汽油機廢氣渦輪增壓技術探析

摘 要：文章在介紹廢氣渦輪增壓器的構造原理基礎上，分析了汽油增壓發(fā)動機存在的問題，并據(jù)此提出了汽油機增壓爆燃的改進措施。

關鍵詞：汽油機；廢氣渦輪增壓器；改進措施

中圖分類號：TK403.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）9-0010-02

由于廢氣渦輪增壓器在改善汽油發(fā)動機動力性能、經(jīng)濟性能及排放品質(zhì)上的巨大貢獻而在國內(nèi)汽油車上廣泛使用，一般而言，加裝增壓器后的發(fā)動機在其結構和尺寸不變的情況下，功率及扭矩要增大20%～50%。如帕薩特 1.8 T發(fā)動機，相當于2.4發(fā)動機的動力，降低比油耗5%左右，增壓后進氣溫度提高，混合氣可以適當變稀，從而可以使CO和HC的排放量有所降低。整機動力性能、經(jīng)濟能及排放品質(zhì)得到改善。

1 廢氣渦輪增壓器的構造原理

1.1 構造

渦輪增壓器是由渦輪室和增壓器組成的機器，渦輪室進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣歧管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi)，二者同軸剛性聯(lián)接。

1.2 工作原理

渦輪增壓器工作原理如圖1所示。渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機的轉速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率了。

2 增壓發(fā)動機存在的問題

汽油機采用增壓技術與柴油機相比通常存在以下問題。

2.1 汽油機增壓易發(fā)生爆燃

增壓使壓縮終了混合氣的溫度、壓力趨于升高，實際上相當于壓縮比的提高，致使爆燃的傾向增大。汽油機由于受爆燃限制，壓縮比ε較低，因而造成膨脹不充分，致使排氣溫度較高，熱效率下降。所以，增壓汽油機的增壓比一般小于2；功率增幅不超過40%～50%；燃油經(jīng)濟性難以改善。

2.2 汽油機增壓熱負荷大

汽油機混合氣的濃度范圍窄（過量空氣系數(shù)α=0.85～1.1），燃燒時的過量空氣少，造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大；同時，汽油機又不能通過提高氣門重疊角（α+δ）加大掃氣來冷卻受熱零件（如氣門、燃燒室等），造成汽油機在增壓后的熱負荷偏高。汽油機增壓后熱負荷大又促使爆燃傾向的發(fā)生。

2.3 汽油機與增壓器匹配困難

與柴油機相比，汽油機的轉速比柴油機高，轉速范圍寬，從低速到高速混合氣質(zhì)量流量變化大。當節(jié)氣門突然開大時，很容易造成渦輪增壓器反應滯后。增壓器響應滯后造成動力響應的滯后，即所謂“滯后響應”，由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，即使經(jīng)過改良后的反應時間也要1.7 s，使發(fā)動機延遲增加或減少輸出功率。這對于要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。另外，汽油機增壓后發(fā)動機排氣溫度高，易造成增壓器損壞，并出現(xiàn)低速時增壓壓力不足，高速時增壓壓力過高及壽命降低的情況。

3 汽油機增壓爆燃的改進措施

要解決汽油機增壓存在的障礙，首先要在不影響汽油機其它性能的條件下防止爆燃和控制增壓壓力。引起汽油機爆燃的原因是由于壓縮機溫度Ta過高，末端混合氣受已燃混合氣的加熱和輻射，自身溫度、壓力升高，在火焰前鋒未到達前達到自燃點而發(fā)生自燃現(xiàn)象。因而一切能夠使壓縮機溫度Ta降低的方法均可以達到限制爆燃的目的。其具體措施有：

3.1 增壓中冷

增壓后增壓器出口溫度（進入氣缸的進氣溫度）Tk與非增壓汽油發(fā)動機進氣溫度（接近大氣溫度）相比要高很多。

渦輪增壓器吸進的空氣經(jīng)壓縮溫度增高了，在流動時與進氣管壁摩擦還會進一步增高，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝置降低進氣溫度的設備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進氣管之間，對進入氣缸的空氣進行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過冷卻而逸散到大氣中去。據(jù)測試，若使進氣溫度冷卻至60 ℃，即使壓縮比ε=8～11，發(fā)動機仍然不會發(fā)生爆燃。同時降低溫度也可提高進氣壓力，進一步提高發(fā)動機的有效功率。

