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高增压的补燃增压系统
摘要：这篇论文提出了一个新的发动机超高增压的概念。该发动机创新地将活塞发动机和涡轮增压器相结合，考虑到燃气轮机领域的最新进展，这样可以使整体增压效率明显提高，并且在不增加发动机排气温度的情况下可以实现9到10的增压比。
被应用于压缩比很低的发动机（在5到7之间）上，假设bmep（制动平均有效压力，即指示平均有效压力中减去用于克服摩擦损耗后所余下的那部分：作用于活塞上方的压力，在没有摩擦或带动引擎配件的损失时，会产生一定的制动马力输出）为35kg/cm2，发动机上的机械在和热载荷不增加，而且发动机效率没有明显的下降的情况下，这种增压方法能够持续运行。
测试所呈现出的结果是将其应用在了一个平均有效压力为26kg/cm2的高转速发动机和一个平均有效压力为30kg/cm2的平均转速发动机上的测试结果。
正文：
目前传统的柴油机的增压压力被限制在3.5bar左右。燃气轮机领域用于压气机和涡轮、并实现了良好性能的先进技术，使得我们可以更有效率地利用发动机排出燃气中的剩余能量。
本文的目标是呈现一种发动机新的增压方法测试结果，这种方法旨在探索更好地利用现在的涡轮机械的可能性。这种方法最初用于驱动法国的AMX坦克，并被命名为“Hyperbar系统”。如今，这种方法已经在平均有效压力为30bar的 AGO240发动机（AGO240发动机的内径为240mm，行程为220mm，试验转速为1350转/分钟）和平均有效压力为25bar 的Poyuad520发动机（Poyuad520发动机内径130mm，行程122mm，试验转速2500转/分钟）上进行试验。必须指出的是，这些性能是在与基本发动机相同的最大压力下获得的，而且可以明显地降低热负荷。
我们相信现在的发动机技术短期内在平均有效压力为35bar、增压压力为9bar左右附近是可探索的。
常规增压的局限及建议的解决方案：
阻碍进气压力升高的首要因素是燃烧压力的升高。因此，首先应降低进气的温度，增加气缸的进气质量，并且降低循环温度。这种方法很快被冷却器的体积和低温下的结冰问题所限制。
其他的解决方法包括提高进气压力和降低压缩比，而这种方法会导致发动机的冷启动和低功率运行。
众所周知，整个系统具有多变的压缩比，这显示了机械学的复杂性和由于燃烧室形状的多样性所导致的各种燃烧问题。加热进口空气这种更为简单的方法会导致发动机在低转速情况下的平均有效压力不足，以及加速困难，大量的应用情况表明这种方法几乎没有作用。
令人惊讶的是，我们没有在任何的文献资料中发现使用压比小于7.8所得到的测试结果。这似乎是在避免看到产热量下降，因为常规增压系统的有限的增压比不代表一个较低的压缩比。
这些解决方案至今没有在工业上发展，其原因有以下几个：
- 这些发动机在低功率下启动和运行，其进口气流的压力和大气压力相等，并且发动机在尽可能高的增压压力下满载运行。对于压缩比固定的发动机来说，有负载时的增压压力和无负载时的增压压力之间的联系会变得很紧密。
- 发动机的扭矩特性使得它在特定的应用中使用比较困难。特别地，负载增大和转速变化如同杂技一样困难。
- 一级或两级传统增压系统在压缩和膨胀时产生的总收益相对较低。压缩比增大产生的收益被排气温度的升高和发动机热载荷的增加抵消了。
我们认为，对于所有这些原因，这些适用于商用解决方案的平均有效压力，在现在的发动机技术条件下不会超过25bar。
关于Hyperbar增压系统的描述：
这种方法将发动机和涡轮增压器创新地在气体动力学方面相联系，这使得整体的增压比有明显的提高，而且使压气机的运行部分独立于发动机。
在废气中的可用能量足够产生一个10bar的压力。压缩空气进入一个固定压缩比的气缸，且进口空气的压力越高，该压缩比越低（在5到10之间）。
探索独立于发动机、借助于辅燃室的对涡轮增压器操作的可能性，确保了在低功率条件下启动和运行。该系统的简化示意图如图1所示.
