内燃机机械增压技术分析与性能评价

陈文波

（佛山职业技术学院汽车工程系，广东佛山528137）

内燃机机械增压技术分析与性能评价

陈文波

（佛山职业技术学院汽车工程系，广东佛山528137）

内燃机的增压问题随着内燃机的诞生而诞生，内燃机增压技术是内燃机发展的重要技术之一。通过对内燃机机械增压原理进行介绍，并深入分析了机械增压的技术可行性及机械增压对内燃机性能的影响。通过对机械增压器性能进行分析，指出其结构上的缺陷，提出改进转子和尾气口设计来提升机械增压器的性能，为今后继续研究机械增压和对内燃机的机械增压装置性能的分析提供了理论依据。

内燃机；机械增压；内泄漏；气流

内燃机增压对改善内燃机性能有着关键的作用，通过增压可以提高内燃机的机械效率，提高输出功率，改善内燃机的动力性能，同时通过增压可以先将空气进行压缩，体积变小可以使更多的空气进入气缸［1］，使得燃料燃烧的更充分，提高燃烧效率，内燃机的增压又分为机械增压、涡轮增压、外援增压和复合增压，而应用最广的属机械增压，研究机械增压的原理和技术是研究内燃机增压的重要问题，也是内燃机发展的趋势之一。

1　内燃机机械增压原理

内燃机的增压装置称为增压器，根据增压器的驱动方式可分为多种增压方式，机械增压是由内燃机的曲轴来驱动［2］，结构简单，典型的如M111机械增压内燃机和AVL机械增压DL内燃机。对于内燃机来说增压是指对进入气缸内的空气进行压缩，使得气体的体积变小，在气缸体积不变的情况下进入更多的气体，充分的气体可以提高燃料的热效率，这也是通过增压技术改善内燃机性能的基本原理。内燃机的有效功率表达式如下：

其中：i为汽缸数；Vδ为气缸体积；ρe为有效平均压力；τ为冲程数；ηi为热效率。

由此可得，通过加大压力和提高转速都可以提高内燃机的功率，转速的提高是由内燃机本身结构所决定的，不可能随意提高，而且最大值也是确定的，而压力的大小取决于内燃机腔体内充入的气体体积，且充入的气体体积越多，压力越大，因此对于提高内燃机功率，选择增大压力更具可行性与发展潜力。

2　内燃机的机械增压器的技术分析

2.1机械增压器

机械增压器本质上就是容积式转子空气压缩机，通过牺牲一部分输出功率，将空气进行压缩来提高内燃机的有效功率［3］。根据转子的不同，分为两叶、三叶、直叶，机械增压器一般是由传动带轮、同步传动齿轮、壳体、主动和从动转子。

机械增压器的工作过程：内燃机曲轴带动传动带轮转动，从而带动同步齿轮转动，同步齿轮带动从动转子转动，将进入内燃机的空气吸入并在排气口排出，空气就这样不断地进入内燃机腔体，并将废气排出。

2.2机械增压对内燃机性能的影响

为了更好地研究增压装置对内燃机性能影响，本文以SQR372内燃机为研究对象（如表1），分析该内燃机的性能指标变化。

表1　SQR372数据

（1）空气消耗量

空气消耗量是内燃机的一个首要的指标，是通过忽略燃料体积利用功率和过量空气系数来进行计算的［4］，公式为：m=a·p/3 600，通过计算得出，增压前m=0.05 kg/s，增压后为0.06 kg/s。

（2）增压器消耗功率

一般的R=0.287，γ=1.4，η=0.78。从公式就可看出增压器工作是一个做负功的过程，计算的在等熵的理想状态下由上式可得，计算结果为3.25 kW。

（3）内燃机扭矩与最大功率

如果忽略增压器的功率消耗，则内燃机的有效功率与腔体内的气压成正比关系。内燃机的输出功率包括机械增压器的功率消耗、传动摩擦损耗和有效功率，最大功率公式为一般的η取0.8，计算可得内燃机有效功率为41.54 kW，提升了9.31%，结果可以反映出机械增压装置通过消耗一部分内燃机的输出功率用来提高有效功率，在油耗不变的情况下实现内燃机扭矩的提升。

