渦輪增壓技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

1、渦輪增壓技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用關(guān)鍵詞:渦輪增壓;發(fā)動(dòng)機(jī)功率;扭矩;進(jìn)氣文章編號(hào):1009-2374 #8197;(2010)25-0022-03 0引言 一般的汽油機(jī)采用“自然吸氣”的工作方式,這種方式是利用活塞下行時(shí)汽缸內(nèi)部產(chǎn)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(jìn)氣量很難達(dá)到100%。依實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),一般汽油機(jī)的容積率約在60%70%。即使設(shè)計(jì)精良的發(fā)動(dòng)機(jī)也只能達(dá)到80%左右。而容積率每提高1%,發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率約能提高3%。所以最初只應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)及賽車用汽油機(jī)上的渦輪增壓技術(shù)越來(lái)越多地出現(xiàn)在普通轎車的汽油機(jī)上。 1渦輪增壓器的結(jié)構(gòu) 汽油機(jī)

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(guò)渦輪增壓器(一種空氣壓縮機(jī))壓縮空氣,由中冷器對(duì)壓縮后的空氣進(jìn)行冷卻。 渦輪增壓器由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進(jìn)氣口與排氣歧管相連,排氣口接在排氣管上;增壓器的進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連,排氣口接在通往進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣管路 上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內(nèi),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(huì)升高,容積率反而降低。所以,增壓后的空氣在進(jìn)入汽缸前要對(duì)其進(jìn)行冷卻。原理是在發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器之間加裝一個(gè)散熱器(稱作中央冷卻器,簡(jiǎn)稱中冷器),結(jié)構(gòu)類似于水箱散熱器,將高溫高壓空氣分散到許多細(xì)小的管道里,管道外有

3、常溫空氣高速流過(guò)(有的采用循環(huán)水冷或冷卻風(fēng)扇),達(dá)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(dòng)機(jī)功率輸出的同時(shí),降低了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮始點(diǎn)的溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度,從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、熱負(fù)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(dòng)機(jī)排氣管1接在渦輪增壓器的渦輪殼4上(渦輪室進(jìn)氣口)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定壓力的高溫廢氣經(jīng)渦輪殼4進(jìn)入噴嘴環(huán)3時(shí),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(zhuǎn),廢氣的壓力、溫度、流速越高,渦輪轉(zhuǎn)速也越高。通過(guò)渦輪的廢氣最后排入大氣。這時(shí)

4、與渦輪2同裝在一根轉(zhuǎn)子軸5上的壓氣機(jī)葉輪9也以相同的速度,將經(jīng)空氣濾清器濾清過(guò)的空氣吸入壓氣機(jī)殼10。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪9把空氣甩向葉輪的外緣,使其速度和壓力增加,并進(jìn)入形狀做成進(jìn)口小出口大的擴(kuò)壓器8,使氣流的速度下降,壓力升高。再通過(guò)斷面由小到大的環(huán)形壓氣機(jī)殼10,使空氣壓力繼續(xù)升高。最后,高壓空氣流經(jīng)中冷器11和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管6進(jìn)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(dòng)機(jī)輸出更大的功率。 3渦輪增壓對(duì)汽油機(jī)性能的改善 評(píng)價(jià)渦輪增壓的作用,可稱之為“少吃饃饃多干活”。當(dāng)1臺(tái)汽油機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí),能使三元催化器更快地進(jìn)行工作。 表1 發(fā)動(dòng)機(jī) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)速

6、(rpm) 4500 4000 15004200 燃油: 汽油 汽油 汽油 燃油標(biāo)號(hào) 93號(hào) 93號(hào) 93號(hào) 供油方式 多點(diǎn)電噴 多點(diǎn)電噴 直噴 如今汽油機(jī)最先進(jìn)的燃油技術(shù)組合為:“進(jìn)氣渦輪增壓 汽油缸內(nèi)直噴”。汽油缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)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(dòng)機(jī)的熱損耗。 表2 發(fā)動(dòng)機(jī) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)速(rpm) 1750-3500 3800 4000 燃油: 汽油 汽油 汽油 燃油標(biāo)號(hào) 93號(hào) 93號(hào) 93號(hào) 供油方式 直噴 多點(diǎn)電噴 多點(diǎn)電噴 4渦輪增壓汽油機(jī)的正確使用 渦輪增壓器經(jīng)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(zhuǎn)速也非常高,達(dá)12000rpm以上。因此為了保證渦輪增壓器的正常工作,對(duì)它的正確使用和維護(hù)十分重要。 渦輪增壓汽油機(jī)在使用中的注意事項(xiàng)主要有以下幾點(diǎn): (1)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,不能立即起步或猛轟油門。一般要怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3分鐘,特別是在冬季,至少需要熱車5

