分析涡轮增压发动机和自然吸气发动机的优劣
——从工程热力学角度分析
一、对比分析两发动机工作原理
（1）涡轮增压发动机
指的是配备涡轮增压器的发动机。

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。

它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。

当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。

（2）自然吸气发动机
自然吸气式是没有增压器的，指空气单纯经过空气滤清器——节气门（我们俗称的“油门”）——进气歧管——到达“汽缸”，汽油是通过喷油嘴直接喷射在进气歧管里的。

以四缸发动机为例，一个活塞作一次功有四个行程：下行（进气门打开，存在压力差，空气和燃油的混合气在压力差的作用下进入汽缸）——上行（进气门关闭，压缩混合气，活塞上行到最高点时点火）——又下行（混合气燃烧膨胀，推动活塞对外作功，输出动力）——又上行（排气门打开，排气）。

自然吸气式就是指在上面第一个行程中，混合气是靠自然形成的压力差进行吸气，增压式就是指先把气体压缩，提高气体的压力和密度，当气门打开的时候靠压力差和气体自身的高压来增加进气量，提高功率。

综上对比分析两发动机工作原理不难发现，涡轮增压发动机的进气量相比自然吸气发动机的进气量要大很多，从而燃烧所获得的热量也就相应增多，这决定了涡轮增压发动机的功率要大于自然吸气发动机的功率。

而之所以涡轮增压发动机的进气量大，主要是因为其中空气压缩机的作用，下面将从工程热力学角度分析空气压缩机的工作原理。

二、工程热力学分析空气压缩机
（1）压气机的绝热效率
压气机的绝热效率是衡量压气机性能的基本指标。

实际压气机工作过程完善的程度，经常是以它与理想压气机相比较来平定。

即压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压
缩功与在实际压气机中消耗的实际功之比。

hk k
had
k
ad -
=
-
η
绝热效率k
-
had说明了在消耗于转动压气机的机械功中有多少是有用部分，表明压气机流通部分的完善程度。

目前涡轮增压器上应用的离心式压气机绝热效率为k
-
ηαδ= 0.60 - 0.80。

(2)压气机的特性曲线
压气机的特性曲线是指在不同转速下，压气机的压力比及效率与空气流量的关系由于压气机在实际运行中，工况经常变化，为了了解压气机在全部工作范围内气流参数之间的关系，分析在各种工况下压气机运行的完善程度，以及为了获得增压器与发动机之间在全部工作范围内良好的匹配关系，研究压气机特性具有重要的意义。

Mk(kg/s)
图示.离心式压气机的特性曲线
从图中的特性曲线可以看出，当空气沿压气机的等转速线从大流量向小流量变化时，压气机的压比与效率最初有所提高，随着流量减少到某值，压比与效率达到最高，在这以后，流量继续减少，压比与效率反而略有下降。

可是当流量进一步减少到某一值后，压气机工作开始不稳定，气流发生强烈地脉动，甚至引起整台压气机剧烈振动并发出粗暴的喘息声，这种不稳定的工况称为喘振。

将各种转速下的喘振点连接在一起，就可确定喘振线，压气机只能在喘振线右边的范围内工作。

从特性曲线的等效率曲线看，中间是高效率区。

高效率区一般比
较靠近喘振边界线，沿高效率区向外，效率逐渐下降，特别在大流量及低压比区，效率下降很多。

当压气机工作轮转速升高时，流量与压比均有所增加，但转速过高将受到材料机械应力及轴承可靠工作的限制。

最高转速只能在某个允许的范围内。

由于车用内燃机的转速范围很大，从而要求压气机高效率区的流量范围不宣过窄，为此在增压器研制中常采用具有无叶扩压器的压气机或采用一种具有后弯式的工作轮使之更符合气流在工作流道中的流动规律，以增大高效率的工作范围。

