1、汽車渦輪增壓發(fā)動機技術(shù)應(yīng)用摘要:討論了車用增壓發(fā)動機在低速和加速工況下的各種改善技術(shù)方案及其發(fā)展情況。分析結(jié)果表明,車用渦輪增壓系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景,能更有效地改善發(fā)動機在低速工況的扭矩特性,縮短增壓發(fā)動機的加速滯后期。關(guān)鍵詞:增壓發(fā)動機;渦輪增壓器;加速性;低速工況1渦輪增壓發(fā)動機的工作原理渦輪增壓發(fā)動機是一個空氣壓縮機,它利用發(fā)動機排出的廢氣作為動力來推動位于排氣道內(nèi)的渦輪,渦輪轉(zhuǎn)動的同時帶動位于進氣道內(nèi)同軸的葉輪,葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣,再送入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速加快,高速的廢氣推動渦輪提速,廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速同步加快,空氣壓縮程度得以加大,發(fā)動機的進氣量就相應(yīng)地增加

2、,氣缸內(nèi)燃燒更充分,動力輸出就更高。2渦輪增壓發(fā)動機優(yōu)勢內(nèi)燃機是一種耗氣機械,由于燃油需要與空氣混合才能完成燃燒沖程一旦空燃比達到某一值后,再增加燃油,不但不會產(chǎn)生更多功率,還將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中。發(fā)動機供油越多黑煙就越濃。因此,當(dāng)超過空燃比極限后,繼續(xù)供油不但消耗更多燃油、使柴油機壽命縮短,還會嚴重污染大氣。渦輪增壓的最大優(yōu)點是它可在不增加發(fā)動機排量的基礎(chǔ)上,大幅度提高發(fā)動機的功率非增壓發(fā)動機通過曲軸的運動直接從大氣中吸進空氣而渦輪增壓發(fā)動機由渦輪增壓器向發(fā)動機提供壓縮空氣。由于進入氣缸的空氣增多所以允許噴入較多的燃油使發(fā)動機產(chǎn)生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這意味著一臺尺寸和重

3、量相同的發(fā)動機經(jīng)增壓后可以產(chǎn)生較多的功率或者說一臺小排量發(fā)動機經(jīng)增壓后可產(chǎn)生與較大發(fā)動機相同的功率。由于渦輪增壓器為發(fā)動機提供了更多的空氣燃油在發(fā)動機氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更徹底。其它還有節(jié)約燃油和降低排放等優(yōu)點。渦輪增壓器可使非增壓發(fā)動機在高原上工作時得到氧氣補償發(fā)動機和渦輪增壓器相匹配使進氣管壓力保持海平面大氣壓。而一臺自然吸氣的發(fā)動機隨著海拔高度的增加其功率將下降。增壓系統(tǒng)技術(shù)類型主要由以下幾種。3增壓系統(tǒng)技術(shù)類型3.1輔助能量的渦輪增壓系統(tǒng)輔助能量的渦輪增壓系統(tǒng)研究了電動、機械、風(fēng)動、液力的輔助驅(qū)動渦輪增壓后,單獨驅(qū)動輔助壓氣機即與渦輪增壓器并聯(lián)的電動壓氣機價格相對便宜而且高效,

4、可以很好改善起動及部分負荷性能。另外一種外部供給能量措施,就是在渦輪前設(shè)置補燃室。補燃室的作用是通過燃料在補燃室中定壓燃燒,為發(fā)動機提供各種部分負荷工況下所需的增壓壓力,即向渦輪提供輔助能量。3.2可變截面渦輪增壓系統(tǒng)在常規(guī)的渦輪增壓系統(tǒng)中增壓器的渦輪流通截面是固定的,對要求變工況運行的車用高速內(nèi)燃機來說,會出現(xiàn)低速時供氣不足、高速時增壓過度的情況。可變幾何參數(shù)渦輪增壓器能夠隨發(fā)動機流量的減少相應(yīng)減小渦輪的流通截面,渦輪機可以保持幾乎不變的膨脹比以便提供能量使壓氣機具有足夠的增壓比。它們可以顯著改善發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)速度的突然變化和負荷。可變截面渦輪增壓系統(tǒng)分為可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、軸向移動變

5、截面系統(tǒng)、可變渦輪葉(截面增壓系統(tǒng)。3.3相繼增壓系統(tǒng)相繼增壓系統(tǒng)是采用多臺增壓器,隨著增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的增長,相繼按順序投入運行達到增壓器和發(fā)動機的最佳匹配,從而使發(fā)動機在整個運行區(qū)域內(nèi)有較高的增壓比和較好的經(jīng)濟性。相繼增壓系統(tǒng)有2個氣動控制閥門,分別控制渦輪和壓氣機投入或退出運行。裝在渦輪進口處的稱為燃氣控制閥,裝在壓氣機出口處的為單向空氣閥,它們均由增壓系統(tǒng)控制儀根據(jù)控制模型進行自動控制。隨著發(fā)動機運行工況的變化,由增壓系統(tǒng)控制儀按照控制模型,自動控制增壓器投入或退出運行,使發(fā)動機在高低轉(zhuǎn)速時的聯(lián)合運行線均在壓氣機的高效區(qū),從而使發(fā)動機在全工況有較好的瞬態(tài)響應(yīng)特性,滿足其低速和加速工

