废气涡轮增压发动机

2. 增压汽油机


存在的主要问题：汽油机增压后，压缩终点和温度都加大， 爆燃倾向加剧，热负荷更加严重。若燃料辛烷值不提高，就 必须采取降低压缩比，推迟点火等相应措施，其结果会导致 热效率的下降。此外，汽油机增压同样存在低速转矩特性和 加速性能下降的问题。 针对汽、柴油机增压技术存在的共同问题，可采取的措施： 电子可变涡轮喷嘴环截面控制、电控增压压力控制等技术的 应用可以有效改善低速转矩特性和动态特性； 电控燃油喷射技术，实现了定时和转矩特性（油量特性）的 优化；特别是电控爆燃控制、电控废气再循环控制以及增压 中冷技术对防止增压汽油机爆燃和降低热负荷十分有利。

2.增压器类型
1）机械增压系统：机械增压器采用皮带与
引擎曲轴皮带盘连接，利用引擎转速来带动 机械增压器内部叶片，以产生增压空气送入 引擎进气歧管内，整体结构相当简单，工作 温度界于70℃-100℃，不同于涡轮增压器靠 引擎排放的废气驱动，必须接触400℃900℃的高温废气，因此机械增压系统对于 冷却系统、润滑油脂的要求与自然进气引擎 相同，机件保养程序大同小异。
四、可变涡壳通道及喷嘴环流通截面的涡轮 1. 双涡壳通道的涡轮
图5 双通道涡壳增压系统
a）低速轻负荷工况；b）高速重负荷工况
使用小的涡壳通道A1可以提高发动机低速时涡轮工作响应敏捷性，减小其 滞后现象。同时使用A1及A2时，实现涡轮增压器转速及增压压力自我调节 的作用，并且可以减小排气背压，改善了发动机的充气及热效率。

增 压 压 力 （ bar ）
最高发动机转速的百分率（%）
涡轮增压发动机的离心式压 气机，通常在 1／4 发动机额定转 速以下的转速范围内，出口空气压 力增加甚微。高于该转速后，压力 逐步上升，如果不采用排气旁通， 则压力沿着虚线上升，会超过发动 机能承受的最高增压压力。因此要 采取排气旁通或别的措施，使其压 力控制在允许值以下。在一定具体 条件下，采用大的涡轮及涡壳，也 可以使压力较低，如图中虚线所示， 但这是不经济的。 为了防止涡轮增压器的超速 及增压压力过高，可以采用提升阀 等措施来控制排气旁通的通道。


2）废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了， 增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压 缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡 轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道 送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度 与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压 力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动 机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭 矩要增大20%—30%。
废气涡轮增压发动机
一、涡轮增压技术的基本原理
1.增压原理： 涡轮增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前 预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体 积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，这 样就可以再有限的汽缸容积内喷入更多的燃油进行燃烧， 从而达到提高发动机功率的目的。 发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的，由于输 入的燃料量受到吸入汽缸内空气量的限制，因此发动机所 产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于 最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入 汽缸来增加燃料量，从而提高燃烧作功能力。因此在目前 的技术条件下，涡轮增压器是惟一能使发动机在工作效率 不变的情况下增加输出功率的机械装置。一般能使发动机 增加输出功率在10%到40%左右。
2. 可变涡壳通道的涡轮增压系统
a）
b）
图6 可变涡壳通道截面的增压系统
a）低速运转闸阀关；b）高速运转闸阀开
3. 可变喷嘴环流通截面的涡轮
a）
b）
图7 喷嘴环流通截面可变的涡轮
a）喷嘴叶片接近关闭状态；b）喷嘴叶片接近全开状态
发动机转速较低时，由于排气的流量较小，不容易推动涡轮叶片。这 时可变涡轮几何系统中装在和涡轮叶片平行位置并且围绕它的那几片可变 导流板的角度就会变小(如左图)。这样可以使气流通过的空间缩小，加大流 速，更容易推动叶片。 在转速高的时候 气体流量充足，这个时候可变导流板的角度会变大(如 右图)，让涡轮获得最大增压值。 有了可变涡轮叶片几何技术，便能在较低发动机转速下达到更高的涡 轮速度。汽缸增压有明显的改善，功率及扭力方面相应也有明显的提升， 在较低转速时可达到最大扭力，并可维持在一个较广的旋转范围内。
图2 控制增压压力与发动机转速
a）
b）
图3 排气旁通增压系统
a）旁通阀关； b）旁通阀开
用软管将压气 机涡壳空腔与膜片 作用器的空腔连接 起来，传递压气机 出口处空气压力变 化信号。当发动机 在正常的稳定状态 下工作，增压压力 不高，提升阀是关 闭的。当增压压力 超过某一规定值时， 提升阀打开，部分 排气不进入涡轮， 而由旁通管直接排 入大气中，因此涡 轮转速不会上升， 压气机出口压力也 保持在限定值以下。
3）气波增压系统：

