汽油機(jī)廢氣渦輪增壓存在障礙及對策

1、車用汽油機(jī)廢氣渦輪增壓存在障礙及對策安徽蚌埠汽車管理學(xué)院內(nèi)燃機(jī)教研室朱會田彭生輝戴啟清(蚌埠233011摘要本文簡要介紹了汽油機(jī)廢氣渦輪增壓的特點(diǎn),重點(diǎn)分析了汽油機(jī)廢氣渦輪增壓存在的障礙,即汽油機(jī)增壓易發(fā)生爆燃、汽油機(jī)增壓熱負(fù)荷大、汽油機(jī)與增壓器匹配困難等及解決障礙的措施。關(guān)鍵詞汽油機(jī)廢氣渦輪增壓障礙對策Impediment and Countermeasure on the Exhast2G asTurbocharge for E nginesAutom obile Management C ollege of the P LAZhu H uitianPeng ShenghuiDai Q i

2、qing(Bengbu233011AbstractBy sim ply introducing the characteristics of the exhaust2gas turbocharging for gas oline engine,the paper analysises im pediment on the turbocharging for engine exhaust2gas in detail,such as deflagrate,burthen of heat, difficult to engine matching and countermeasure to res

3、olve the im pediment on the exhaust2gas turbocharge for en2 gine.K ey w ordsG as oline engineTurbochargingIm pedimentC ountermeasure1前言廢氣渦輪增壓技術(shù)和廢氣渦輪增壓器在柴油車上已得到大量的使用,這是柴油車發(fā)展的一種必然趨勢。但是車用汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)存在不少問題和障礙,這些問題和障礙限制了廢氣渦輪增壓技術(shù)在車用汽油機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展。1.1車用汽油機(jī)采用廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)汽油機(jī)增壓后動力性能得到較大的提高,對高原地區(qū)工作的適應(yīng)性、C O和HC的排放、噪音等性

4、能均能得到不同程度的改善。與柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓相比,汽油機(jī)采用廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)是:柴油機(jī)為壓縮自燃發(fā)火,在壓縮過程中被壓縮的是純空氣,壓縮終點(diǎn)不會發(fā)生爆燃;汽油機(jī)在壓縮過程中被壓縮的是油氣混合物,壓縮終了溫度過高就會產(chǎn)生爆燃,這給汽油提高增壓比k帶來了嚴(yán)格的限制。柴油機(jī)混合氣形成是通過劇烈的空氣攪動和高噴射率的噴油泵在壓縮上止點(diǎn)附近很短的時(shí)間內(nèi)完成的,且邊噴油、邊混合、邊燃燒;汽油機(jī)混合氣的形成是依靠化油器喉管所造成的真空吸力和汽油的蒸發(fā)、擴(kuò)散、霧化作用混合(化油器式燃油供給系統(tǒng)或電磁式噴油器在進(jìn)氣過程噴油并與空氣在整個(gè)進(jìn)氣過程中混合完成(汽油噴射式燃油供給系統(tǒng)的。汽油機(jī)壓縮比<1

5、0,過量空氣系數(shù)=0185 1115,如果及超出這些范圍,汽油機(jī)的工作會不正常,如起動困難、怠速不穩(wěn)、中速經(jīng)濟(jì)性差、加速不良等。在汽油機(jī)增壓后的變工況情況下,要控制和范圍就必須精心地調(diào)整燃油供給系統(tǒng)的供油特性曲線,進(jìn)行增壓器與汽油機(jī)的良好匹配。進(jìn)入汽油機(jī)氣缸的是油氣混合物,不能象柴油機(jī)那樣可以通過增大氣門疊開角m(m=+,進(jìn)氣提前角;排氣延遲角來盡可能地掃除氣缸內(nèi)殘余的廢氣。因而汽油機(jī)不能組織合理的掃氣,與柴油機(jī)相比會使缸內(nèi)廢氣量增加,同時(shí)也不利于高溫機(jī)件(如活塞頂部、氣門、氣缸熱負(fù)荷的降低。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬,一般為8006000r/min;而柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在為8004000r/min之間