它所呈现出的试验结果，可以总结为如下的Hyperbar循环的热力学操作。
气缸内部热力学：发动机的体积压缩比是增压压力和最大许可压力（现在被限制在140bar）的函数。在这些前提下，当进口压力从4.5bar增加到10bar时，压缩比可以从9降低到5。实际上，发动机的体积压缩比从15降低到9会导致气缸的峰值温度降低400摄氏度，从而降低氮氧化物的排放量。
对于一个直喷、开式的发动机（Poyaud520），氮氧化物的排放已经从13g/hp-h（体积压缩比为15，额定300马力，转速为2500转/分钟的标准发动机）降低到了6g/ph-h（采用Hyperbar循环的同样的发动机，体积压缩比为9，额定600马力，转速为2500转/分钟）。另一方面，一氧化碳气体的排放量越来越低，可能是因为低压比发动机的空燃比越来越高。
根据压缩比，进口空气的温度在80到150摄氏度之间。这些高温会大大降低增压空气的冷却器的体积。
压缩比越低，空燃比越大。它构成了控制发动机热载荷的参数，而且远高于传统发动机的空燃比。
因此，假设燃气轮机进行绝热循环，具有如下优势：
- 忽略所有速度下的烟雾。
- 降低循环温度和冷却水的比热损失。
- 降低活塞、气缸头和连杆的温度。
- 减少所有废气的排放。
体积的微小变化会影响燃烧，对于最低的压缩比，接近于上止点时是定容燃烧。
喷射由以下的三个原因决定：
- 喷射的角度持续时间如果一直到上止点，则喷射时间延长，而且燃油流量/曲轴的角度会下降。
- 发动机的压缩比越低，其对燃油的注入时机越不敏感。
- 因为气缸里良好的热力学条件，空转时的雾化情况不太糟糕。喷嘴的口径会扩大，而且喷油压力会降低。
对于相同的热载荷条件，废气的温度可能会更高。
产热量—人们通常认为，产热量会随着发动机增压比的降低而减少。这个计算结果是在关于燃烧，发动机冷却水中的热量损失、滑油和机械效率简化假设下开展的。然而，以下的关键点不可忽略：
- 在上止点之后燃烧会持续很久。因此，燃气的有效膨胀比要比发动机的压缩比小的多。膨胀比也取决于注入时间，这样就可以通过选择合理的数值来弥补降低压缩比所带来的消极影响。低压比发动机中大量的空气和充分的定容燃烧使燃烧结束地更快，从而使有效膨胀率增加。
- 通过用绝热循环近似，冷却水和油的比热的损失会降低。
- 发动机的机械能产量会大大增加。
我们认为，这些有利的因素弥补了压缩比降到6时的不利影响，从而没有使损耗大幅度增加。
进入冷却水的热流：图2-4中显示出了两种不同压缩比（12和7）的气缸的温度、压力和换热系数的发展趋势对比。
因此而产生的热流在图5中展示，我们可以看出，平均有效压力为30kg/cm2的低压缩比的气缸和平均有效压力为17kg/cm2的高压缩比的气缸向冷却水的传热量几乎相同。这个非常重要的结论证明了，系统平均压力的升高不需要改变冷却水的流量，缸体和气缸盖也可以保持不变。
如图6中所示，缸体的表面温度更加均匀。
气缸外部热力学：
问题的定义--常规的增压器通常系列地置于压气机-涡轮循环中。在最有利的情况下，排气温度在550~650摄氏度之间时不允许涡轮增压器的增压比超过3~3.5。这些温度通常构成发动机所能承受的极限、关于发动机“热点”情况的限制条件，尤其是排气阀和排气管圈。
当然，发动机的功率和进气压力大致呈正比例关系。因此，理想的情况是，在不增加发动机的热载荷、特别是排气温度的条件下实现尽可能高的增压压力。问题是，通过用和传统发动机温度相同的废气驱动涡轮压缩机的涡轮能达到一个很高的压力。它相当于增加增压系统的增益，而本质上取决于压缩和膨胀所产生的结果。
图7展示了从常规定压系统和Hyperbar系统中所获得的，作为压气机压比函数的涡轮进口温度的对比。在这里我们可以看出，例如，在排气温度为600摄氏度时，常规增压只允许达到3.4的压比，而Hyperbar系统允许达到8.1的压比。
涡轮增压器产出的优化—从涡轮增压器的特性曲线可以看出，压气机的最佳工作区位于一个非常窄的范围内，而且距离喘振线非常近（线画出了涡轮增压机的不稳定工作范围）。因此，所有困难在于使用稳定的方法，使涡轮增压器在任何可操作的速度下，工作在距离不稳定区域（由喘振线确定边界）非常近的范围内。
涡轮压缩机（回转机械）和发动机（容积机械）相匹配非常难。从压气机的角度来看，进入发动机的空气的体积流量作为转速的函数可以在很宽的范围内变化。例如，对于一个高速发动机，如果进入发动机的空气事先被冷却，它的体积流量可以在1~5或者1~7的范围内变化。另一方面，由于靠近喘振线，事实上流过压增压器的空气流量仅能在1~1.5的范围内变化。