3.2 葉輪葉片

由于汽油發(fā)動機轉速范圍寬，空氣流量變化大，因此渦輪增壓器的壓縮葉輪外形是復雜的三元曲面超薄壁葉輪片，一般有12～30片葉，呈放射線狀曲線排列，葉片厚度在0.5 mm以下，采用鋁材用特殊鑄造法制作。葉片形狀的優(yōu)劣直接影響到到渦輪增壓發(fā)動機的性能。葉輪形狀角度越合理，質(zhì)量越輕，葉輪的啟動就越靈敏，渦輪增壓器的天生缺陷“反應滯后”也就越小。

可調(diào)葉片式渦輪增壓系統(tǒng)能夠在發(fā)動機整個范圍內(nèi)調(diào)整進氣增壓的壓力。當發(fā)動機轉速低時，葉片開度減少，減少廢氣流通截面，使廢氣流速增加，提高廢氣渦輪轉速，增加進氣壓力；當發(fā)動機轉速高時，葉片開度增大，增加廢氣流通截面，使廢氣流速降低，維持廢氣渦輪轉速在正常范圍內(nèi)，保證進氣壓力的穩(wěn)定?？烧{(diào)葉片式渦輪增壓器通過改變渦輪的流通截面來實現(xiàn)與發(fā)動機在各個車速工況下的最佳匹配，使發(fā)動機的性能達到最佳。

3.3 雙渦輪增壓

針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動機低轉速的時候，較少的排氣即可驅(qū)動渦輪高速旋轉以產(chǎn)生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應。

并聯(lián)渦輪指每組渦輪負責引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的，它的優(yōu)點就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。例如V6發(fā)動機，可每三個氣缸一個小增壓器。這種小尺寸增壓器的主要優(yōu)點是其轉動慣量較小，即使駕駛員通過加速踏板施加最輕微的作用力，也會立即產(chǎn)生壓力。因此不會再感覺到以前渦輪增壓發(fā)動機典型的渦輪效應滯后現(xiàn)象。

串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，低轉時推動反應較快的小渦輪，使低轉速時轉扭大，加油反應快，高轉時大渦輪介入，提供充足的進氣量，功率輸出得以提高。

3.4 增壓壓力的控制

有的發(fā)動機在節(jié)氣門前和中間冷卻器后各安裝一個進氣壓力傳感器，節(jié)氣門前的壓力傳感器監(jiān)控增壓壓力、控制增壓壓力。中間冷卻器后的壓力傳感器監(jiān)控進氣量。

同時為了限制渦輪最高轉速，使渦輪進氣端增壓壓力維持一個穩(wěn)定值，排氣旁通閥，是目前渦輪系統(tǒng)中最常見的泄壓裝置，一般又被稱為連動式排氣泄壓閥。直接配置在渦輪上，利用一支連桿來控制渦輪排氣中的閥門，當渦輪壓縮空氣端的增壓值達到限定的程度，進氣壓力便會推動排氣旁通閥的連桿，使渦輪排氣側內(nèi)的旁通閥門開啟，部分廢氣不經(jīng)渦輪葉輪直接排到排氣管。這樣減少“吹動”渦輪葉輪的廢氣流量，渦輪葉輪轉速降低，同時帶動壓氣機葉輪轉速降低。因此排氣旁通閥既是限制渦輪最高轉速的裝置，也是使渦輪進氣端增壓壓力維持一個穩(wěn)定值（不會長時間過高）的裝置。

4 結 語

汽油機的增壓技術是一門新技術，隨著電子控制技術不斷發(fā)展及新型材料的不斷出現(xiàn)，其熱負荷與爆燃及高轉速等技術問題，不斷會得到更好解決，使汽油機動力性得到進一步提高，成為發(fā)展的方向。

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