈動(dòng)和泄漏對(duì)其工作性能有很大的影響，本文著重對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行研究。

3.1機(jī)械增壓器氣體泄漏

機(jī)械增壓器內(nèi)部零件之間的結(jié)合產(chǎn)生很多的縫隙，這就導(dǎo)致了能量泄漏的通道比較多，這些泄漏通道將降低內(nèi)燃機(jī)的有效功率輸出，這也是采用機(jī)械增壓不可避免的，研究泄漏對(duì)提升機(jī)械增壓器的性能有著重要影響［5］。與機(jī)械增壓器自身密封有關(guān)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(jiǎn)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(chǎn)生的泄漏。

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

圖1　機(jī)械增壓器氣體泄漏模型

為了研究方便，假設(shè)被壓縮進(jìn)入腔體的氣體在腔體內(nèi)膨脹成同在進(jìn)氣口的氣體一樣的初始狀態(tài)，并定義這樣的狀態(tài)為亞臨界狀態(tài)，該狀態(tài)只是研究用，在實(shí)際中不存在。按Weinig和Eckert給出的亞臨界泄漏流量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間泄漏：

轉(zhuǎn)子與腔體之間的泄漏量：

經(jīng)以上分析得出，在機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)確定的情況下，泄漏量的大小取決于壓力的大小，而不是轉(zhuǎn)速的大小，即在一定的壓力下，泄漏量是恒定的，不隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化。

3.2機(jī)械增壓器氣流脈動(dòng)

氣流脈動(dòng)是指在機(jī)械增壓器內(nèi)部隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，出口處的高壓區(qū)與進(jìn)氣口的低壓區(qū)相連通，產(chǎn)生空氣回流，造成的噪聲、壓力脈動(dòng)和氣體的脈動(dòng)，這種現(xiàn)象嚴(yán)重地影響機(jī)械增壓器的性能［6］，也是判斷一個(gè)機(jī)械增壓器優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　機(jī)械增壓器氣流脈動(dòng)模型

為了方便研究該模型，假設(shè)該模型是理想狀態(tài)，即與外界無任何熱交換，且內(nèi)部氣體狀態(tài)穩(wěn)定，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行如表2設(shè)定。

表2　機(jī)械增壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)假設(shè)的條件與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行流量脈動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是呈周期性的，因此流量也是呈現(xiàn)出一定的規(guī)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(jīng)過分析計(jì)算可知，為了降低內(nèi)燃機(jī)的氣流脈動(dòng)，可以從兩方面著手進(jìn)行改進(jìn)，首先可以將轉(zhuǎn)子改進(jìn)成扭轉(zhuǎn)的線性轉(zhuǎn)子，這種結(jié)構(gòu)可以延緩回流降低脈動(dòng)，其次為了降低脈動(dòng)帶來的噪聲，可以改進(jìn)排氣口，將排氣口設(shè)計(jì)成異性的，可以有效地降低噪聲。

4　結(jié)論

在對(duì)內(nèi)燃機(jī)的增壓原理及機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后，認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)采用機(jī)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(nèi)燃機(jī)的有效功率輸出。然而機(jī)械增壓器由于受本身結(jié)構(gòu)的約束，存在著諸如氣流脈動(dòng)和能量泄漏等問題，需要對(duì)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尾氣口進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以提升機(jī)械增壓器的整體性能。

［1］魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊(yùn)珊.高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］趙雨腸.增壓器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］劉作利，張維國(guó).增壓器正確使用與故障分析［J］.農(nóng)機(jī)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(nèi)燃機(jī)噪聲信號(hào)分析［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010（02）：13-16.

［5］周志強(qiáng).機(jī)車柴油機(jī)排放及污染控制研究［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2015（02）：29-31.

［6］吳天萍，劉憲，吳占庭.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)氣缸超聲波探傷［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2015（03）：9-11.

Analysis and Performance Evaluation of Mechanical Boost for Internal Combustion Engine

CHEN Wen-bo
（Department of Automotive Engineering，F(xiàn)oshan Polytechnic，F(xiàn)oshan528137，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(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lǐng)域：汽車檢測(cè)與維修技術(shù)、汽車制造及汽車新能源。

（編輯：向飛）

2015-06-01