基于節(jié)能減排要求的廢氣渦輪增壓器改進(jìn)對(duì)策

梁恩勝

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211170）

基于節(jié)能減排要求的廢氣渦輪增壓器改進(jìn)對(duì)策

梁恩勝

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211170）

隨著油氣能源的逐漸匱乏，人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)已經(jīng)成為了降低能源消耗、減少排放污染有效的措施之一。首先剖析渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后對(duì)渦輪增壓器的使用壽命、渦輪遲滯問(wèn)題和爆震現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出了這三個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題的改進(jìn)方法，為日后增壓器的研究提供一些參考。

節(jié)能減排；廢氣渦輪增壓器；渦輪遲滯；爆震

隨著現(xiàn)在油氣資源的大量使用，汽油價(jià)格不斷上漲，各個(gè)國(guó)家以及國(guó)際上對(duì)尾氣排放越來(lái)越嚴(yán)格的控制，為了降低汽車(chē)的油耗，并減少尾氣排放，渦輪增壓器在汽車(chē)上的使用已經(jīng)變得越來(lái)越多。但很多人對(duì)渦輪增壓器的作用并不是很了解，而且現(xiàn)在的渦輪增壓器使用壽命、渦輪遲滯及爆震等問(wèn)題仍然客觀存在，所以對(duì)增壓器得安全性、穩(wěn)定性等仍有一些顧慮。本文通過(guò)對(duì)渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行剖析，并對(duì)渦輪增壓器的使用壽命、渦輪遲滯和爆震這三個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策，以期為日后增壓器的研究提供一些參考。

1 渦輪增壓器的工作原理

廢氣渦輪增壓器是通過(guò)對(duì)汽油機(jī)廢氣的再利用，在相同的單位時(shí)間內(nèi)，把更多的可燃混合氣擠入燃燒室。在幾乎沒(méi)有任何額外能量損耗的條件下，為汽油機(jī)提升30%到40%的動(dòng)力，甚至更高。從汽油機(jī)中排出的廢氣推動(dòng)渦輪排氣端的葉輪，再帶動(dòng)另一端的壓氣機(jī)葉輪，從而吸進(jìn)從空氣濾清器中送來(lái)的空氣，由葉片壓縮后再通過(guò)管徑越來(lái)越小的壓縮通道進(jìn)行二次壓縮，有的裝有中冷器，對(duì)被壓縮的空氣進(jìn)行冷卻，防止汽油機(jī)爆震，最終注入燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒后的廢氣排出再重復(fù)以上的動(dòng)作[1]。

2 渦輪增壓器的改進(jìn)對(duì)策

2.1 渦輪增壓器的使用壽命與制造材料的改進(jìn)

渦輪增壓器需要持續(xù)在高溫條件下進(jìn)行工作。柴油機(jī)增壓器的工作溫度一般在600℃左右，汽油機(jī)增壓器的工作溫度則要達(dá)到800~900℃，某些特種車(chē)輛增壓器工作溫度要高達(dá)900~950℃.隨著客戶(hù)對(duì)汽油機(jī)性能要求的不斷提高，增壓器的工作溫度還有可能進(jìn)一步提高。所以對(duì)渦輪增壓器材料的要求首先就是要耐高溫，要有很好的抗氧化性，材料的抗氧化性好壞在高溫工作條件下會(huì)直接影響到增壓器的使用壽命。因?yàn)樵鰤浩鳉んw形狀很復(fù)雜，制造材料還必須擁有良好的鑄造性能。

一般來(lái)說(shuō)，增壓器的外殼包括中間體以及一些框架部分都是采用鑄鐵，球墨鑄鐵具有良好的鑄造工藝性能，較好的力學(xué)性能和抗氧化性能，它的熱疲勞強(qiáng)度也是鑄鐵中的佼佼者，因此它是目前制造渦輪增壓器的主要材料，其中還要加入硅、鎳等合金元素，進(jìn)一步加強(qiáng)增壓器的強(qiáng)度。

葉片在渦輪增壓器的驅(qū)動(dòng)組件中占有非常重要的位置，汽油機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)地工作時(shí)產(chǎn)生的離心力和較為惡劣的高溫工作條件使渦輪葉片要承受較大的拉應(yīng)力和熱應(yīng)力，因此，增壓器葉片必須具有足夠好的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及高的抗高溫蠕變、高溫氧化及燃?xì)飧g性能，現(xiàn)在較為常用的材料有鑄鋁，合金鋼，鈦合金等[2]。

增壓器的核心部件是軸承，軸承雖小卻是整個(gè)渦輪增壓器的生命，大部分增壓器的損壞問(wèn)題都是出在軸承上。浮動(dòng)軸承的軸承壁一般采用錫鉛青銅合金制造，表面會(huì)再鍍上一層鉛錫合金或金屬銦作為保護(hù)。其他的軸承部分一般采用合金鋼制造。滾珠軸承是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，它相比浮動(dòng)軸承能更好的提高動(dòng)力，也用滾珠代替了原本的機(jī)油潤(rùn)滑，但制造工藝成本也更高。它主要包含滾珠、外環(huán)、內(nèi)環(huán)和保持器四個(gè)部件。滾珠和內(nèi)環(huán)、外環(huán)通常用高鉻鋼制成，而保持器要求的硬度比滾珠和環(huán)要低，一般采用中碳鋼、鋁合金或者高分子材料就可以制成[3]。

