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

汪 陽

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司， 陜西 西安 710000）

1 柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展

渦輪增壓技術(shù)明顯地改善了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和柴油的經(jīng)濟(jì)性，從而能夠達(dá)到節(jié)約能源的作用，優(yōu)良發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大，如果想要達(dá)到，燃油消耗率較低的目的，需采用一臺(tái)工作可靠、內(nèi)燃型的柴油機(jī)系統(tǒng)。

渦輪增壓技術(shù)符合國家綠色環(huán)保的能源消耗方針，為柴油和汽油動(dòng)力裝置的配套提供了環(huán)保和節(jié)能型高科技產(chǎn)品的技術(shù)，能夠在減少能耗的情況之下，滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。

柴油機(jī)的渦輪增壓技術(shù)能夠有效改善柴油和汽車動(dòng)力裝置的環(huán)保節(jié)能效果。為了提升新產(chǎn)品綜合性價(jià)比，完成高標(biāo)準(zhǔn)的排放改進(jìn)工作，研究者們經(jīng)過很多次嘗試。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)國際化快速發(fā)展的今天，柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)給柴油機(jī)的發(fā)展帶來了無限的潛力。在各種汽車產(chǎn)業(yè)鏈更新?lián)Q代的基礎(chǔ)上，政府對(duì)于柴油機(jī)保有量和渦輪增壓器使用壽命提出了改進(jìn)意見，并且對(duì)很多規(guī)章制度進(jìn)行了深化改進(jìn)[1]。

2 柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的環(huán)保技術(shù)

性能優(yōu)良和良好的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于燃油消耗的能量比較低，因此具有排放污染小、工作可靠的特點(diǎn)，使綠色環(huán)保操作得到了幫助。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)算一般是在加大大缸徑的尺寸的情況下進(jìn)行的，以滿足龐大復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的要求，另外，為了避免加工過程中維修的不便，也可以通過提升二沖程低置換器質(zhì)量影響熱效率的程度。

渦輪增壓器可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低燃油的能耗，對(duì)環(huán)境污染起到改善作用，同時(shí)，柴油渦輪增壓器根據(jù)廢氣不同流通方向的分流過程，可以分為徑流式渦輪和軸流式渦輪兩種。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓結(jié)構(gòu)及其工作原理

3.1 徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)

柴油經(jīng)流式渦輪增壓器是由壓力機(jī)、渦輪和支撐裝置組合而成，在組合的過程中還必須要有密封裝置、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)。利用增壓器的工作原理，借助發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較高的廢氣，在一定的空氣壓力作用之下，使用渦輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入到空氣之中，用壓力機(jī)和渦輪共同安裝的轉(zhuǎn)子軸承的方式，采用相同的速率來轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高篩選廢氣的方法，在積極增壓的作用之下，通過觀察空氣流動(dòng)速度和壓力，在空氣流動(dòng)速度相應(yīng)減少、空氣壓力增大的情況之下，使得壓力機(jī)的機(jī)殼不斷振動(dòng)，空氣壓力持續(xù)增高。在這種情況下，渦輪增壓器的空氣通過發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)入到達(dá)氣缸之中，以便最終達(dá)到改善近期密度數(shù)值的均衡程度作用[2]。

3.2 渦輪增壓器工作原理

渦輪增壓器實(shí)際上就是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣的形式來增加進(jìn)氣量，然后再利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣，用慣性沖力來推動(dòng)渦輪密封空間里的渦輪，最后由渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪，使得空氣濾清器可以壓送空氣，氣缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，空氣的壓力和密度增大之后，可以燃燒更多的燃料，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。發(fā)動(dòng)機(jī)是靠燃料在汽缸內(nèi)燃燒來產(chǎn)生功率，輸入的燃料含量受到了吸入氣缸內(nèi)的空氣量的限制，因此發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的功率受到了相應(yīng)的限制和影響。

4 渦輪增壓器的幾種重要模式

4.1 機(jī)械增壓裝置

機(jī)械增壓的裝置原理是由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相互連接，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸來獲取動(dòng)力的方式驅(qū)動(dòng)增壓器的轉(zhuǎn)子來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，空氣增壓吹到氣道管里。這種方式轉(zhuǎn)子的速度和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是相互對(duì)應(yīng)的，因此在動(dòng)力輸出方面表現(xiàn)得更為流暢，但是由于其消耗的部分引擎動(dòng)力，就會(huì)使得整個(gè)增壓的效率不高。

4.2 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

這種發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的廢氣達(dá)到增氧的目的，渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)本身沒有機(jī)械性的聯(lián)系，增壓器和壓氣機(jī)內(nèi)部的人料廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪帶動(dòng)了增壓系統(tǒng)，增壓的過程中需要冷卻。這種重要系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械增壓的效率，但是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出肯定要稍微慢于油門開啟的速度，如果在渦輪加速的時(shí)候，油門也開啟，那么可能發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出要滯后片刻，如果開啟的太快發(fā)動(dòng)機(jī)在初始階段就有可能會(huì)跟不上速度，但是通過觀測(cè)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在稍后就會(huì)有動(dòng)力性的爆發(fā)。

4.3 復(fù)合式的增壓系統(tǒng)裝置

廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用的形式使得大功率柴油機(jī)使用較為順手，復(fù)合增壓裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率較大，更重要的是其燃油消耗能耗比較低，而且噪音也比較小，但其制作工藝比較復(fù)雜，成本較高。

