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分析涡轮增压发动机和自然吸气发动机的优缺点
——从工程热力学角度分析
1. 两款发动机工作原理对比分析
（1）涡轮增压发动机
指装有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。
涡轮的冲力驱动涡轮腔内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，推动叶轮输送
从空气滤清器管送来的空气被加压进入气缸。
废气排放速度和涡轮转速也同步增大，叶轮将更多的空气压缩进入废气。
气缸内空气的压力和密度增加，燃烧更多的燃料，燃料量也相应增加，
通过调整发动机的转速，可以增加发动机的输出功率。
（2）自然吸气发动机没有增压器。
空气滤清器后—节气门（俗称“节气门”）—进气歧管—
—当到达“气缸”时，汽油通过喷油器直接喷射到进气歧管中。
以四缸发动机为例，活塞有四个冲程来做一项功：向下（进气）
车门打开，就有压力差，空气和燃料的混合气在压力差的作用下进入车内。
气缸）-向上（进气门关闭，混合气压缩，活塞到达最高点时点火）
——再往下（混合气燃烧膨胀，推动活塞对外做功，输出动力）——
然后上升（排气门打开，排气）。自然吸气是指顶部的第一冲程。
在这个过程中，混合气体通过自然形成的压力差被吸入。增压式是指气体首先被
压缩会增加气体的压力和密度。当阀门打开时，压力差和气体流量
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利用发动机本体的高压来增加进气量，提高动力。
综上所述，通过对比分析两款发动机的工作原理，不难发现涡轮增压发动机
空气量比自然吸气发动机大得多，因此燃烧获得的热量
这就决定了涡轮增压发动机的功率要大于自然吸气发动机。
涡轮增压发动机进气量大的原因，主要是因为进气管内的空气
空气压缩机的作用下面将从工程热力学的角度来分析空气压缩机的工作原理。
原因。
2.空气压缩机工程热力学分析
（1）压缩机绝热效率
压缩机的绝热效率是衡量压缩机性能的基本指标。
一个过程的完善程度常常通过与理想压缩机的比较来衡量。
理想压缩机中压缩空气的绝热压力为
压缩空气的功与压缩机实际消耗的功之比。
绝热效率 had-k 表示压缩机运转时消耗的机械功是多少
有用部分表示压缩机循环部分的完善程度。
离心压缩机的绝热效率k=0.60-0.80。
（2）压缩机特性曲线
压缩机的特性曲线是指压缩机在不同转速下的压力比和效率。
空气流量关系由于压缩机运行条件在实际运行过程中经常发生变化，为了了解
分析压气机在整个工作范围内气流参数间的关系，确定压气机在各种工况下的工作性能。
发动机运转的完善程度以及增压器与发动机之间完整的工作关系的需要
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该范围内的良好匹配关系对于研究压缩机特性具有重要意义。
重量(公斤/秒)
图。离心式压缩机特性曲线
从图中特性曲线可以看出，当空气从大流量沿压缩机恒速线运动时
当流量变为小流量时船舶配件，压缩机的压力比和效率最初会增加。
当流量减小到一定值时，压力比和效率达到最高值。 此后，流量继续减小。
然而涡轮增压和自然吸气 热效率，当流量进一步降低到一定值时，压缩机工作
气流开始变得不稳定，气流剧烈脉动，甚至引起整个压缩机剧烈振动和
发动机发出粗糙的喘息声。这种不稳定的运行状态称为喘振。
连接喘振点即可确定喘振线，压缩机只能位于喘振线右侧的范围内。
从特性曲线的等效率曲线上看，中间为高效区。高效区
班比
靠近喘振边界，效率沿高效区逐渐降低，尤其是在大
在流量和低压比区域效率下降较多，当压缩机叶轮转速增加时，流量
压力比提高了，但转速过高会影响材料的机械应力和轴承的可靠工作。
最大速度只能在一定允许范围内。
范围很大，这就要求压缩机高效区流量范围不能太窄。
在压缩机的开发中，采用无叶片扩压器的压缩机或采用后弯式扩压器的压缩机
工作轮使其更符合气流在工作流道内的流动规律，提高效率
工作范围。
（2）水轮机特点
增压器涡轮将发动机的废气能量转化为机械功。
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装置。涡轮效率ηT = Wt/Ht。
式中Wt为涡轮轴上的有用功；Ht为1kg废气的能量。
数量。
当涡轮在变工况下运转时，气体在涡轮内流动。
随着膨胀比的增大船舶自动化设备维修，流量也随之增大涡轮增压和自然吸气 热效率，当膨胀比增大到某一临界值时，流量达到最大值。
涡轮的流动特性受到堵塞的限制。
涡轮机的工作范围比压缩机大得多，而且涡轮机可以与不同的压缩机匹配。
放。
3. 发动机尾气能量的利用
（1）发动机尾气中可利用的能量
最大可用排气能量：排气门打开后，气缸内气体所含的能量不能
它完全被用来做功，实际上只有当废气等熵膨胀到大气压时才会释放。
废气的能量可转化为有用功，约占废气总能量的60%左右。
(hz?P0)dmz??hzdmz（mz 是气缸内气体的质量）Ez=?
