定压式涡轮增压的原理

具有定压涡轮增压的发动机，各缸的排气口都连接到一根排气总管上，排气总管的容量应足以大到能够使其排气压力基本保持为一个常数，从而使各缸排出的非稳态排气气流在涡轮机中形成稳态气流。这种增压系统只用一个涡轮增压器，连结排气总管的进气口也只有一个。

定压系统的主要优点是：涡轮机的进气状态是稳态的并且是已知的，因而，涡轮机可以和发动机特定工况下的最佳 运行效率相匹配。其主要缺点是：进入涡轮机后的能量利用率较低，因为它不能充分地利用脉冲能量，即由于排气管容量较大，废气离开排气门后动能的衰减较多。实际上，废气离开排气口时的速度是较高的，但进入这种(定压)排气总管中，不能使压力升高，这种排气管的作用就象二个稳压集气箱一样。这样，涡轮机的膨胀比，输出功率就比别的方式 的膨胀比和输出功率要低。因而，单纯从实用的视点来看，在由气缸到涡轮机的能量传输过程，这种恒压系统是低效率的。这种排气歧管比较笨重，特别是对于缸数较少的小型发动机来说更是如此。然而，由于它的结构简单，用于多缸大型发动机时，能很方便地把各缸连接到一根共用的排气歧管上，该排气歧管能有效地与由顶部进气或是底部进气的单孔增压器相连。定压系统的主要缺点是由大容量的排气歧管所引起，当发动机的负荷突然增加，或要求发动机的转速迅速上升时。大容量排气歧管中的压力上升是缓慢的。因此涡轮 机中可利用的废气能量也仅只能逐渐地增加，因此，涡轮增压器和发动机的响应特性变差。由于恒压式增压系统的响应 特性较差，从而限制了它在负荷或速度要求频繁变化的条件下使用。

这种涡轮增压系统将从三个方面对发动机产生影响，即进气管的增压压力和温度以及排气歧管中的压力。因此，在 研究这种增压系统时，必须对这三个参数进行检验。前两个因素的影响是很明显的，而后一个因素——排气管压力的影 响只取决于是四冲程还是二冲程的增压发动机。从实用的角度出发，对几种废气涡轮增压方案作了比较，看来所研制 的几种排气管的布局，都能获得一定的增压压力。通过对排气管增加的压力以及该压力对发动机性能影响的研究，可以比较出不同增压方案的优点。

在恒定排气压力下运行时，增压器能量的平衡，可以用方程式(15)来计算，这样就可以简化排气管压力 (ps) 与压气机出口压力 (P₂)   之间的关系式的推导。压气机的功率必须等于涡轮的功率与增压器机械效率的乘积。

这样，进气歧管压力 (p₂)    与排气歧管压力 (P₃)   之间的关系，是涡轮增压器的总效率 (n)   和涡轮进口温度(Tg) 的函数，而受空燃比(AFR)的影响较小。

在满负荷时的空燃比根据热负荷或刚起动时排气管冒黑烟的情况来进行调整。涡轮的进气温度将取决于空燃比、换气时流经各气缸的冷空气流量以及排气歧管的热损失。

当压气机压比为2时，可根据方程式(15)绘出图5-39。图上示出了增压器效率及涡轮进气温度对进、排气歧管之间

的压比的主要影响。必须认识到，如果要保持涡轮的进气温度不变， (由于冶金方面的原因),那就要求增压器有较高的效率，以维持较高增压压力下的最佳扫气压比。

尽管增压器的效率(还有空燃比以及涡轮进气温度)支配着进、排气压力之间的比例关系，而涡轮的流通面积就象一个节流孔一样，它又控制着自身的排气压力。由于四冲程 发动机配装日趋渐小的涡轮机，因此，发动机排出的极高的排气压力就会在涡轮周围演变成可利用的高能量，这样的推理是说得过去的。以此类推，就会获得极高的增压压力(在上述的条件下)。但是，由于涡轮速度和进气温度极限的实际影响，再加上高压比导致的低(增压器)效率以及扫气不良等，均抑制了高压比的继续上升。由此可见，涡轮流通面积的大小，就成为排气歧管压力，空燃比和涡轮增压器效率的主要决定因素，从而也就确定了各气缸中进、排气压力之间的关系。