4.4 氣波增壓系統(tǒng)

采用高壓廢氣的方式，通過高壓廢氣的脈沖氣波，使空氣壓縮的速度大大提升，系統(tǒng)而低速的增壓性能更好，氣波增壓系統(tǒng)加速非?？?，但是尺寸比較大、笨重，噪聲也比較大，所以只能安裝在體積較大的大型車輛中[3]。

5 使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的特性

1）如果要使渦輪增壓系統(tǒng)正常安全的工作，就必須要有專門的冷卻系統(tǒng)，在保證機(jī)油循環(huán)量壓力達(dá)到300 kPa的情況，輸出的壓力才能夠達(dá)到正常匹配的循環(huán)要求。當(dāng)渦輪外殼和排氣管相互連接的時(shí)候，保證各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的間隙都應(yīng)該保持在合理的范圍之內(nèi)，否則就很有可能出現(xiàn)安全事故。渦輪增壓器在使用的過程中持續(xù)高溫負(fù)荷、高速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果工作緊急需要停車，一定要增設(shè)中冷器的設(shè)置，避免對(duì)于渦輪增壓器產(chǎn)生致命的影響。

2）一般情況下，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪增壓器在降溫之后溫度不應(yīng)該超過150℃，即使是在渦輪密封的部位綜合溫度也不應(yīng)該超過220℃。渦輪增壓器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度上升，因此，在渦輪軸承的上端采用油冷的方式，在密封環(huán)周圍專門設(shè)置油道來滿足降溫的基本需求。

3）做好渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱工作，可以將渦輪的端頭熱量控制良好，通過減少連接零件的熱變形，防止渦輪增壓器外殼的零件產(chǎn)生裂紋的情況，從而杜絕安全事故的發(fā)生。為了做好渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱一般是采用類似于啞鈴式的布置方案，溫度的梯度差產(chǎn)生之后，熱輻射就會(huì)相應(yīng)減少，或者也可以將軸承底座固定在壓氣機(jī)的一端，加大熱的阻力，也可以進(jìn)行良好的隔熱效果。另外把止推面設(shè)置在壓氣機(jī)的一端，這種隔熱的原理是通過減少渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸止推面直接傳熱的機(jī)率，使得直接傳輸熱量給軸承的可能性盡量減少。在渦輪葉輪和轉(zhuǎn)軸焊接處，采用摩擦焊接的方式做成中空的結(jié)構(gòu)，也可以減少自渦輪葉輪向轉(zhuǎn)軸的傳熱過程。

6 渦輪增壓器的日常維護(hù)工作

渦輪增壓器的裝置設(shè)置非常精密，雖然裝置運(yùn)行機(jī)理并不復(fù)雜，但是如果想要發(fā)動(dòng)機(jī)所排出來的廢氣推動(dòng)渦輪能夠達(dá)到所需要的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，就需要通過渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)來連接同一個(gè)連接軸上的渦輪扇。工作效率取決于渦輪增壓器的高溫以及渦輪壓縮機(jī)的降低熱量和散熱的過程。同時(shí)，不能忽視運(yùn)轉(zhuǎn)下的工作器件的工作壓力，高溫器件在氣缸單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入空氣越多，工作效率越高，溫度產(chǎn)生也越快[4]。

保證渦輪增壓器所使用的進(jìn)汽缸汽油較好，相對(duì)耐高溫和抗氧化性比較好的優(yōu)質(zhì)機(jī)油就可以縮短機(jī)油的更換周期。使用機(jī)油濾清器來磨蝕干凈，機(jī)油之內(nèi)不能含有雜質(zhì)，而渦輪吸入空氣中的雜質(zhì)和粉塵應(yīng)及時(shí)清理，避免因?yàn)殚L(zhǎng)期累積造成渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)的情況。

渦輪轉(zhuǎn)速非常高，并且需要一定的周期，因此停車之后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油和冷卻系統(tǒng)需要一定的周期才能真正進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作階段。

另外，定期檢查潤(rùn)滑口外部的油管是否漏油，檢查增壓器的廢氣排出口是否有機(jī)油，防止渦輪增壓器的異響或者不正常的振動(dòng)。

7 結(jié)語

隨著未來高性能、低能耗汽車對(duì)于動(dòng)力性的需求的逐漸增大，渦輪增壓的使用將會(huì)越來越頻繁，貨車和小汽車領(lǐng)域已經(jīng)成為主流。因此，需要從渦輪增壓技術(shù)的結(jié)構(gòu)和原理入手，采用優(yōu)良的設(shè)計(jì)和使用方法，發(fā)揮出渦輪增壓技術(shù)這一項(xiàng)高效減排、低投入高效率的優(yōu)良技術(shù)所能發(fā)揮出的最大效用。

[1] SilvioRisse，劉志堅(jiān).新一代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器解決方案[J].國外鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2017（3）：38-48.

[2] 邢宏祥.小排量汽油機(jī)渦輪增壓匹配研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016.

[3] 姚波善.二沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合增壓方案及增壓特性的仿真分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2016.

[4] 鄒艷.柴油機(jī)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的匹配優(yōu)化及控制策略研究[D].株洲：中南林業(yè)科技大學(xué)，2015.