6、況要求。 3.4進、排氣旁通和旁通回?zé)嵯到y(tǒng)進氣旁通技術(shù)是為了減少渦輪遲滯,提高發(fā)動機響應(yīng)速度。在增壓器的壓氣機的進出口連接一旁通閥,當(dāng)排氣壓力不足以驅(qū)動渦輪來產(chǎn)生增壓壓力時,進氣通過旁通閥直接進入氣缸,排氣則驅(qū)動渦輪,帶動沒有負載的壓氣機快速達到較高轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機在高速工況運行時,進氣管中空氣增壓壓力超過一定值后旁通閥會立即打開,通過旁通閥將部分廢氣旁通繞過增壓器渦輪,克服了高速時發(fā)動機容易爆燃的缺點;在發(fā)動機低負荷和低的增壓壓力時,廢氣旁通閥關(guān)閉,全部廢氣流過渦輪,使增壓壓力達到最大值。旁通回?zé)嵯到y(tǒng)的目的是改善渦輪增壓發(fā)動機的低速工況性能。發(fā)動機與增壓器按高工況匹配,在部分負荷時打開進排氣旁

7、通閥,使空氣流量加大,提高增壓壓力。3.5二級渦輪增壓系統(tǒng)二級渦輪增壓系統(tǒng)中,2個渦輪增壓器和發(fā)動機在氣路上串聯(lián)起來,一般低壓級采用尺寸較大的增壓器,而高壓級采用尺寸較小的增壓器。兩級渦輪增壓系統(tǒng)在技術(shù)上較為簡單。其主要優(yōu)點是:每級壓氣機后的空冷器使整個壓縮過程向等溫壓縮靠近,整個渦輪增壓器組的總效率提高;整個系統(tǒng)的增壓壓力較高,而每一級的增壓比較低,渦輪增壓器的可靠性提高,噪聲降低,且單級壓氣機有較寬的高效率區(qū)域;對環(huán)境溫度和壓力變化不敏感。3.6機械增壓和渦輪增壓組成復(fù)合增壓系統(tǒng)由渦輪增壓器和機械增壓器組成的復(fù)合增壓系統(tǒng)就是利用了這2種增壓性能優(yōu)缺點的互補性開發(fā)的雙增壓系統(tǒng)。渦輪增壓器和機

8、械增壓器在進氣道中被串聯(lián)在一起。空氣從空氣過濾器進入進氣管后,首先要經(jīng)過機械增壓器,然后通過進氣管引導(dǎo)再經(jīng)過渦輪增壓器,最后進入進氣歧管。它們雖然串聯(lián)在一起,但并不都是同時工作。機械增壓器與發(fā)動機相連接的電磁離合器、排氣旁通閥的開閉均由電子控制。低速和加速時電磁離合器可以迅速連接發(fā)動機的動力,給汽車帶來很好的低轉(zhuǎn)速扭矩,讓起步時動力十足,克服了單渦輪增壓器遲滯的缺陷。在大負荷或滿負荷時,渦輪增壓器可以提供大的增壓比,機械增壓器可以停止工作,防止消耗過多的發(fā)動機功率。4結(jié)論通過對各種渦輪增壓系統(tǒng)與發(fā)動機的高效匹配分析可知改善后的增壓發(fā)動機可明顯改善發(fā)動機的低速扭矩特性和加速延遲期,特別是能恢復(fù)高

9、海拔地區(qū)發(fā)動機的功率。但各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪增壓系統(tǒng)技術(shù)難度大,制造成本高,所以要兼顧各種利弊因素來匹配增壓發(fā)動機。參考文獻4 蘇巖, 李理光, 肖敏等. 可變配氣相位對發(fā)動機性能的影響. 汽車技術(shù), 2000(10:11145 周華張曉輝韓玉環(huán). 汽油機缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)(GDI. 客車技術(shù)與研究,2007, 29(4:28306 錢人一. 增壓技術(shù)和縮小排量策略. 汽車與配件, 2003 (26:318 朱大鑫. 渦輪增壓與渦輪增壓器. 北京: 機械工業(yè)出版社,1997, 7 9 蘇巖,李理光,肖敏等. 國外發(fā)動機可變配氣相位研究進展. 汽車技術(shù), 1999(610 李紅艷. 發(fā)動機無凸輪

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