廢氣渦輪增壓技術(shù)的原理及發(fā)展現(xiàn)狀

1、廢氣渦輪增壓技術(shù)的原理及發(fā)展現(xiàn)狀摘要：主要介紹了廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，并闡述了渦輪增壓器的設(shè)計考慮因素、改進措施以及柴油機渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵字：渦輪增壓；設(shè)計考慮因素；改進措施；發(fā)展現(xiàn)狀中圖分類號：TK421.80 引言增壓，就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣進行壓縮，再送入發(fā)動機氣缸的過程。增壓后，每循環(huán)進入氣缸內(nèi)的新鮮充量密度增大，使實際充氣量增加，從而達(dá)到提高發(fā)動機功率和改善經(jīng)濟性能的目的。發(fā)動機的有效功率為 (1)式中i缸數(shù)；Pme平均有效壓力；Vh工作容積；n發(fā)動機的轉(zhuǎn)速沖程數(shù)；1 由此可知提高發(fā)動機功率的方法: （一）改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加缸數(shù)i，增大缸徑

2、D、活塞沖程S, 減少沖程數(shù)t； （二）提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速n及活塞平均運行速度； （三）提高平均有效壓力。1 廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理1.1 廢氣渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)廢氣渦輪增壓器一般由單級離心式壓氣機和單級軸式渦輪機或徑流式渦輪機組成為機組，并分別稱為軸流式廢氣渦輪增壓器和徑流式廢氣渦輪增壓器。壓氣機和渦輪機二者的工作輪裝在同一根軸上，稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由發(fā)動機排出的廢氣驅(qū)動。這種渦輪增壓器工作的條件，除壓氣機和渦輪機的轉(zhuǎn)速相同外，在任何工況下其效率也是相同的。渦輪增壓器按轉(zhuǎn)子的支承情況有各種不同結(jié)構(gòu)方案，最常見的有幾種：（一）外雙支承式 即轉(zhuǎn)子兩端有支撐，這種方案亦稱無懸臂式支承，在軸

3、流式大型渦輪增壓器上應(yīng)用最廣。（二）雙內(nèi)支承式 即二個軸承都放在葉輪里面，所以又叫懸臂支承，這樣可保證渦輪增壓器的尺寸小、重量輕。這種結(jié)構(gòu)形式在小型徑流式渦輪增壓器上應(yīng)用最廣。（三）單懸臂式支承 即壓氣機的工作輪呈懸臂布置，轉(zhuǎn)子支點在渦輪機工作輪的兩側(cè)。這種方案可使壓氣機進口損失最小和渦輪結(jié)構(gòu)緊湊，因此應(yīng)用也較廣。（四）懸臂支撐 壓氣機和徑流式渦輪機的工作輪緊挨著，像是兩面部有葉輪的工作艙，所以又稱單轉(zhuǎn)子。1.2 廢氣渦輪增壓器的工作原理渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管

4、道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率了2。圖1壓縮機是一種離心泵，它在葉片的中心位置吸入空氣，并在旋轉(zhuǎn)時將空氣甩到外面。為了適應(yīng)高達(dá)150,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，必須小心支撐渦輪軸。大部分軸承在這樣的高速下會爆炸，所以絕大多數(shù)的渦輪增壓機使用的是液壓軸承。這類軸承能使軸浮于一層薄薄的油膜上，這些油從軸四周恒定抽入。這可以起到兩個作用：一方面能夠降低軸和一些其他渦輪增壓機部件的溫度，另一方面能夠減小軸在旋轉(zhuǎn)時遇到的摩擦

5、。 圖21.3 增壓發(fā)動機的特點（一）進氣增壓可以提高發(fā)動機的升功率。（二）功率相同時，發(fā)動機的空間尺寸減少，質(zhì)量減輕，這有利于提高車用發(fā)動機的經(jīng)濟性。（三）通過增壓器的合理設(shè)計，可以將扭矩特性改進為低速高扭矩，這對車用發(fā)動機非常有利。（四）在達(dá)到額定輸出功率時，摩擦損耗相對較小，在部分負(fù)荷時，增壓發(fā)動機的工況更接近最大效率設(shè)計工況點。（五）可通過增壓度來彌補隨行駛地區(qū)海拔高度升高而導(dǎo)致的功率下降。（六）降低噪聲。柴油機增壓后，由于混合氣工作溫度升高，著火延遲期縮短，燃燒過程變得柔和，對直噴式柴油機更是有利。（七）通過增壓可以降低有害氣體排放。（八）機械損失減少，經(jīng)濟性得到改善。（九）增壓機主

