柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓相關(guān)技術(shù)分析

高 芳

（農(nóng)墾牡丹江管理局交通局，黑龍江 雞西 158308）

采用渦輪增壓技術(shù)不僅可以改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)約汽車能源、減少車用柴油機(jī)工作時(shí)的噪聲，保證在海拔較高的地區(qū)克服車用柴油機(jī)由于外界空氣密度過低而引起的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降的缺點(diǎn)，滿足高海拔的環(huán)境中車輛行駛的要求。尤其是最近幾年，國際上的汽車排放相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，導(dǎo)致相關(guān)人員運(yùn)用渦輪增壓和中冷專業(yè)技術(shù)來解決有害氣體排放的問題，降低車用柴油機(jī)的排氣污染，使其達(dá)到規(guī)范要求。渦輪增壓技術(shù)己經(jīng)成為大多數(shù)車用柴油機(jī)滿足歐洲Ⅱ以上排放法規(guī)要求所必須采用的標(biāo)準(zhǔn)配置。

1 柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)概述

一臺(tái)性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率大，比質(zhì)量小，燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用壽命長，操作方便。

影響內(nèi)燃機(jī)功率的因素由公式（1）給出

式中：pe為有效功率，i為氣缸數(shù)，Vs為氣缸工作容積，Hu為燃料低熱值，l0為化學(xué)計(jì)量比，τ為沖程數(shù)，Φc為充量系數(shù)，ηit為指示熱效率，α為空燃比，ηm為機(jī)械效率，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ρb為進(jìn)氣空氣密度。

從公式（1）可以看出，過分增大缸徑和行程，增加氣缸數(shù)會(huì)使內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜、笨重，且加工、安裝和維修不便，制造困難；采用二沖程則因低換氣質(zhì)量而影響熱效率；過高轉(zhuǎn)速會(huì)增加摩擦損失，不利于改善工況，且產(chǎn)生較大慣性力，使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及壽命受到影響。最為經(jīng)濟(jì)并且增壓效果顯著的方法是增加進(jìn)氣空氣密度。如采用增壓提高進(jìn)氣密度，則可使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高40%～80%。

渦輪增壓器不但可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低燃油的消耗，還會(huì)在降低交通污染、控制交通噪聲、提高能源的利用等方面起到積極作用。渦輪增壓器根據(jù)廢氣在渦輪機(jī)不同的流通方向，可分為徑流式渦輪與軸流式渦輪兩大類。對(duì)于車用內(nèi)燃機(jī)則用徑流式渦輪增壓器。

2 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由壓氣機(jī)、渦輪以及支承裝置、密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)所組成。

圖1 徑流式渦輪增壓結(jié)構(gòu)

2.2 渦輪增壓器工作原理

渦輪增壓器工作原理如圖2所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生溫度較高的廢氣時(shí)，一定的空氣壓力作用于渦輪殼并使之旋轉(zhuǎn)后進(jìn)入空氣中。與此同時(shí)，壓氣機(jī)葉輪和渦輪共同安裝在相同的轉(zhuǎn)子軸上具有相等的速度，提高通過濾清器作用后的空氣使空氣的流動(dòng)速度和壓力并行進(jìn)入擴(kuò)壓器，因此，空氣流動(dòng)的速度減少，從而空氣的壓力增加。同時(shí)，壓氣機(jī)殼不斷地使空氣壓力繼續(xù)升高，提高后的空氣通過發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管而到達(dá)氣缸中，達(dá)到改善進(jìn)氣密度數(shù)值的目的。

圖2 渦輪增壓結(jié)構(gòu)

3 渦輪增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 渦輪增壓器參數(shù)確定

12V150柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：汽缸直徑D＝150mm；汽缸工作容積Vh＝38.38L；活塞的行程S＝180mm；原機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe＝382.35kW（520PS）／（2000r／min）；增壓后為Ne＝536.76 kW（730PS）／（2000r／min）。

3.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的扭矩特性（扭矩系數(shù)K≥1.15），設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇在

要求達(dá)到

增壓參數(shù)的確定：發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)的確定α＝1.7；容積系數(shù)ηv＝0.98；掃氣系數(shù)ηs＝1.02；掃氣過量空氣系數(shù)φs＝ηvηs＝1。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所需空氣量為

式中：ge為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，單位（一般比不增壓降低5%～10%，為了滿足最大功率和最大扭矩的要求，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性工況下計(jì)算）；α為過量空氣系數(shù)（為了適應(yīng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷、降低排氣溫度以及提高扭矩系數(shù)一般比不增壓時(shí)大10%～30%）；L0為燃燒1kg燃料所需的理論空氣量，對(duì)柴油，L0＝14.3。

采用2臺(tái)增壓器，則每一臺(tái)增壓器的空氣流量為0.364kg／s。增壓空氣的密度為

壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣壓力為

式中：Δp為壓氣機(jī)進(jìn)口處壓降，取為6000Pa。

壓氣機(jī)進(jìn)口空氣密度為

式中：R為氣體常數(shù)，R＝287J／（kg·K）。

壓氣機(jī)壓比為

式中：ηn為壓氣機(jī)多變效率，取ηn＝0.76。因此，確定增壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)為

4 渦輪增壓器特性分析

4.1 匹配性

為了保證該增壓器正常工作，使用過程中必須考慮以下幾方面：

1）由于該增壓器沒有專門冷卻系統(tǒng)，因此，要保證足夠的機(jī)油循環(huán)量，即機(jī)油壓力要達(dá)到250～400kPa。

2）渦輪殼與排氣管連接時(shí)，一定要考慮排氣管的熱膨脹量。

3）檢查各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的間隙，使其保持在合理范圍內(nèi)。

4）避免發(fā)生喘振，除了設(shè)計(jì)因素之外，通常采取加大進(jìn)氣管、增加中冷器以及避免在高速負(fù)荷下工作時(shí)緊急停車或突然減速等。

4.2 渦輪增壓器的冷卻和隔熱

為保證增壓器正常工作，渦輪端軸承部位的溫度不超過150°，渦輪密封部位不超過230°，采用油冷方式，并在渦輪軸承上端、密封環(huán)附近專門設(shè)置油道，基本滿足要求。

隔熱的目的是防止熱量自渦輪端傳至軸承和壓氣機(jī)端，這樣，可以減少連接零件的熱變形，防止殼體零件產(chǎn)生裂紋。該渦輪增壓器采取以下措施：

1）采用啞鈴式布置方案，形成溫度梯度差，減少熱輻射。

2）把軸承座固定在壓氣機(jī)端，加大熱阻。

3）把止推面設(shè)在壓氣機(jī)一端，可以減少自渦輪端通過轉(zhuǎn)軸經(jīng)止推面直接傳熱給軸承的可能性。

4）在渦輪葉輪與轉(zhuǎn)軸焊接處采用摩擦焊并做成中空形式，以減少自渦輪葉輪向轉(zhuǎn)軸的傳熱。

5 結(jié)束語

由于最近國際上的汽車排放相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，因此，相關(guān)人員運(yùn)用渦輪增壓和中冷專業(yè)技術(shù)來解決有害氣體排放的問題，降低車用柴油機(jī)的排氣污染，使其達(dá)到規(guī)范要求。該文從介紹渦輪增壓技術(shù)概況入手，對(duì)渦輪增壓技術(shù)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行說明，并給出了其設(shè)計(jì)方法，對(duì)其相關(guān)特性及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，通過本設(shè)計(jì)體現(xiàn)出渦輪增壓可以非常有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，同時(shí)，可降低排放污染，是一項(xiàng)以低投入換取高效率的技術(shù)。

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