使涡轮压缩机工作在其不稳定工作区域、在发动机任何可操作的速度范围内稳定地工作，涡轮压缩机的工作点必须留有一定的裕度，也就是说，对于给定的增压比，压气机的气流必须独立于发动机的转速。大概来说，如果这个条件不能满足，就像通常的发动机的增压系统所表现出的那样，进入发动机的流量就等于流过压气机的流量。如果发动机在恒温条件下增压，空气流量与增压压力和转速呈正比例，即Q=KN（Q是空气流量，是增压压力，N是发动机的转速，K是常数）。
在压气机的特性范围内，发动机的匹配区由一系列的线（发动机的等转速线）构成。在图8中可以看出，在常规的增压系统中，压气机的工作点仍在距离喘振线有一定距离的一个三角区域（阴影部分），因为考虑到使用发动机部分转速的可能性。
因此，在标称功率，低产量范围内，通过适应涡轮增压器来作为防止喘振的措施是十分必要的。这样至少可以防止发动机的高压废气再兼容高温（可能会超过850摄氏度）。在任何情况下，发动机的加速能力都会因为压气机在瞬态操作时，工作在低产区而吸收部分功率而浪费。
Hyperbar系统是基于在最佳工作线（这条线与喘振线近似平行，称为压气机共同工作线，如图9中所示）附近维持压气机工作点。图9中有一接近于发动机的可操作点的阴影区，这为在所有速度和负载下操作提供了可能性。这个结论是通过在压气机和涡轮之间安装的一个与发动机并联的装置获得的，通过调整该装置来消除流过压气机和进入发动机的空气体积流量之间的差异，同时保持扫气比对于发动机的操作是必要的。
涡轮效益的优化—在传统的增压系统中，爆破（脉冲）增压系统通常被用于在发动机低转速时维持高增压比。对于低发动机功率，涡轮压缩机不是自维持的，并且这种鼓风增压系统使得能够转移待回收的废气的工作。这导致通过分配器和连续顺序供应涡轮的分配器的气缸点火。然而，这种适应性对于高膨胀率来说是麻烦的。涡轮机的等效产量低，明显低于通过总喷射器供应的涡轮机的产量，尤其对于高膨胀比来说更是如此。
因此，对涡轮压缩机的最大压缩量的需求导致采用恒压系统进行增压。
涡轮-压气机平衡的维持—涡轮进口的可用焓来自于活塞发动机的废气和支路气流的混合气，且混合气的组分随发动机转速的变化也会发生剧烈变化。对于低功率（小于标称功率的20%）和低速高扭矩的情况，这部分焓不足以确保涡轮增压器均衡发动机所需要的增压比。
这些增加的能量是由一个辅燃室引入的，它的可操作范围将在后文介绍，另外，辅燃室也会有助于涡轮的预启动。
带有Hyperbar增压系统的发动机的操作--混合动力的可操作阶段如下：
- 启动燃气涡轮，燃烧室进行自维持操作。
- 按照传统方式（电启动或者气动马达）启动活塞发动机，进行低转速操作。发动机对涡轮的能量没有贡献。
- 在活塞发动机上加上负载
- 常增压压力阶段。这个阶段密切地对应于当发动机被燃烧室所代替时所产生的最大功率的0~20%功率范围。
- 变增压压力阶段。在发动机功率为20~100%标称功率时，发动机表现的像一个燃烧室，并带有一个受控制的燃气压降的涡轮。对于高扭矩低转速时牵引力的应用，通过对燃油调整器的调整可能可以达到最高增压压力阶段。
图10总结了发动机的运行包线：
- 在Ⅰ区，燃烧室没有点火（即处于试验状态）。
- 在Ⅱ区，增压压力维持恒定以补偿气缸在低压缩比时的压缩损失。
- 在Ⅲ区，废气的温度是恒定的，而且在低转速时使用辅燃室增加输出扭矩。
环境修正—探索涡轮增压器的运行相对于发动机运行的独立性，以保证对大气环境自动、充分的修正。
冷却系统的热平衡和影响—增压可以减小发动机的体积，但是它会增加冷却系统的体积。散热器的尺寸显然是由总换热量和冷却流体与被冷却流体的温差决定的。现在的增压方法优点是，可以将吸收的大部分热量传递到高温空气中。
我们将就传统发动机和Hyperbar系统发动机对比如下的问题，这两个发动机均为水冷，只有在夏季的困难情况下才使用大气空冷。
气缸、活塞和滑油的冷却—发动机的产热被（发动机组的）冷却水吸收，而在夏季冷却水则必须被可能高达40摄氏度的环境气体冷却。在两种发动机（传统发动机和Hyperbar发动机）中，这些部件的温度是相同的。但是，Hyperbar发动机每马力所需外传的总热量仅为传统发动机的一半。所以在相同功率输出的情况下，Hyperbar发动机的冷却器尺寸为传统发动机的一半。
高压气
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