6、要零部件的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷均增加。2 渦輪增壓器的設(shè)計考慮因素2.1 減少渦輪延時渦輪增壓器的一個主要問題是：當(dāng)踩下油門時，發(fā)動機不會立即產(chǎn)生增壓，而是需要幾秒時間使渦輪提升轉(zhuǎn)速，之后才能產(chǎn)生增壓。這樣就產(chǎn)生了延時感，即踩下油門后，要等渦輪轉(zhuǎn)速上升，汽車才會加速前進。 減少渦輪延時的方法之一是減小旋轉(zhuǎn)件的慣性，這主要通過減少旋轉(zhuǎn)件的重量來實現(xiàn)。這樣就使渦輪和壓縮機能夠更快地加速，更快地產(chǎn)生增壓。減小渦輪增壓器的尺寸是降低渦輪及壓縮機慣性的一個有效方法。小型渦輪增壓器在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時能更快地產(chǎn)生增壓，但無法在發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速、更多空氣進入發(fā)動機時產(chǎn)生更多的增壓。同時，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，更多的尾氣

7、會經(jīng)過渦輪，還可能存在使渦輪轉(zhuǎn)速過快的危險。大型渦輪可以在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較多的增壓，但因為其渦輪和壓縮機偏重，以致加速緩慢，從而產(chǎn)生較嚴(yán)重的渦輪延時。為了降低渦輪延時，可以采取如下的方法。多數(shù)渦輪增壓器都有一個廢氣泄放閥，由于它的存在，我們可在采用小型渦輪增壓器降低增壓延時的同時，防止發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時渦輪旋轉(zhuǎn)過快。廢氣泄放閥是一個閥門，它使排出的廢氣繞過渦輪葉片。 廢氣泄放閥能感知增壓壓力。如果壓力過高，廢氣泄放閥就會指示渦輪旋轉(zhuǎn)太快，此時廢氣泄放閥使一部分尾氣經(jīng)過渦輪葉片，從而降低渦輪葉片的轉(zhuǎn)速。一些渦輪增壓器用滾珠軸承代替液壓軸承來支承渦輪軸。但它們不是普通的滾珠軸承，而是用高級材料

8、制造出的高精度軸承，用以應(yīng)對渦輪增壓器的速度和溫度。渦輪軸旋轉(zhuǎn)時，這類滾珠軸承承受的摩擦力小于大多數(shù)渦輪增壓器液壓軸承中的摩擦力。 同時還允許使用略小、略輕的軸。這樣渦輪增壓器加速更快，進一步降低了渦輪延時。陶瓷渦輪葉片比大多數(shù)渦輪增壓器中使用的鋼制渦輪葉片要輕。同樣，這也使渦輪能更快地加速，從而降低渦輪延時。有些發(fā)動機同時使用兩個不同尺寸的渦輪增壓器。較小的一個可較快地加大轉(zhuǎn)速，降低渦輪延時，而較大的一個在發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生更多增壓。2.2 進氣中冷空氣被壓縮時，溫度升高；而空氣溫度升高時，就會發(fā)生膨脹。因此當(dāng)使用渦輪增壓時，空氣在進入發(fā)動機前就已經(jīng)因為壓縮生熱而產(chǎn)生了一些膨脹。為了提升

9、發(fā)動機動力，需要使更多的空氣分子進入氣缸，而并不一定要產(chǎn)生更多的氣壓。中間冷卻器或進氣冷卻器是外觀像散熱器一樣的附加組件，只不過空氣同時從中間冷卻器的內(nèi)部和外部經(jīng)過。渦輪吸入的空氣通過密封管路流過冷卻器，而發(fā)動機冷卻風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)從它外部的散熱片流過。在來自壓縮機的壓縮空氣進入發(fā)動機之前，中間冷卻器會將其冷卻，從而進一步提升發(fā)動機的動力。這意味著，如果渦輪增壓機在337千帕的增壓下運轉(zhuǎn)，中間冷卻器就會產(chǎn)生337千帕溫度更低的空氣，這些空氣密度更高，含有的空氣分子比溫度較高的同氣壓空氣多。3 渦輪增壓器的改進措施3.1 現(xiàn)代化設(shè)計方法和制造技術(shù)方面在渦輪增壓器的設(shè)計方法上，利用計算機進行壓氣機和

10、渦輪的空氣動力學(xué)計算、流場分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在國外已展開多年。一些發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)60年代中后期就已開始利用計算機進行徑渦輪的空氣動力學(xué)與三元流場分析，隨后又利用計算機進行離心式壓氣機的空氣動力學(xué)計算、三元流場分析、葉輪及葉型設(shè)計和強度分析等。目前，國外主要增壓器生產(chǎn)廠家都已擁有先進的CAD/CAM和CAT系統(tǒng)，并采用有限元法和先進的激光測試技術(shù)來進行3-D粘性流動的建模和驗證分析。增壓器的加工制造技術(shù)近年來也發(fā)展很快，國外于20世紀(jì)70年代末成功地將“硅橡膠”技術(shù)用于鑄造小型后彎壓氣機葉輪；到20世紀(jì)80年代初期，世界各大增壓器公司相繼推出了帶后彎壓氣機葉輪的新型增壓器。KKK公司采用五軸數(shù)

