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1、 汽车发动机废气涡轮增压技术的应用与汽车发动机废气涡轮增压技术的应用与 发展发展摘要摘要:针对发动机的废气涡轮增压技术的研究意义及研究现状、存在问题及解决措施进行了论述。废气涡轮增压器这一内燃机制造业百年最杰出的作品之一，近 20 年在车用发动机上越来越多的被采用，甚至 CNG 汽车，微型汽车和摩托车上也出现了涡轮增压器。汽车采用增压技术后，动力性，经济性不但得到了显著提高 而目排放性能也有所提高，这对消除油价飞涨满足日益严格的排放法规来说是十分重要的。最后，对废气涡轮增压技术进行了展望。关键词关键词:发动机;废气涡粉增压;热负荷;爆震;匹配Trend and Research of Turb
2、ocharged Technology in Gasoline EnginesAbstract; It is introduced the meaning and the situation of exhaust一 gas turbocharged technology in gasoline engine, and then impediment and countermeasures are discussed. In the end，prospect of exhaust 一gas turbocharged technology in gasoline engine is made.Ke
3、y words;gasoline engine;turbocharging;thermal load; deflagration; matching目 录引 言11、汽油机正压系统 32、正压系统中的主要机构 81、废气涡轮增压器2 、增压调节阀3、 汽油机废气涡轮增压研究的意义91、增压技术在柴油机领域的发展92、汽油机废气涡轮增压研究的现状 103、废气涡轮增压技术4、汽油机废气涡轮增压解决措施121、抑制爆燃燃烧和降低热负荷122、改善涡轮增压汽油机的扭矩特性143、改善涡轮增压的加速性155、未来废气涡轮增压的发展趋势 16结束语 20参考文献20- 1 -引引 言言随着人们节能意识逐
4、渐增强，环保部门制定的排放法规的日益严格，增压技术越来越受到重视。在各种增压方式中，废气涡轮增压由于不消耗有用功，被人们广泛应用。 过去汽油机增压主要是用于高原汽车和竞赛汽车上，近年来许多国家对城市废气污染和噪音公害提出了更高的要求，从而促使车用汽油机增压的发展。在我国为了解决高原行车动力不足的问题，对汽油机增压进行了大量的试验研究，并取得了可喜的成果。随着废气涡轮增压器的设计、制造以及材料等问题的解决，使增压柴油饥达到较高的性能指标，并成功地应用到载重汽车和小客车上。经过国内外的大量试 fiJYL研完表明，废气涡轮增压应用在汽油机上具有一系列优点:提高发动机的升功率，提高发动机的低速扭矩性能
5、，提高发动机的燃料经济性能;降低发动机的有害气体排出量;降低发动机的噪音值;降低发动机的结构比重量(公斤/马力)。装有废气涡轮增压发动机的汽车，其动力性能大为改善。它不但具有良好的加违性能，而且.还具有良好的扭矩特性。对现有载重汽车如解放牌进行发动机增压，即可捉高动力性能 30-50%。对于高原行车，由于空气稀薄，明显地感到动力不足。当海拔每升高100 公尺时，发动机功率将降低 10%0 增压技术不仅能补偿发动机因- 2 -海拔升高而下降的功率，还可以提高之。 经废气涡轮增压后的汽油发动机排出的有害气体大大降低。Schwitzer 公司的研究表明，在普通的汽油机上进行涡轮增压，能使排气中的有害
