汽车涡轮增压发动机技术应用

1、汽车涡轮增压发动机技术应用摘要:讨论了车用增压发动机在低速和加速工况下的各种改善技术方案及其发展情况。分析结果表明,车用涡轮增压系统具有广阔的发展前景,能更有效地改善发动机在低速工况的扭矩特性,缩短增压发动机的加速滞后期。关键词:增压发动机;涡轮增压器;加速性;低速工况1涡轮增压发动机的工作原理涡轮增压发动机是一个空气压缩机,它利用发动机排出的废气作为动力来推动位于排气道内的涡轮,涡轮转动的同时带动位于进气道内同轴的叶轮,叶轮压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,高速的废气推动涡轮提速,废气排出速度与涡轮转速同步加快,空气压缩程度得以加大,发动机的进气量就相应地增加

2、,气缸内燃烧更充分,动力输出就更高。2涡轮增压发动机优势内燃机是一种耗气机械,由于燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程一旦空燃比达到某一值后,再增加燃油,不但不会产生更多功率,还将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中。发动机供油越多黑烟就越浓。因此,当超过空燃比极限后,继续供油不但消耗更多燃油、使柴油机寿命缩短,还会严重污染大气。涡轮增压的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高发动机的功率非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气而涡轮增压发动机由涡轮增压器向发动机提供压缩空气。由于进入气缸的空气增多所以允许喷入较多的燃油使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧效率。这意味着一台尺寸和重

3、量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率或者说一台小排量发动机经增压后可产生与较大发动机相同的功率。由于涡轮增压器为发动机提供了更多的空气燃油在发动机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。其它还有节约燃油和降低排放等优点。涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿发动机和涡轮增压器相匹配使进气管压力保持海平面大气压。而一台自然吸气的发动机随着海拔高度的增加其功率将下降。增压系统技术类型主要由以下几种。3增压系统技术类型3.1辅助能量的涡轮增压系统辅助能量的涡轮增压系统研究了电动、机械、风动、液力的辅助驱动涡轮增压后,单独驱动辅助压气机即与涡轮增压器并联的电动压气机价格相对便宜而且高效,

4、可以很好改善起动及部分负荷性能。另外一种外部供给能量措施,就是在涡轮前设置补燃室。补燃室的作用是通过燃料在补燃室中定压燃烧,为发动机提供各种部分负荷工况下所需的增压压力,即向涡轮提供辅助能量。3.2可变截面涡轮增压系统在常规的涡轮增压系统中增压器的涡轮流通截面是固定的,对要求变工况运行的车用高速内燃机来说,会出现低速时供气不足、高速时增压过度的情况。可变几何参数涡轮增压器能够随发动机流量的减少相应减小涡轮的流通截面,涡轮机可以保持几乎不变的膨胀比以便提供能量使压气机具有足够的增压比。它们可以显著改善发动机瞬态响应速度的突然变化和负荷。可变截面涡轮增压系统分为可调涡轮喷嘴截面增压系统、轴向移动变

5、截面系统、可变涡轮叶(截面增压系统。3.3相继增压系统相继增压系统是采用多台增压器,随着增压发动机转速和负荷的增长,相继按顺序投入运行达到增压器和发动机的最佳匹配,从而使发动机在整个运行区域内有较高的增压比和较好的经济性。相继增压系统有2个气动控制阀门,分别控制涡轮和压气机投入或退出运行。装在涡轮进口处的称为燃气控制阀,装在压气机出口处的为单向空气阀,它们均由增压系统控制仪根据控制模型进行自动控制。随着发动机运行工况的变化,由增压系统控制仪按照控制模型,自动控制增压器投入或退出运行,使发动机在高低转速时的联合运行线均在压气机的高效区,从而使发动机在全工况有较好的瞬态响应特性,满足其低速和加速工