8、min以上,以使機(jī)油溫度升高,流動(dòng)性能變好,在增壓器轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)之前讓潤(rùn)滑油充分潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子軸承。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)后,由于機(jī)油溫度低、粘度大,如猛轟油門,會(huì)使機(jī)油壓力過(guò)高而損壞增壓器油封。 (2)發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)狀態(tài)下不能立即熄火(未單獨(dú)安裝增壓器冷卻系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī))。渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子軸承是靠一定壓力的機(jī)油來(lái)潤(rùn)滑和冷卻的。熱機(jī)狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)如突然熄火,機(jī)油壓力會(huì)迅速降低,則增壓器渦輪部分的溫度會(huì)迅速上升。同時(shí)增壓器轉(zhuǎn)子仍在慣性作用下高速旋轉(zhuǎn),這樣就會(huì)造成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸與軸承“咬死”而損壞軸承和軸。 發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火后,排氣歧管上的熱量會(huì)被吸收到渦輪增壓器殼體上,將停留在增壓器內(nèi)部的機(jī)油熬成積炭,阻塞進(jìn)油

9、口,導(dǎo)致軸承缺油,加速渦輪轉(zhuǎn)軸與軸承之間的磨損。因此發(fā)動(dòng)機(jī)熄火前應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)35min,使渦輪增壓器的溫度和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shí)熄火裝置來(lái)保護(hù)渦輪增壓系統(tǒng)。 此外值得注意的是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不適宜長(zhǎng)時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn),一般應(yīng)限制在10min之內(nèi),否則會(huì)因?yàn)闄C(jī)油壓力過(guò)低造成轉(zhuǎn)子軸承潤(rùn)滑不良而損壞。 (3)嚴(yán)禁采用“加速熄火空擋滑行”的操作方法,因發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷高溫下突然熄火,機(jī)油泵停止工作,潤(rùn)滑油不能帶走增壓器內(nèi)零件的熱量,會(huì)導(dǎo)致增壓器的損壞。 (4)使用廠家規(guī)定牌號(hào)機(jī)油,并定期更換機(jī)油及機(jī)濾;增壓器的潤(rùn)滑油管線在高溫作用下內(nèi)部機(jī)油容易結(jié)焦

10、,應(yīng)定期進(jìn)行清洗。 (5)定期清潔或更換空氣濾清器,防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪,造成轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)情況。在出車前、收車后,應(yīng)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的連接部分,防止出現(xiàn)松動(dòng)、脫落情況造成渦輪增壓器失效或空氣短路直接進(jìn)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(guò)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(dāng)渦輪增壓器出現(xiàn)異響時(shí),決不能繼續(xù)使用,應(yīng)找出原因,加以排除。 5結(jié)語(yǔ) 隨著科技的進(jìn)步,渦輪增壓器已經(jīng)變得部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)已經(jīng)占到汽車市場(chǎng)的50%,渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的主流方向。我國(guó)轎車市場(chǎng)正步入使用渦輪增壓技術(shù)的黃金時(shí)期,渦輪增壓器在不斷改善汽車性能的同時(shí),也將為環(huán)保和節(jié)能做出更多的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 1 馬明芳.電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理J.汽車運(yùn)用,2008,(5). 2 陳炳春.奧迪轎車電噴系統(tǒng)維護(hù)M.中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2005. 3 竇美玲.大眾TSI技術(shù)解析J.時(shí)代汽車,2007,(9). 5 阿布.解析FSITFS