(2)涡轮机的特性
增压器的涡轮机是利用发动机排出的废气能量转换为机械功的装置。

涡轮机效率ηT = Wt/Ht 。

式中 Wt 即为涡轮机轴上的有用功；Ht 即为1kg 废气所具有的能量。

在涡轮机作变工况运行时，燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量跟着增加，当膨胀比增加到某一临界值时，流量达到最大值，不再增加，这就是涡轮机的阻塞现象。

涡轮机流量特性虽受阻塞的限制，但工作范围比压气机大得多，一种涡轮机可以和不同的压气机配套。

三、发动机排气能量的利用
（1）发动机排气中的可用能量
排气最大可用能量：排气门打开后气缸中燃气含有的能量不可能完全用来做功，实际上只有当排气等熵膨胀到大气压力时所释放出来的能量才有可能转换为有用功，它约占排气总能量的60％左右。

Ez = ⎰⎰=-hzdmz dmz P )0hz （(mz 为气缸内燃气质量）
用燃气在理想涡轮中等熵膨胀到大气压力所作的最大功。

涡轮前排气压力波中包含的能量：
⎰∆=τhtadGtd E t (Gr 为流经涡轮的燃气质量流量)。

离心式压气机等熵压缩空气增压压力所需的理论压缩功：
⎰∆=τhcadGcd Ec ，(Gc 为流经压气机的空气质量流量)
Ec Et Er Ez ++=
（2）排气能量传递效率
排气系统设计中最关心的问题就是从排气最大可用能量中究竟多少可转换涡轮效率τηE Et E /=。

涡轮前排气压力波中所包含的能量与涡轮前排气压力波的形状有关，它主要受到涡轮的流通截面、排气门开启规律、排气支管直径、长度和分支情况等的影响。

因此，E η的大小代表了从发动机排气门开始一直到涡轮箱这一段排气系统设计的良好程度，它对脉冲涡轮增压系统的工作是否良好具有重要的意义。

E η本身是一个统观的平均数量，排气可用能量的损失主要发生在先期排气阶段，此时的节流损失很大，排气能量传递效率最低。

以后的强制排气阶段，由于排气门开启已很大，主要是气流流动时的摩擦损失和局部阻力损其值一般较小，因此E η值较高(如下图)。

图示.排气过程中能量传递效率的变化情况
能量传递效率的高低首先取决于增压系统的方式，从不同增压系统中能量损失情况不同的比较中可以看出(如下图)。

在脉冲涡轮增压系统中，管道进口处的废气能量中还有一定数量的动能。

这种动能在定压系统中由于节流而完全损失掉了。

图示.不同增压系统的能量损失
四、两种发动机的优缺点
（1）涡轮增压发动机：利用发动机排出的废气能量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机的方案。

优点：①发动机重量和体积增加很少情况下，发动机不需作重大改变很容易提高功率20％～50％。

由于不象机械增压时压比受到限制，故近来高增压的趋势越
来越明显。

高增压时功率提高甚至可大于100％。

②由于废气能量的收回发动机经济性会明显的提高一般由于废气能量的回收能提高经济性3％～4％，再加上相对地减少了机械损失及散热损失，提高了发动机机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗率降低5％～10％。

③涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较高的适应力，在高原地区工作时比不增压发动机功率下降要少的多，故涡轮增压除了用来提高发动机功率，外还可用作高原发动机恢复功率。

④涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少，故对减少污染是有利的。

缺点：
①迄今为止涡轮增压发动机的加速性以接近不增压或机械增压发动机，但仍有差异。

②与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。

③对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发动机不宜采用涡轮增压。

（2）自然吸气发动机：空气单纯经过空气滤清器——节气门（我们俗称的“油门”）——进气歧管——到达“汽缸”。

优缺点：
1、技术成熟，稳定性较高，
2、动力输出平顺，反映速度快，
3、跟涡轮增压发动机相比动力上有差距，
4、后期保养费用较涡轮增压发动机低。