在理想涡轮机中，燃烧气体等熵膨胀至大气压力所做的最大功。
涡轮前排气压力波所含能量：
Et????（Gr是流过涡轮机的气体质量流量）。
离心式压缩机在增压下对空气进行等熵压缩所需的理论压缩功：
Ec????，（Gc为流过压缩机的空气质量流量）
（2）排气能量传递效率
排气系统设计中最重要的问题是如何最大限度地利用废气的可用能量。
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有多少可以转化为涡轮效率？E？Et/E？涡轮前排气压力波所含的能量
涡轮前排气压力波的形状主要受涡轮通流截面、排气门
开口规则、排气管径、长度及分支情况等。
小零件代表从发动机排气门到涡轮箱的排气系统设计。
其优良程度对于脉冲涡轮增压系统是否良好工作有着重要的意义。??
它是一个平均量。排气能量的损失主要发生在排气初期。
节流损失很大，排气能量传递效率最低。
在排气阶段，由于排气门已经打开，主要的损失是摩擦损失和
局部阻力损失值一般较小，所以??值较大（如下图所示）。
图1 排气过程中能量传递效率的变化
能量传输的效率首先取决于增压系统的类型。
脉冲涡轮增压器中的能量损失与传统涡轮增压器中的能量损失不同。
系统中，管道入口处的废气能量中含有一定的动能。
由于节流，它在恒压系统中完全损失。
图 1. 不同增压系统的能量损失
4. 两款引擎的优缺点
（1）涡轮增压发动机：利用发动机排出的废气的能量来驱动涡轮。
然后涡轮机驱动离心式压缩机。
优点：①发动机重量和体积增加很小，不需要对发动机做较大幅度的改动。
这一改变很容易就能使功率提高20%至50%。
因此，近期高压趋势
在高增压压力下，功率增幅甚至可以超过100%。
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②由于废气能量的回收，发动机的经济性将得到明显提高。
气体能量的回收可提高经济效益3%～4%，机械损失相对减少。
损失和散热损失，提高发动机的机械效率和热效率，使发动机涡轮增压
后期消耗率降低5%~10%。
③涡轮增压发动机对海拔变化的适应性强，对海拔变化的适应性更强。
发动机工作在涡轮增压区时，功率下降比非增压发动机小得多。
发动机功率高，亦可作为高原发动机恢复动力。
④涡轮增压后，排气噪声相对降低，排气烟度及排气中的有害成分也减少。
有利于减少污染。
缺点：
① 目前为止，涡轮增压发动机的加速性已经接近于非增压或机械增压发动机。
引擎，但仍然存在差异。
②与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题更为严重。
③对大气温度和排气背压较敏感，因此经常在高背压下工作。
发动机不宜配备涡轮增压。
（2）自然吸气发动机：空气直接通过空气滤清器-节气门（I
空气流经进气歧管（我们俗称的“节气门”）——进气歧管——到“气缸”。
优点和缺点：
1、技术成熟，稳定性高。
2、动力输出平稳，响应速度快。
3、动力上与涡轮增压发动机有差距。
4、后期维护成本较涡轮增压发动机更低。
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