渦輪增壓技術在汽油發(fā)動機上的應用

1、渦輪增壓技術在汽油發(fā)動機上的應用關鍵詞:渦輪增壓;發(fā)動機功率;扭矩;進氣文章編號:1009-2374 #8197;(2010)25-0022-03 0引言 一般的汽油機采用“自然吸氣”的工作方式,這種方式是利用活塞下行時汽缸內部產生的真空,再借助于外界的大氣壓力,將混合氣壓入汽缸。然而,受各種因素影響汽缸的進氣量很難達到100%。依實測數(shù)據(jù),一般汽油機的容積率約在60%70%。即使設計精良的發(fā)動機也只能達到80%左右。而容積率每提高1%,發(fā)動機的輸出功率約能提高3%。所以最初只應用在航空發(fā)動機、柴油機及賽車用汽油機上的渦輪增壓技術越來越多地出現(xiàn)在普通轎車的汽油機上。 1渦輪增壓器的結構 汽油機

2、渦輪增壓系統(tǒng)是由渦輪增壓器和中冷器兩部分組成,通過渦輪增壓器(一種空氣壓縮機)壓縮空氣,由中冷器對壓縮后的空氣進行冷卻。 渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進氣口與排氣歧管相連,排氣口接在排氣管上;增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連,排氣口接在通往進氣歧管的進氣管路 上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內,二者同軸鋼性聯(lián)接。 中冷器是渦輪增壓系統(tǒng)的一部分?？諝獗桓弑壤龎嚎s后溫度會升高,容積率反而降低。所以,增壓后的空氣在進入汽缸前要對其進行冷卻。原理是在發(fā)動機和渦輪增壓器之間加裝一個散熱器(稱作中央冷卻器,簡稱中冷器),結構類似于水箱散熱器,將高溫高壓空氣分散到許多細小的管道里,管道外有

3、常溫空氣高速流過(有的采用循環(huán)水冷或冷卻風扇),達到降溫的目的(可以將壓縮空氣的溫度從150降到50左右),在提高發(fā)動機功率輸出的同時,降低了發(fā)動機壓縮始點的溫度和整個循環(huán)的平均溫度,從而降低了發(fā)動機的排氣溫度、熱負荷和NOx排放。 2渦輪增壓器的工作原理 廢氣渦輪增壓器的工作原理如圖1所示。發(fā)動機排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上(渦輪室進氣口)。當發(fā)動機排出的具有一定壓力的高溫廢氣經渦輪殼4進入噴嘴環(huán)3時,由于此處面積由大到小,因而廢氣的壓力和溫度下降,流速迅速提高。 高溫高速的廢氣氣流沖擊渦輪2,使渦輪高速旋轉,廢氣的壓力、溫度、流速越高,渦輪轉速也越高。通過渦輪的廢氣最后排入大氣。這時

4、與渦輪2同裝在一根轉子軸5上的壓氣機葉輪9也以相同的速度,將經空氣濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機殼10。高速旋轉的壓氣機葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣,使其速度和壓力增加,并進入形狀做成進口小出口大的擴壓器8,使氣流的速度下降,壓力升高。再通過斷面由小到大的環(huán)形壓氣機殼10,使空氣壓力繼續(xù)升高。最后,高壓空氣流經中冷器11和發(fā)動機進氣管6進入汽缸。由于增大了充氣效率,使燃油燃燒更加充分,在排量不變的情況下使發(fā)動機輸出更大的功率。 3渦輪增壓對汽油機性能的改善 評價渦輪增壓的作用,可稱之為“少吃饃饃多干活”。當1臺汽油機裝上渦輪增壓器后,其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比,可增加大約30%;渦輪增壓汽

5、油機燃燒完全,廢氣中CO、HC和NOx含量明顯減少,CO2的排放與相同功率的自然吸氣發(fā)動機相比減少10%20%;在高海拔地區(qū)能保證充足的空氣供給;在冷啟動時,能使三元催化器更快地進行工作。 表1 發(fā)動機 帕薩特1.8 帕薩特1.8T 邁騰1.8TSI 排量(L) 1.8 1.8 1.8 工作方式 自然吸氣 渦輪增壓 渦輪增壓 最大功率(kw) 85 110 118 升功率(kw/L) 47.22 61.11 65.56 最大功率轉速(rpm) 6500 6000 50006200 最大扭矩(Nm) 172 210 250 升扭矩(Nm/L) 95.56 116.67 138.89 最大扭矩轉速

6、(rpm) 4500 4000 15004200 燃油: 汽油 汽油 汽油 燃油標號 93號 93號 93號 供油方式 多點電噴 多點電噴 直噴 如今汽油機最先進的燃油技術組合為:“進氣渦輪增壓 汽油缸內直噴”。汽油缸內直噴式發(fā)動機的一個好處是隔絕了已燃混合氣向氣缸壁和氣缸蓋的散熱,從而降低了發(fā)動機的熱損耗。 表2 發(fā)動機 速騰1.4TSI 速騰1.6L 速騰2.0L 排量(L) 1.4 1.6 2 工作方式 渦輪增壓 自然吸氣 自然吸氣 最大功率(kw) 96 74 85 升功率(kw/L) 68.57 46.25 42.25 最大功率轉速(rpm) 5000 6000 5200 最大扭矩(

