發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓中冷技術(shù)對(duì)排放的影響

馬赫+吳陽

摘 要：渦輪增壓技術(shù)由渦輪和壓氣機(jī)兩個(gè)主要部件組成的增壓器來進(jìn)行增壓工作。對(duì)于增壓壓力較高的中、高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，一般需裝置中間冷卻器，以提高進(jìn)氣密度。分析表明渦輪增壓及增壓中冷技術(shù)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放起著重要作用。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；功率提升；排放控制

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)主要作用是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低燃油消耗，同時(shí)渦輪增壓中冷技術(shù)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放起到十分重要的作用。增壓技術(shù)的發(fā)展主要?dú)w結(jié)于渦輪增壓技術(shù)。

一、渦輪增壓器的組成及工作原理

（一）組成部件及關(guān)鍵零件

渦輪增壓器由渦輪和壓氣機(jī)兩個(gè)主要部件以及軸承與密封裝置、潤滑與冷卻系統(tǒng)所組成。渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，因此對(duì)部件材料和加工技術(shù)都要求很高。

（二）工作原理

渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪再壓送由空氣濾清器管道進(jìn)來的空氣，使之增壓或者增壓冷卻進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，提高了充入氣缸的空氣密度，可以有更多的燃料進(jìn)入氣缸進(jìn)行充分燃燒。達(dá)到提高平均有效壓力，提升功率，改善經(jīng)濟(jì)性和降低污染的目的。

二、與其它增壓器的比較

渦輪增壓器最明顯的是“滯后響應(yīng)”，即由于葉輪的慣性作用對(duì)油門驟時(shí)變化反應(yīng)遲緩，使發(fā)動(dòng)機(jī)延遲增加或減少輸出功率。目前除渦輪增壓以外，應(yīng)用較普遍的是機(jī)械增壓。機(jī)械增壓是指增壓器由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，二者之間的轉(zhuǎn)速比一般固定不變，具有較快的響應(yīng)性，加速線性化。但其靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力，需消耗動(dòng)力。

三、中間冷卻器的作用

對(duì)于增壓壓力較高的中、高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，一般需裝置中間冷卻器，這是因?yàn)闇u輪增壓器吸進(jìn)的空氣經(jīng)壓縮溫度會(huì)升高，空氣在流動(dòng)過程中與進(jìn)氣管壁摩擦還會(huì)進(jìn)一步升溫。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率N與充入氣缸的氣體密度ρ成正比，密度越大，功率越大，增壓空氣密度ρ由氣體狀態(tài)方程決定。即：ρ=P/RT（kg/m3）式中：P—增壓壓力，Pa（絕對(duì)壓力）；T—增壓時(shí)空氣絕對(duì)溫度，K；R—?dú)怏w常數(shù)（287.14J/kg.K）。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小與增壓壓力P成正比，與增壓空氣溫度T成反比。只有當(dāng)空氣溫度T保持不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率N才與P成線性關(guān)系。

四、渦輪增壓及增壓中冷技術(shù)對(duì)降低排放分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物主要有CO、HC、NOX和微粒物等。此外，由于溫室效應(yīng)引起全球變暖的問題，CO2的排放量也受到限制。采用渦輪增壓和增壓中冷技術(shù)可降低其排放值。

（一）一氧化碳（CO）

發(fā)動(dòng)機(jī)中CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要是在局部缺氧或低溫下形成的。采用渦輪增壓后，可供燃燒的空氣增多，并且增壓發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)工況負(fù)荷較大，缸內(nèi)溫度能保證燃料更充分燃燒，CO排放可進(jìn)一步降低。

（二）碳?xì)浠衔铮℉C）

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的HC是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中間化合物所組成；小部分HC是由潤滑油生成的。增壓時(shí)，由于進(jìn)氣密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油霧化質(zhì)量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，增壓還使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒整個(gè)循環(huán)的平均介質(zhì)溫度升高，氧化反應(yīng)速率大，未燃HC排放降低。

（三）氮氧化物（NOx）

發(fā)動(dòng)機(jī)中氮氧化物的主要成分NO的生成取決于氧的濃度、溫度及反應(yīng)時(shí)間等。降低NO的措施是以降低火焰溫度、氧濃度及高溫下停留時(shí)間為目標(biāo)。如果只簡單采用增壓措施，可能會(huì)因?yàn)檫^量空氣系數(shù)增大和燃燒溫度的升高而導(dǎo)致NOX增加。采用進(jìn)氣中冷技術(shù)降低進(jìn)氣溫度，可降低增壓發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放，進(jìn)氣充量溫度降低，燃燒溫度可以得到有效控制，有利于NOX的減少。實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓時(shí)采用減小壓縮比、推遲噴油定時(shí)等措施來減小熱負(fù)荷、降低最高燃燒溫度。壓縮比的減小可以降低壓縮終了的介質(zhì)溫度從而降低燃燒火焰溫度；推遲噴油定時(shí)，可以縮短滯燃期，減少油束稀薄火焰區(qū)的燃料蒸發(fā)和混合，降低最高燃燒溫度。為減少噴油定時(shí)導(dǎo)致的后燃期過長的問題，須增大供油速率，縮短噴油時(shí)間，以加快燃燒速率，縮短燃燒時(shí)間。

（四）微粒物（PM）

影響發(fā)動(dòng)機(jī)微粒物生成的原因較復(fù)雜，其主要因素是過量空氣系數(shù)、燃油霧化質(zhì)量、噴油速率、燃燒過程和燃油質(zhì)量等。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化降低NOX的措施通常會(huì)帶來PM增加。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是采用高增壓壓比和空—空中冷技術(shù)后，可顯著增大進(jìn)氣密度，增加缸內(nèi)可用的空氣量。如同時(shí)采用高壓燃油噴射、共軌電控噴射、低排放燃燒室和中心噴嘴四氣閥技術(shù)，并提高燃油霧化質(zhì)量，改善燃燒過程，則可有效地控制PM排放。

五、結(jié)語

廢氣渦輪增壓及中冷技術(shù)的應(yīng)用大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，并且還對(duì)有害物的排放、環(huán)境保護(hù)等方面起到了重要作用。隨著渦輪增壓器技術(shù)和其他先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)成為真正的低能耗、高環(huán)保性的動(dòng)力。

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