6、况要求。 3.4进、排气旁通和旁通回热系统进气旁通技术是为了减少涡轮迟滞,提高发动机响应速度。在增压器的压气机的进出口连接一旁通阀,当排气压力不足以驱动涡轮来产生增压压力时,进气通过旁通阀直接进入气缸,排气则驱动涡轮,带动没有负载的压气机快速达到较高转速。当发动机在高速工况运行时,进气管中空气增压压力超过一定值后旁通阀会立即打开,通过旁通阀将部分废气旁通绕过增压器涡轮,克服了高速时发动机容易爆燃的缺点;在发动机低负荷和低的增压压力时,废气旁通阀关闭,全部废气流过涡轮,使增压压力达到最大值。旁通回热系统的目的是改善涡轮增压发动机的低速工况性能。发动机与增压器按高工况匹配,在部分负荷时打开进排气旁

7、通阀,使空气流量加大,提高增压压力。3.5二级涡轮增压系统二级涡轮增压系统中,2个涡轮增压器和发动机在气路上串联起来,一般低压级采用尺寸较大的增压器,而高压级采用尺寸较小的增压器。两级涡轮增压系统在技术上较为简单。其主要优点是:每级压气机后的空冷器使整个压缩过程向等温压缩靠近,整个涡轮增压器组的总效率提高;整个系统的增压压力较高,而每一级的增压比较低,涡轮增压器的可靠性提高,噪声降低,且单级压气机有较宽的高效率区域;对环境温度和压力变化不敏感。3.6机械增压和涡轮增压组成复合增压系统由涡轮增压器和机械增压器组成的复合增压系统就是利用了这2种增压性能优缺点的互补性开发的双增压系统。涡轮增压器和机

8、械增压器在进气道中被串联在一起。空气从空气过滤器进入进气管后,首先要经过机械增压器,然后通过进气管引导再经过涡轮增压器,最后进入进气歧管。它们虽然串联在一起,但并不都是同时工作。机械增压器与发动机相连接的电磁离合器、排气旁通阀的开闭均由电子控制。低速和加速时电磁离合器可以迅速连接发动机的动力,给汽车带来很好的低转速扭矩,让起步时动力十足,克服了单涡轮增压器迟滞的缺陷。在大负荷或满负荷时,涡轮增压器可以提供大的增压比,机械增压器可以停止工作,防止消耗过多的发动机功率。4结论通过对各种涡轮增压系统与发动机的高效匹配分析可知改善后的增压发动机可明显改善发动机的低速扭矩特性和加速延迟期,特别是能恢复高

9、海拔地区发动机的功率。但各种复杂结构的涡轮增压系统技术难度大,制造成本高,所以要兼顾各种利弊因素来匹配增压发动机。参考文献4 苏岩, 李理光, 肖敏等. 可变配气相位对发动机性能的影响. 汽车技术, 2000(10:11145 周华张晓辉韩玉环. 汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术(GDI. 客车技术与研究,2007, 29(4:28306 钱人一. 增压技术和缩小排量策略. 汽车与配件, 2003 (26:318 朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器. 北京: 机械工业出版社,1997, 7 9 苏岩,李理光,肖敏等. 国外发动机可变配气相位研究进展. 汽车技术, 1999(610 李红艳. 发动机无凸轮

10、轴气门驱动的研究与进展. 车用发动机, 2001(2:1511 MichaeGrohn, Klaus Wolf. Variable valve timing mechanisms. SAE 1989:1990 12 Masaru Ogura, Tomiyuki Sasaki, KuratoshiKasahara, etal. A performance improvement of the direct injection diesel engine with a new variable valve timing mechanism.JSAE(9:93994913 王韬, 秦德. 发动机可变

11、气门正时技术的研究. 小型内燃机与摩托车, 2003, 3 (32:, 202214 陈学勤. 可变气门系统的研究与发展. 车用发动机, 2002(3:15 15 Cross PC. A Rotary Valve Combustion System with Throttleless Inlet Charge controlC .SAE Paper, 94:081316 FitsosP,Harralson J. Valve Timing by Means of a Rotary Actuator C. SAE Paper, 1999:1330.17 王祖德,王军雷. 我国车用汽油机产品技术现状,存在问题及政策建议.实用汽车技术, 2007(2:2030 18 尹雪晨. 汽油机增压技术及其发展概况. 车用发动机,1986(5:1100 19 曾春荣. DA465 增压发动机模拟计算与性能预测硕士论文. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2005,(12:1220 张然治,任建文,崔静.车用发动机增压技术