7、Nm) 220 145 170 升扭矩(Nm/L) 157.14 90.63 85 最大扭矩轉速(rpm) 1750-3500 3800 4000 燃油: 汽油 汽油 汽油 燃油標號 93號 93號 93號 供油方式 直噴 多點電噴 多點電噴 4渦輪增壓汽油機的正確使用 渦輪增壓器經常處于高速、高溫下工作,增壓器廢氣渦輪端的溫度在600以上,增壓器的轉速也非常高,達12000rpm以上。因此為了保證渦輪增壓器的正常工作,對它的正確使用和維護十分重要。 渦輪增壓汽油機在使用中的注意事項主要有以下幾點: (1)發(fā)動機起動后,不能立即起步或猛轟油門。一般要怠速運轉3分鐘,特別是在冬季,至少需要熱車5

8、min以上,以使機油溫度升高,流動性能變好,在增壓器轉子高速運轉之前讓潤滑油充分潤滑轉子軸承。同時,發(fā)動機剛起動后,由于機油溫度低、粘度大,如猛轟油門,會使機油壓力過高而損壞增壓器油封。 (2)發(fā)動機熱機狀態(tài)下不能立即熄火(未單獨安裝增壓器冷卻系統(tǒng)的發(fā)動機)。渦輪增壓器的轉子軸承是靠一定壓力的機油來潤滑和冷卻的。熱機狀態(tài)下的發(fā)動機如突然熄火,機油壓力會迅速降低,則增壓器渦輪部分的溫度會迅速上升。同時增壓器轉子仍在慣性作用下高速旋轉,這樣就會造成渦輪增壓器轉子軸與軸承“咬死”而損壞軸承和軸。 發(fā)動機突然熄火后,排氣歧管上的熱量會被吸收到渦輪增壓器殼體上,將停留在增壓器內部的機油熬成積炭,阻塞進油

9、口,導致軸承缺油,加速渦輪轉軸與軸承之間的磨損。因此發(fā)動機熄火前應怠速運轉35min,使渦輪增壓器的溫度和轉子的轉速下降。特別要防止猛踩幾腳油門后突然熄火。 一汽大眾速騰1.8T車型加裝了延時熄火裝置來保護渦輪增壓系統(tǒng)。 此外值得注意的是渦輪增壓發(fā)動機不適宜長時間怠速運轉,一般應限制在10min之內,否則會因為機油壓力過低造成轉子軸承潤滑不良而損壞。 (3)嚴禁采用“加速熄火空擋滑行”的操作方法,因發(fā)動機在全負荷高溫下突然熄火,機油泵停止工作,潤滑油不能帶走增壓器內零件的熱量,會導致增壓器的損壞。 (4)使用廠家規(guī)定牌號機油,并定期更換機油及機濾;增壓器的潤滑油管線在高溫作用下內部機油容易結焦

10、,應定期進行清洗。 (5)定期清潔或更換空氣濾清器,防止灰塵等雜質進入高速旋轉的壓氣機葉輪,造成轉速不穩(wěn)或軸套和密封件加速磨損。 (6)檢查渦輪增壓器的運轉情況。在出車前、收車后,應檢查發(fā)動機進氣管路的連接部分,防止出現(xiàn)松動、脫落情況造成渦輪增壓器失效或空氣短路直接進入氣缸。檢查渦輪增壓器是否有漏油、漏氣現(xiàn)象;增壓器殼體是否有過熱、變色、裂紋等現(xiàn)象,如有立即查明原因加以排除或更換。當渦輪增壓器出現(xiàn)異響時,決不能繼續(xù)使用,應找出原因,加以排除。 5結語 隨著科技的進步,渦輪增壓器已經變得部件更少、體積更小、轉速更高,空氣壓縮比更優(yōu)。歐洲裝備渦輪增壓器的汽車發(fā)動機已經占到汽車市場的50%,渦輪增壓發(fā)動機已經成為提高發(fā)動機動力性能的主流方向。我國轎車市場正步入使用渦輪增壓技術的黃金時期,渦輪增壓器在不斷改善汽車性能的同時,也將為環(huán)保和節(jié)能做出更多的貢獻。 參考文獻 1 馬明芳.電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結構與工作原理J.汽車運用,2008,(5). 2 陳炳春.奧迪轎車電噴系統(tǒng)維護M.中國勞動社會保障出版社,2005. 3 竇美玲.大眾TSI技術解析J.時代汽車,2007,(9). 5 阿布.解析FSITFS