6、气体 HC 减少 14io. CO 减少 13%NU 减少 8。若进一步改进增压器、化油器及排气管布置，污染还能进一步减轻。其主要原因在于增压时，燃料与空气混合较好，燃烧较为完全。其次是排气温度和背压的升高，促进了徘气管内废气的再燃烧反应川”。装用小排量发动机的汽车，在公路上行驶时，接人增压以获得较大的动力性能;当进入市区行驶时，截断增压，发动机排气总量减小，亦可减轻城市污染。对非增压发动机来说，降低压缩比会降低热效率，最终使发动机经济性变坏。但对涡轮增压发动机而言，降低压缩比，完全膨胀的程度也随之降低，固然不经济。但排入排气管中的废气能量增加，使它在增压器的涡轮中继续膨胀，从而使涡轮获得更大
7、的输出功，这不仅可捞回由于降低压缩比所引起的损失，而且还可进一步提高发动机循环的经济性。废气涡轮增压不仅不像机械增压那样要消耗发动机一部分输出功率，而且还能充分利用废气能量，特别是充分利用排气脉冲能量。这就是废气涡轮增压发动机经济性较好的理论基础。但由于化油器- 3 -供油特性和分电盘特性等对汽油机增压的适应性较差，其燃料经济性的改善不如柴油机显著。在电子计算机控制的直接喷射式汽油机上进行增压，仍可获得良好的燃料经济性，比油耗可达 190 克/马力小时， 接近于柴油机的水平。一一 汽油机增压系统解放牌汽车 CA-lOB 发动机涡轮增压系统示于图 1 上。发动机排出的高温燃气经分支排气管流人增压
8、器的涡轮壳中，再流经喷咀环，燃气以更高的速度喷向涡轮。燃气在涡轮中膨胀作功驱动同轴上的压气机叶轮而旋转。废气经涡轮作功后排人大气。离心式压气机把空气吸入并压缩，提高了流速和压力。- 4 -压缩空气再经过扩压器扩压，流速降低，压力进一步提高。经化油器与燃料混合后导人气缸燃烧。 增压压力调节阀的作用是当增压压力达到额定值后，把剩余功率的废气旁通人大气，以保持发动机良好的扭矩特性。调节阀受增压压力的控制而自动调节。要维持增压器浮动轴承的正常工作，输人的润滑油必须保证足够的流量和压力，以使轴承获得良好的润滑和冷却。回油管路应畅通。化油器浮子室处于增压状态，因此汽油泵仍需增压，以保证足够的流最和压力。在
9、化油器式发动机上进行涡轮增压，还涉及增压器的布置问题。增压器放在化油器之前，称为增压器前置方案(如图 1)，反之称为增压器后置方案。对于使用多个化油器的发动机，将给增压器的布置带来很大困难。前置和后置都有自己的特点，采用何种方案依据具体情况而定。增压器前置方案的特点是将空气先进行压缩，待空气密度和压力提高后再与燃料混合进人气缸。其优点是:化油器安装位置不变，喉部尺寸也不用加大。混合气行程短，发动机灵敏性较好，- 5 -空气经压缩后温度升高，有利于燃料的汽化，发动机回火，不易损坏压气机叶轮，增压器发生故障，易于与发动机脱开。其缺点是:化油器处于增压状态下工作，应严格密封，否则燃油外漏，汽油泵要增
10、压，以适应增压对供油的要求;要使化油器的供油量随空气密度的增加而增加比较困难。增压器后置方案的特点是空气先经过化油器与燃料混合后再进行压缩，待混合气的压力和密度提高后再送入气缸。其优点是:1)不用考虑化油器的密封问题，2)混合气经压气机的搅动，雾化混合较好;J)化油器的供油特性易于满足增压要求，但需加大化油器的喉部尺寸，4)汽油泵可不作改动。其缺点是:(1)增压器发生故障时不易与发动机脱开;(2)若发动机回火，容易损坏压气机叶轮;(3)、当节流阀开度较小时，进气管真空度传至压气机中，将增压器润滑油吸出，卷人气缸，增加润滑油消耗，影响发动机的正常燃烧。为了克服这一弊病，必须在压气机前后设置联动节
11、流阀- 6 -图 2 是 BMW-ALPINA 小客车汽油机废气涡轮增压系统。其发动机型式为直列 6 缸，排量 3 公升，与 h1K公司生产的 K27 型涡轮增压器匹配，最大功率为 300 马力/6000 转/分。该系统最高增压压力为 0.85 巴(1 巴=0.987 大气压)，使用空气空气中间冷却器。进气旁通阀 5 的作用是生 l 镌节流阀突然关闭的时候(如汽车的加速换档过程)，增压器的转子在惯性力的作用下仍在高速运转，继续向发动机送气，而此时韦流阀已关闭，气流无路可走，压气机阻力增加，容易引起其喘振。为此，必须在增压管路上安装一只由节流阀下端进气真空度控制的旁通阀，在节流阀开度较小时将增压