3　机械增压器的性能分析

在机械增压器众多性能指标里，气流脉动和泄漏对其工作性能有很大的影响，本文着重对这两个因素进行研究。

3.1机械增压器气体泄漏

机械增压器内部零件之间的结合产生很多的缝隙，这就导致了能量泄漏的通道比较多，这些泄漏通道将降低内燃机的有效功率输出，这也是采用机械增压不可避免的，研究泄漏对提升机械增压器的性能有着重要影响［5］。与机械增压器自身密封有关的泄漏称为外泄漏，通过提升密封的方式可以将此类泄漏降低，这种泄漏方式简单而且容易解决。本文研究的泄漏是另外一种由增压器零部件之间的缝隙产生的泄漏。

间隙泄漏主要是由转子与转子、转子与腔体之间的间隙造成的，研究间隙泄漏是提高机械增压器性能所必须解决的问题。在理想状态下，将间隙泄漏进行模拟如图1所示。

图1　机械增压器气体泄漏模型

为了研究方便，假设被压缩进入腔体的气体在腔体内膨胀成同在进气口的气体一样的初始状态，并定义这样的状态为亚临界状态，该状态只是研究用，在实际中不存在。按Weinig和Eckert给出的亚临界泄漏流量经验公式进行计算。

转子与转子之间泄漏：

转子与腔体之间的泄漏量：

经以上分析得出，在机械增压器结构确定的情况下，泄漏量的大小取决于压力的大小，而不是转速的大小，即在一定的压力下，泄漏量是恒定的，不随着转速的变化而变化。

3.2机械增压器气流脉动

气流脉动是指在机械增压器内部随着转子的转动，出口处的高压区与进气口的低压区相连通，产生空气回流，造成的噪声、压力脉动和气体的脉动，这种现象严重地影响机械增压器的性能［6］，也是判断一个机械增压器优劣的标准。其结构模型如图2所示。

图2　机械增压器气流脉动模型

为了方便研究该模型，假设该模型是理想状态，即与外界无任何热交换，且内部气体状态稳定，并对参数进行如表2设定。

表2　机械增压器的结构参数

根据假设的条件与设定的参数进行流量脉动的相关计算，转子的转动是呈周期性的，因此流量也是呈现出一定的规律：

其中：R=D/2，单位为m；a=A/2，单位为m；ω=2πnc，单位为rad/s。经过分析计算可知，为了降低内燃机的气流脉动，可以从两方面着手进行改进，首先可以将转子改进成扭转的线性转子，这种结构可以延缓回流降低脉动，其次为了降低脉动带来的噪声，可以改进排气口，将排气口设计成异性的，可以有效地降低噪声。

4　结论

在对内燃机的增压原理及机械增压器结构进行研究后，认为内燃机采用机械增压可以有效地提高燃料利用率，在油耗不变的情况下，提升内燃机的有效功率输出。然而机械增压器由于受本身结构的约束，存在着诸如气流脉动和能量泄漏等问题，需要对其转子结构和尾气口进行改进，这样可以提升机械增压器的整体性能。

［1］魏春源，张卫正，葛蕴珊.高等内燃机学［M］.北京：北京理工大学出版社，2001.

［2］赵雨肠.增压器［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］刘作利，张维国.增压器正确使用与故障分析［J］.农机使用与维修，2007（02）：25-28.

［4］廖世勇，米林，石晓辉，等.基于分形理论的内燃机噪声信号分析［J］.内燃机工程，2010（02）：13-16.

［5］周志强.机车柴油机排放及污染控制研究［J］.山东工业技术，2015（02）：29-31.

［6］吴天萍，刘宪，吴占庭.内燃机车柴油机气缸超声波探伤［J］.铁道技术监督，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文献标识码：1009-9492（2015）12-0066-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.018

陈文波，男，1975年生，湖北老河口人，硕士，副教授。研究领域：汽车检测与维修技术、汽车制造及汽车新能源。

（编辑：向飞）

2015-06-01