摘要：隨著生產的需要和科技水平的不斷提高，對柴油機的要求也越來越高，既要求柴油機輸出功率要大，經濟性要好，而且重量要輕，體積要小。柴油機輸出功率的大小，取決于進入氣缸的燃油和空氣的數量及熱能的有效利用率。由此可知：要提高柴油機的輸出功率，最經濟最有效的辦法是增加進入氣缸的空氣量。在柴油機氣缸容積保持不變的條件下，增加進入氣缸的空氣密度是提高柴油機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，增加進氣壓力，降低進氣溫度都能提高進氣密度。目前柴油機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）將柴油機的進氣在缸外壓縮后再送入氣缸，以增加柴油機的進氣量，從而提高平均有效壓力和功率。

一、 柴油機增壓方法

      不帶增壓器的柴油機進氣方式稱為自然吸氣，它與增壓型柴油機的功率對比曲線如圖1所示。按照驅動增壓器所用能量來源的不同，基本的增壓方法可分為三類：機械增壓系統、廢氣渦輪增壓系統和復合增壓系統三類。除了利用上述三種方法來提高氣缸的空氣壓力外，還有利用進排氣管內的氣體動力效應來提高氣缸充氣效率的慣性增壓系統以及利用進排氣的壓力交換來提高氣缸空氣壓力的氣波增壓器。

1、機械增壓系統

      增壓器（壓氣機）由柴油機直接驅動的增壓方式稱為機械增壓系統。它由柴油機的曲軸通過齒輪、傳動帶或鏈條等傳動裝置帶動增壓器旋轉。增壓器通常采用離心式壓氣機或羅茨壓氣機。空氣經壓縮提高其壓力后，再送入氣缸，如圖2所示。

      由于機械增壓系統壓氣機所消耗的功率是由曲軸提供的，當增壓壓力較高時，所耗的驅動功率也會很大，使整機的機械效率下降。因此，機械增壓系統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。

圖1  自然吸氣和增壓發動機功率曲線圖

圖2 柴油機機械增壓系統

2、廢氣渦輪增壓系統

      廢氣渦輪增壓是利用柴油機排出的廢氣能量來驅動增壓器，將空氣壓縮后再送入氣缸的一種增壓方法。柴油機采用廢氣渦輪增壓后，可提高輸出功率30％～100％以上，同時還可減少單位功率的質量，縮小外形尺寸，節省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油機扭矩，提高載荷能力以及減少排氣對大氣的污染等，因而得到廣泛應用。尤其在高原地區因氣壓低、空氣稀薄，導致輸出功率下降。一般當海拔高度每升高1000m，功率將下降8％～10％。若裝設渦輪增壓器后，可以恢復原輸出功率，其經濟效果尤為顯著。

      柴油機廢氣渦輪增壓系統如圖3所示。將柴油機排氣管接到增壓器的渦輪殼上，柴油機排出的具有500～650℃高溫和一定壓力的廢氣經渦輪殼進入噴嘴環，噴嘴環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。廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪的轉速就越快。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構主要是由渦輪殼、噴嘴環、渦輪和轉子軸等組成。徑流式渦輪增壓器工作時，柴油機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼后，沿增壓器轉子軸的軸線垂直平面（即徑向）流動。這是由于當氣流通過噴嘴時，一部分壓能和熱能轉換為動能，由此獲得高速氣流。由噴嘴環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方向，在離心力的作用下，氣流質點投向葉片凹面，壓力增加而相對速度降低；葉片凸面上則相對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葉片旋轉的力矩，因而從葉輪流出的廢氣經由渦輪中心沿軸排出。中型柴油機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，柴油機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼之后，氣流沿著增壓器的轉子軸的軸線方向流動，故稱軸流式。大型柴油發動機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動機排氣管內廢氣的脈沖能量，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全部氣缸的排氣歧管接到一根排氣總管內，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單一的渦輪殼進氣道通向整個噴嘴環，這種增壓器常用于大功率高增壓柴油機中。

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示意圖如圖4所示。以6缸柴油發動機為例來說明，其發火次序為1-5-3-6-2-4，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氣道通向半圈噴嘴環；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氣道，通向另半圈噴嘴環，這樣各缸排氣互不干擾，這種結構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火間隔應大于180°曲軸轉角。目前，中型柴油機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是空氣壓力升高比，簡稱壓比，用π_k表示，它是壓氣機出口空氣壓力p_k和壓氣機進口空氣壓力p₁的比值，即

π_k＝p_k/p₁

      壓氣機出口空氣壓力p_k值越大，進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，以降低壓氣機出口空氣溫度，使進入氣缸的空氣密度增大。目前，柴油發動機上普遍采用低、中增壓徑流脈沖式廢氣渦輪增壓器。高增壓柴油機已成為發展趨勢。

3、復合增壓系統

      在一些柴油機上，除了應用廢氣渦輪增壓器外，同時還應用機械增壓器，這種增壓系統成為復合增壓系統（如圖5所示）。大型二沖程柴油機，常采用復合式增壓系統。該系統中的機械驅動增壓器用于協助廢氣渦輪增壓器工作，以使在低負荷、低轉速時獲得較高的進氣壓力，從而保證二沖程柴油機在啟動、低速和低負荷時所必需的掃氣壓力。有時，對排氣背壓較高的水下運行的柴油機，要得到較高的增壓壓力也常采用這種系統。

      復合增壓系統有兩種形式：一種是串聯增壓系統，柴油機的廢氣進入廢氣渦輪帶動離心式壓氣機，以提高空氣壓力，然后送入機械增壓器中再增壓，進一步提高空氣壓力后進入柴油機燃燒室中；另一種是并聯增壓系統，廢氣渦輪增壓器和機械增壓器分別將空氣壓力提高后，進入柴油機燃燒室中。

4、其他增壓方法

① 慣性增壓系統

      這種增壓方式是利用進氣和排氣管內的氣體，由于進、排氣過程中會產生一定的動力效應-氣體的慣性效應和波動效應，以改善柴油機的換氣過程和提高氣缸的充氣效率。系統中僅適當加長進氣管，再加一個穩壓箱，不需專門的增壓設備和改變發動機結構尺寸。因此，慣性增壓系統易于在原機上安裝實現。這種增壓方法常用于小型高速柴油機上，尤其適用于負荷及轉速變化范圍不大的柴油機。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動機排出的高壓廢氣直接與低壓進氣接觸，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氣，使低壓進氣壓縮，進氣壓力提高。實際上它是一個壓力轉換器。氣波增壓器的結構及其與柴油發動機的配置如圖6所示。

      氣波增壓器主要有由空氣定子、轉子、轉子外殼和燃氣定子等組成。在空氣定子上設有低壓空氣入口及高壓空氣出口；在燃氣定子上設有高壓燃氣入口和低壓燃氣出口；轉子上裝有許多直葉片，構成了狹長的通道；轉子外殼將轉子包在里面。當轉子由曲軸通過V帶傳動旋轉時，大氣中的低壓空氣進入轉子通道的左端，柴油機排出的高壓燃氣進入轉子通道的右端。高壓燃氣對低壓空氣產生一個壓力波進行壓縮，使空氣壓力增加，得到增壓的空氣，經出口進入柴油機的進氣管2充入氣缸，降低了壓力的燃氣經出口進入柴油機排氣消聲器排放到大氣中。