12、空气旁通。其作用是一方而防止喘振;另一方面因压气机负载减轻，转- 7 -子仍可以保持较高的转速，当再开大节流阀时，有利于增压器及汽车的加速。进气旁通阀的另一个作用就是当增压压力达到额定值后，将克服弹簧力与进气压力之和，阀门打开，进气旁通达到限制增压压力的目的，它与废气旁通阀配合作用，共同来调韦增压压力。图 3 是另一种 Saab 小客车汽油发动机的增压系统51。该发动机为 4 缸直列式，排量 2 公升，与 Garrett 废气涡轮增压器相匹配，在增压压力为 0.5 巴时，最大功率为 145 马力/5000 转/分。限器 1. 2的作用是当发动机转速在 6000 转/分时，截断油泵电路，停止供油
13、。过压开关 5 的作用是当增压压力超过。.75 巴时，截断汽油泵电路，- 8 -停止彩 A.油。二、增压系绞中的主要机构1.废气拐轮增压器与 CA-l OP 发动机匹配的增压器型号是国产 3GJ 型废气涡轮增压器，其结构示于图 40 与 ALPINA 发动机匹配的增压器是 KKK-K27 废气祸轮增压器，其结构示于图 5。与 Saab 发动机匹配的 Garrett 废气涡增压器，带有增压压力调节阀，其结构示于图 G。3GJ 型和 K27 型涡轮增压器的主要性能参数见表 1。2,增压压力调节阀根据汽车的运行特点，增压器与发动机的匹配大都照顾低速扭矩特性。增压器在最大扭矩工况范围内具有较高的效率。
14、要获得发动机良好的适应性系数，必须通过增压压力调节阀将过剩的废气能- 9 -量放掉，增压压力调节阀的结构见图了，它是由壳体、阀门、膜片以及弹簧等零件组成。三、汽油机废气涡轮增压研究意义1 增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大中功率柴油机已全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达 80%。汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机。20 世纪 70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完善，1990 年美国生产的汽油机已有 1/4 采用了增压技术，1992 年国际市场上出售的汽油机有巧%采用增压技术，目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段。内燃机
15、增压的先进技术主要集中于美国、德国和日本。相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车发动机领域，有其独特的应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车性能都具有重要意义。2 汽油机废气涡轮增压研究现状经过 80 多年的不断发展，特别是 20 世纪 90 年代以来，由于CAD/CAM，电控、材料和制造技术等科学技术的迅速发展，许多相关学科领域的成果被大景用于增压技术领域，从而出现多种增压方式。针对不同的车用发动机，使用不同的增压方式才能达到最佳的匹配，下而是几中典型增压方式的比较。从表中我们可以看出各种增压方式都有利有弊，但由于废气涡- 10 -轮增压器结构简单，而目对提升发动机性能效果很好当 1 台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约 40%甚至更多;或者说，1 台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率;试验证明由于涡轮增压发动机的燃烧比较完全，排烟浓度降低，废气中 CO 和 HC 含量明显减少，NOx 含量也大为改观，对减少汽车排气污染有利。此外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声比较小;而目在高原地区也可以恢复功率减少油耗。由于装在汽油机上爆震倾向大大增强，而目汽油机的转速和功率范围宽，系统比较复杂，所以目前应用