6、,給增壓器性能及增壓器與汽油機(jī)的匹配帶來了新的要求。2汽油機(jī)增壓主要障礙綜上所述,汽油機(jī)采用增壓技術(shù)與柴油機(jī)相比存在一些障礙,表現(xiàn)為:2.1汽油機(jī)增壓易發(fā)生爆燃83小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車N o14(V ol1312002增壓使壓縮終了混合氣的溫度、壓力趨于升高,致使爆燃的傾向增大。汽油機(jī)由于受爆燃限制,壓縮比較低,因而造成膨脹不充分,致使排氣溫度較高,熱效率下降。2.2汽油機(jī)增壓熱負(fù)荷大汽油機(jī)混合氣的濃度范圍窄(過量空氣系數(shù)= 0185111,燃燒時(shí)的過量空氣少,造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大;同時(shí),汽油機(jī)又不能通過提高氣門重疊角m加大掃氣來冷卻受熱零件(如氣門、燃燒室等,造成汽油機(jī)在增壓后的熱負(fù)荷

7、偏高。汽油機(jī)增壓后熱負(fù)荷大又促使爆燃傾向的發(fā)生。2.3汽油機(jī)與增壓器匹配困難與柴油機(jī)相比,汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍寬,從低速到高速混合氣質(zhì)量流量變化大。當(dāng)節(jié)氣門突然開大時(shí),增壓器響應(yīng)滯后造成動力響應(yīng)的滯后;汽油機(jī)增壓后發(fā)動機(jī)排氣溫度高,易造成增壓器損壞,并出現(xiàn)低速時(shí)增壓壓力不足,高速時(shí)增壓壓力過高及壽命降低的情況。3汽油機(jī)渦輪增壓的對策3.1汽油機(jī)增壓爆燃的解決措施要解決汽油機(jī)增壓存在的障礙,首先要在不能影響汽油機(jī)的其它性能的條件下防止爆燃和控制增壓壓力。引起汽油機(jī)爆燃的原因是由于壓縮終了溫度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(dá)前達(dá)到自身燃點(diǎn)而發(fā)生自燃現(xiàn)

8、象。因而一切能夠降低壓縮終了溫度Ta的方法均可以達(dá)到限制爆燃的目的。其具體措施有:降低壓縮比可以降低壓縮終了混合氣的溫度T a,控制爆燃的發(fā)生,這是增壓后解決爆燃的常用方法。實(shí)驗(yàn)證明:自然吸氣發(fā)動機(jī)原機(jī)壓縮比為910,將壓縮比減小到617,就可以不做其他調(diào)整而有效地控制爆燃。但是,降低壓縮比會使膨脹功減少,廢氣余量增加,排氣溫度相對升高,熱效率下降的問題可以通過廢氣的能量在渦輪中得到回收利用來補(bǔ)充。對于增壓汽油機(jī)適當(dāng)降低壓縮比,并利用爆燃傳感器來監(jiān)測發(fā)動機(jī)的爆燃情況,由EC U適時(shí)地根據(jù)爆燃強(qiáng)度推遲點(diǎn)火定時(shí),可以使燃燒最高壓力Pmax相對降低,使發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷不致過高。增壓后增壓器出口溫度(

9、進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣溫度 T k與自然吸式進(jìn)氣溫度(接近大氣溫度相比要高很多。增壓中冷就是在增壓器出口與進(jìn)氣管之間加裝中間冷卻器,對進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行冷卻。通過增壓中冷可以有效地降低壓氣機(jī)后氣體的溫度,提高氣體密度,增加混合氣的濃度。通過增壓后進(jìn)行中冷,若使進(jìn)氣溫度冷卻至60,即使壓縮比為811,發(fā)動機(jī)仍然不會發(fā)生爆燃;同時(shí),根據(jù)發(fā)動機(jī)平均有效壓力Pe的計(jì)算公式:Pe=KP kT kvim(kPa式中:K常數(shù);大小取決于燃料低熱值Hn、氣體通用常數(shù)R、理論空氣量L。P k壓氣機(jī)出口壓力T k壓氣機(jī)出口溫度v充氣系數(shù)i指示熱效率m機(jī)械效率可以看出:采用增壓中冷降低Tk,可以提高P e。由公式:Ne=P