11、控銑床，銑削加工鍛鋁后彎葉輪，強度比鑄鋁好，且在輪盤通道上保留銑削刀痕，可以減少二次流，有利于改善性能。3.2 新材料的應(yīng)用方面鈦鋁合金材料具有密度小、高溫強度及抗氧化性好等優(yōu)點，應(yīng)用于渦輪增壓器可以降低渦輪的轉(zhuǎn)動慣量，改善響應(yīng)特性，消除增壓柴油機在加速瞬間冒黑煙現(xiàn)象。目前其他一些新的輕質(zhì)合金材料也在研制中。另外，在增壓器上也開發(fā)使用了陶瓷渦輪，由于陶瓷渦輪的質(zhì)量較輕，渦輪箱的壁厚能被設(shè)計得很薄，在保持包容性不變的前提下可以使增壓器的質(zhì)量減輕。目前，采用陶瓷渦輪的技術(shù)難點主要是陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接3。4 柴油機渦輪增壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀近些年來，由于計算機輔助設(shè)計的廣泛應(yīng)用和加工水平的飛速發(fā)展，尤其

12、是前傾后彎葉片的應(yīng)用使壓氣機效率提高了7%10%，發(fā)動機的經(jīng)濟型和動力性都得到大幅提高。目前，中、重型車輛已經(jīng)普遍選用增壓柴油機作為動力，渦輪增壓技術(shù)已成為提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟型和降低廢氣、噪聲排放的最有效措施之一，特別是為了應(yīng)對新的發(fā)動機排放法規(guī)，增壓技術(shù)的應(yīng)用范圍進一步擴大，增壓技術(shù)進入了黃金發(fā)展時期。由于傳統(tǒng)增壓器流量范圍窄，難以兼顧與發(fā)動機高低工況點的合理匹配，增壓器與發(fā)動機的良好匹配時保障燃油經(jīng)濟性以及柴油機具有良好排放性能的關(guān)鍵，因此近幾年來采用各種不同設(shè)計概念的新型渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。4.1 相繼增壓系統(tǒng) 相繼增壓系統(tǒng)的基本工作原理是采用多個小型渦輪增壓器，隨著柴油機

13、工況的提高，按次序地投入運行，改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時由于排氣能量減少而是用渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象。在標(biāo)定工況，柴油機的每臺增壓器都在高效率工作，燃油消耗率低；在部分工況，減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量，使得投入使用的在一起仍然在高效率區(qū)附近工作，最大限度地增加了氣缸的進氣量，從而改善了柴油機的動力性與經(jīng)濟性。MTU公司首先將相繼增壓技術(shù)應(yīng)用于該公司的956/1163雙系列船用柴油機上。目前，相繼增壓技術(shù)也應(yīng)用到卡車的發(fā)動機（沃爾沃）、跑車的發(fā)動機（保時捷）和轎車發(fā)動機（奧迪）等車上。4.2 可變截面渦輪增壓系統(tǒng) 可變截面渦輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是

14、從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面，來提高發(fā)動機低工況時的過量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^渦輪噴嘴葉片時，根據(jù)柴油機外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使進入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化，從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機在各工況下有良好的匹配。可變截面渦輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。該系統(tǒng)的缺點是渦輪增壓器的成本較高，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要專門的控制機構(gòu)。蓋瑞特公司、KKK公司均研制了可變截面渦輪增壓器，而且為了達(dá)到嚴(yán)格的排放法規(guī)，在增壓柴油機全工況范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，歐美采用可變截面渦輪增壓器已成主流4。4.3 低工況進排氣旁通系統(tǒng) 低工況進排氣旁通系統(tǒng)的原理是當(dāng)柴油機低速運行時，增壓

15、空氣繞過氣缸直接進入渦輪前的排氣管，從而增大氣體流量，提高發(fā)動機的增壓壓力，以避免發(fā)動機低工況的喘振，改善發(fā)動機低速工況性能。如果利用廢氣余熱對旁通的空氣加熱，效果會更好。MTU公司396柴油機就采用了進排氣旁通系統(tǒng)來改善低速工況性能，但該系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)部分較為復(fù)雜，因此主要應(yīng)用于大功率高增壓柴油機。4.4 廢氣旁通增壓系統(tǒng) 廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機低負(fù)荷區(qū)域為設(shè)計匹配點，對無法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過打開渦輪上與大氣連通的一個可調(diào)節(jié)閥，釋放多余廢棄能量。這種增壓器的好處是通過設(shè)計較小的渦輪殼截面，迅速建立起低速壓力，改善低速時的動力性、經(jīng)濟型排放指標(biāo)及瞬態(tài)響應(yīng)性，將柴油機在高速區(qū)所需要的進氣壓力由旁通閥調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，解決了因較小的渦輪殼截面導(dǎo)致的告訴高負(fù)荷區(qū)過高的增壓壓力而造成柴油機最高爆發(fā)壓力大幅升高、可靠性降低、性能指標(biāo)惡化等問題。帶廢氣旁通閥的增壓器目前在車用柴油機上應(yīng)用較為普遍，不足之處是由于釋放了一部分廢氣，造成了能量損失，因此柴油機高工況的燃油消耗有一定增加。此外，還有超高增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)以及諧振符合增壓系統(tǒng)等多種型式的增壓系統(tǒng)。他們正在逐步得到發(fā)展和應(yīng)用，使增壓發(fā)動機的性能不斷有新的提高。5 結(jié)論隨著科技