2.2 渦輪遲滯現(xiàn)象分析及處理方法

渦輪遲滯時(shí)間是指當(dāng)油門(mén)全開(kāi)后，渦輪的增壓壓力從最小值升高到最大值所需要的時(shí)間。汽油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，產(chǎn)生的廢氣量很少，不足以帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。所以，需要等到汽油機(jī)轉(zhuǎn)速提高之后，產(chǎn)生較多的廢氣，有足夠的推動(dòng)力時(shí)，渦輪才能啟動(dòng)。渦輪遲滯大預(yù)示著其可能突然發(fā)力，對(duì)于平常駕駛將難于掌握，有時(shí)駕駛者來(lái)不及對(duì)車(chē)輛的突然加速做出反應(yīng)甚至有可能造成車(chē)禍的危險(xiǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，目前有兩個(gè)解決的方向：第一，改善低速時(shí)的排氣氣流；第二，減少渦輪對(duì)排氣氣流的需求量，就是說(shuō)產(chǎn)生的廢氣量不多時(shí)增壓器也能正常工作。

第一個(gè)方向是采用安裝雙渦管的配置，通過(guò)兩組排氣管來(lái)對(duì)應(yīng)不同的氣缸，以保證排氣氣流更好地相互銜接和減少干擾，從而改善排氣的氣流。第二個(gè)方向則是改變渦輪，盡可能的縮小渦輪，讓很少的廢氣也可以帶動(dòng)渦輪，汽油機(jī)低轉(zhuǎn)速下，渦輪增壓器也會(huì)啟動(dòng)，遲滯就會(huì)大大緩解。有的增壓器則采用雙渦輪的配置，使用兩個(gè)渦輪后，單個(gè)渦輪的尺寸就相對(duì)縮小了，也就可以達(dá)到緩解遲滯的目的了。

2.3 爆震問(wèn)題及其對(duì)策

爆震是汽油機(jī)上最為常見(jiàn)的問(wèn)題之一，發(fā)生時(shí)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，噪音加大，嚴(yán)重時(shí)車(chē)身也會(huì)感覺(jué)到明顯的抖動(dòng)。它主要是由于點(diǎn)火角過(guò)于提前，燃燒室積碳，汽油機(jī)溫度過(guò)高，空燃比不正確，燃油辛烷值過(guò)低或是清潔度不夠。爆震會(huì)造成汽油機(jī)的動(dòng)力下降，而油耗和噪音加大，排放出有害氣體；最嚴(yán)重的是敲缸，會(huì)造成汽油機(jī)的損壞。目前普通汽油機(jī)的發(fā)生爆震問(wèn)題的基本上已經(jīng)很少了，但在渦輪增壓汽油機(jī)上這個(gè)問(wèn)題仍然存在。

現(xiàn)在渦輪增壓器汽油機(jī)爆震問(wèn)題最簡(jiǎn)單和直接的解決方法就是降低增壓后空氣的溫度。所以中冷器在渦輪增壓器上的作用就顯得尤為重要了，因?yàn)橹欣淦鞯淖饔镁褪墙档徒?jīng)過(guò)增壓后的空氣的溫度，以此來(lái)降低高溫給汽油機(jī)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。如果未經(jīng)冷卻的經(jīng)過(guò)增壓后的空氣直接被送入燃燒室燃燒，就會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)的燃燒室溫度過(guò)高，造成爆震。而且通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，增壓后的空氣溫度每下降10℃，汽油機(jī)的功率就能提高3%到5%.

3 結(jié)束語(yǔ)

在地球能源消耗日益嚴(yán)峻的情況下，渦輪增壓器在節(jié)省燃油的同時(shí)，還可以提升汽油機(jī)動(dòng)力。另一方面，各種污染越來(lái)越嚴(yán)重，很多汽車(chē)公司也面臨著更嚴(yán)格的排放法規(guī)，而渦輪增壓器正可以很好地降低尾氣排放，還能穩(wěn)定汽油機(jī)，減少噪音。相信在不久的將來(lái)，增壓器的制造和維護(hù)的費(fèi)用將會(huì)越來(lái)越低，缺陷也會(huì)不斷得到改善，效率將會(huì)越來(lái)越高，可以為人類(lèi)帶來(lái)更多的幫助。

[1]班效金.某汽油機(jī)渦輪增壓器的匹配研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

[2]張占貴.渦輪增壓器葉片加工方法的比較[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012，174（10）：58-59.

[3]陸剛.車(chē)用內(nèi)燃機(jī)增壓器陶瓷渦輪的研發(fā)與應(yīng)用[J].汽車(chē)與配件，2012，914（1）：44-45.

Based on the Requirement of Energy Conservation and Emissions Reduction of Exhaust Gas Turbocharger Improvement Countermeasures

LIANG En-sheng
（Jiangsu Maritime Institute Department of Marine Engineering，Nanjing Jiangsu 211170，China）

As the oil and gas energy scarcity gradually，the gradual improvement of the people environmental protection consciousness，engine technology has become the lower energy consumption，one of the effective measures to reduce exhaust emissions. At first，this paper analyzes the structure and working principle of the turbocharger and the service life of the turbocharger and turbo lag problem and detonation phenomenon is analyzed，and puts forward the improved method of the three common problems，provides some

for the research of supercharger in the future.

energy conservation and emission reduction；exhaust-gas turbocharger；turbo lag；detonation

U464.135

A

1672-545X（2016）09-0082-02

2016-06-05

梁恩勝（1980-），男，河南信陽(yáng)人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程。