10、 eV hni30(kW(式中:V h氣缸工作容積n發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速i氣缸數(shù)目每循環(huán)行程數(shù),4行程機(jī):=4;2行程機(jī):=2可以看出:提高Pe可以有效地提高發(fā)動機(jī)的有效功率Ne。因此,采用增壓中冷可以通過采用最佳供油定時(shí),提高發(fā)動機(jī)的有效功率,減少尾氣中的NOx排放,冷卻高溫機(jī)件,并可以延長零部件的使用壽命。目前采用的中冷系統(tǒng)有以下幾種:(1用發(fā)動機(jī)冷卻水冷卻的水冷卻器系統(tǒng);(2與發(fā)動機(jī)冷卻水分開的水循環(huán)冷卻系統(tǒng),使汽油機(jī)在高速高負(fù)荷工況下能得到較好的經(jīng)濟(jì)性和功率輸出,并降低其熱負(fù)荷;(3冷卻器和散熱器共用同一個(gè)風(fēng)扇的空2空中冷系統(tǒng);(4由自由渦輪帶動風(fēng)扇冷卻器的分隔式空2空中冷系統(tǒng)。上述4種冷卻方案

11、中,第1種方案最簡單,但效率也低;第2種方案最先進(jìn);方案4的最大優(yōu)點(diǎn)是中冷器布置的靈活性,特別是對于原機(jī)改進(jìn)增壓設(shè)計(jì)比較方便。如改善燃燒室結(jié)構(gòu),縮短火焰行程的距離,使火焰前鋒到達(dá)末端混合氣的時(shí)間變短;燃用高辛烷值的汽油,提高發(fā)動機(jī)抗爆性;減小點(diǎn)火提前角;采用雙火花塞提高點(diǎn)火能量等,這些措施均可以在一定程度上降低汽油機(jī)增壓后發(fā)生爆燃的可能性。932002年(第31卷第4期車用汽油機(jī)廢氣渦輪增壓存在障礙及對策目前,有效的措施是采用爆燃傳感器反饋控制的電子控制汽油噴射系統(tǒng)來自動控制發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火正時(shí),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火正時(shí)的最優(yōu)化,有效地防止爆燃。3.2汽油機(jī)增壓熱負(fù)荷高的對策汽油機(jī)增壓后溫度要比自然吸式的高出

12、幾十度甚至上百度,這就使得發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加,使爆燃傾向增加;使進(jìn)氣密度下降,每循環(huán)進(jìn)氣量減少,造成發(fā)動機(jī)功率下降;同時(shí),增壓熱負(fù)荷高,要求提高增壓器渦輪材料性能,即具有耐高溫性,并且熱膨脹系數(shù)要小?，F(xiàn)在解決熱負(fù)荷高的辦法有:(1渦輪轉(zhuǎn)子和壓氣機(jī)采用耐熱材料。渦輪轉(zhuǎn)子的陶瓷化材料具有良好的高溫強(qiáng)度、高耐蝕性、高耐磨性、低膨脹系數(shù)和低密度(約等于鋼鐵的1/2等特點(diǎn),可以有效地提高熱效率,降低能耗。目前,應(yīng)用陶瓷材料代替Ni基耐熱合金制造渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子,利用碳纖維強(qiáng)化樹脂PK U制造壓氣機(jī)葉綸,以代替以往使用的鋁合金材料,它具有良好的耐蠕變性、耐腐蝕性、耐磨損性和熱伸縮性小(-65105之間無伸縮

13、等特點(diǎn),適合于壓氣機(jī)葉輪的使用環(huán)境,并且取得了良好的效果。(2安裝中冷裝置可以降低壓氣機(jī)出口溫度,并可減少NOx排放。(3采用汽油直接噴射(缸內(nèi)噴射技術(shù)(如三菱公司生產(chǎn)的G DI發(fā)動機(jī)可以提高氣門疊開角m,利用新鮮氣體對高溫機(jī)件進(jìn)行吹洗冷卻,降低發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷。汽油機(jī)爆燃和熱負(fù)荷問題彼此之間相互聯(lián)系,又相互影響,最常用最可靠的措施是安裝中冷器。安裝中冷器,既可以降低渦輪增壓器出口溫度Tk,使壓縮終了溫度Ta降低,降低爆燃傾向;還可以降低發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷,提高增壓器使用壽命;同時(shí),Ta的降低,有利于降低燃燒最高溫度,減少NOx的排放。3.3汽油機(jī)與增壓器匹配的對策車用汽油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍較寬,發(fā)動機(jī)

14、進(jìn)氣質(zhì)量流量的變化范圍也較寬,這就要求增壓器具有較寬廣的流量范圍,以適應(yīng)車用汽油機(jī)的要求。車用汽油機(jī)增壓要求在部分負(fù)荷和部分轉(zhuǎn)速工況下具有良好的扭矩特性及動態(tài)響應(yīng)特性,要求汽油機(jī)在匹配渦輪增壓器時(shí)其基本匹配點(diǎn)必須選擇在部分工況,然而這會導(dǎo)致額定工況時(shí)增壓壓力過高。因此,要使車用汽油機(jī)在渦輪增壓后能在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持一定的扭矩儲備,避免低效率壓縮而導(dǎo)致進(jìn)氣溫度過高,而且又能在額定增壓壓力下溫度不致于過高而引起爆燃,因此需要對增壓壓力進(jìn)行控制。對增壓壓力進(jìn)行控制可以采用:(1采用進(jìn)氣減壓閥和排氣放氣閥,這種方法可以使發(fā)動機(jī)的全部工況幾乎處在增壓器壓氣機(jī)的高效率區(qū)內(nèi)。(2采用變截面的渦輪,改變渦輪

15、進(jìn)口廢氣壓力來改變增壓器的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對增壓壓力的控制。(3排氣管噴水,在發(fā)動機(jī)處于高負(fù)荷時(shí),向排氣管噴入適量的水,通過冷卻水的汽化吸熱來降低排氣溫度,使增壓器轉(zhuǎn)速降低,降低增壓壓力。(4采用雙渦輪增壓器。渦輪增壓汽油機(jī)在響應(yīng)滯后方面比柴油機(jī)更突出,原因是:(1汽油機(jī)質(zhì)量較輕、體積較小,較輕的飛輪使汽油機(jī)速度比柴油機(jī)響應(yīng)更靈敏,而渦輪增壓器質(zhì)量大、慣性大,這增加了汽油機(jī)混合氣供給的延遲,造成了渦輪增壓器響應(yīng)的滯后,稱為“慣性滯后”。(2汽油機(jī)從節(jié)氣門關(guān)閉的低怠速到節(jié)氣門全開時(shí)的全速,其進(jìn)氣質(zhì)量流量范圍非常寬廣。節(jié)氣門突然打開時(shí),空氣流量應(yīng)能迅速地增加,渦輪增壓器不能立即提高轉(zhuǎn)速以提供足夠壓力容積(足夠質(zhì)量的混合氣充滿進(jìn)氣管,造成“熱滯后”?！跋睖u輪增壓器響應(yīng)滯后的措施應(yīng)對渦輪增壓器的慣性、點(diǎn)火正時(shí)、增壓壓力控制系統(tǒng),進(jìn)排氣系統(tǒng)的長度和直徑以及節(jié)氣門位置進(jìn)行良好匹配。如節(jié)氣門置于壓氣機(jī)之前的響應(yīng)能力與置于其后相比,可以防止當(dāng)車輛突然換檔發(fā)動機(jī)被拖動時(shí)壓氣機(jī)發(fā)生喘振;選擇較小的渦輪進(jìn)口截面,減少節(jié)氣門和進(jìn)氣門管道之間的容積,