气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发 动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中发动 机排出的废气直接与空气接触，利用排气压 力波使空气受到压缩，以提高进气压力。气 波增压器结构简单，加工方便，工作温度不 高，不需要耐热材料，也无需冷却。与涡轮 增压相比，其低速转矩特性好，但是体积大， 噪声高，安装位置受到一定的限制。不太适 合安装在体积较小的轿车里面。 目前，这种 增压器还只能在低速范围内使用。由于柴油 机的最高转速比较低，因此多用于柴油机上。

4）复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助 于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增 压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机 的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两 种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种 装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合 增压系统）的车型还比较少，大众的1.4 TSI发动机（这款发动机兼顾 了低速扭力输出和高速功率输出。在低转速时，由机械增压提供大部 分的增压压力，在1 500rpm时，两个增压器同时提供增压压力。随着 转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机 械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压通过电磁离合器控制，它与 水泵集合在一起。在转速超过3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的 增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离， 防止消耗发动机功率）采用了了这一系统。其发动机输出功率大、燃 油消耗率低、噪声小，只是结构太复杂，技术含量高，维修保养不容 易，因此很难普及。
五、汽油机增压系统的常用措施

电控汽油喷射系统
成功地摆脱了增压器与化油器匹配的困难，为汽油机 增压技术奠定了基础。还为在汽油机增压系统中实现 爆燃控制、放气控制、排放控制、增压器可变技术的 应用等综合控制带来了方便。

电控爆燃控制
采用爆燃控制以后，可以在避免发生爆燃的前提下， 最大限度地发挥整机潜力 。
图4 排气背压及压气机入口处真空度控制的增压系统
a）旁通阀关；b）旁通阀部分打开；c）旁通阀全开
自动控制系统主要由微处理机、压力传感 器、转速传感器（图中表示通过分配器提供转 速变化信号）及敲缸传感器组成。输入信号经 过处理后，微处理器给电磁线圈发出指令，控 制旁通阀开或者关。 由于采用了微处理器控制，在发生敲缸征 兆时，可以自动推迟点火提前角，避免爆燃， 因此采用这种控制系统的汽油机增压后，可以 不降低压缩比，采用原先使用的汽油。
a）
c）
在用排气背压及 压气机入口处真空度 联合控制时，当发动 机在中等转速部分负 荷工作时，排气背压 通过钢管传递，作用 在膜片作用器的膜片 上，使旁通阀部分打 开，实现控制增压压 力的目的。如果发动 机在中速、高速大负 荷工况工作，输入涡 轮的排气能量增加， 使压气机转速及出口 压力进一步上升，此 时压气机入口处真空 度增大，其影响与排 气背压同时作用在膜 片作用器上；使旁通 阀打开，更多的排气 从旁通阀排入大气中， 使增压压力保持在一 定范围内。
排气污染和噪声 ：




由于增压柴油机有较充足的过量空气系数，有害气 体排放量（HC、CO）一般为非增压机的1/3～1/2 ； 由于增压适当加大了过量空气系数 Фa，使燃烧过程 得到一定改善，其指示热效率ηi t往往也会有所提高； 如果采用增压中冷技术，可显著减少 NOx 排放 ； 由于增压后，柴油机着火延迟期缩短，压力上升率 降低，可以使燃烧噪声减少 ； 涡轮增压器的设置，使进、排气噪声也有所减少 。
机械增压的特性： 机械增压与涡轮增压在动力输出上有着明显的区别， 前者有接近自然进气的线性输出，而后者则因为有涡轮迟 滞的现象，动力输出相对多一点突兀，没那么线性。 因为机械增压的作动原理，使其在低转速下便可获得 增压。增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机 械增压引擎的动力输出随着转速的提高，也随之增强。因 此机械增压引擎的出力表现与自然气极为相似，却能拥有 较大的马力与扭力。 城市柴油公交车有别于一般柴油客车或货车，因为其 平均车速低，基本上不会或很少达到最高车速，加上怠速 时间长，起步、加速、减速频繁，发动机工况不断地交替 变换，所以也适合采用机械增压。由于机械增压和涡轮增 压的性能特点在许多方面是互补的，近年来在欧美国家的 一些高档轿车和大功率的柴油车上，正在进行将这两种增 压器装在同一辆车上充量、降低热负荷、消除 爆燃均十分有利。
1. 电控汽油喷射系统
图8 增压汽油机的电子控制系统
1—空气滤清器；2—空气流量计；3—涡轮增压器；4—放气阀；5—爆燃传感器；6—水温传感器； 7—增压压力传感器；8—节流阀位置传感器； 9—EGR阀；10—中冷器；11—喷嘴；12—点火线 圈；13—火花塞；14—比例式压力控制电磁阀；15—电动汽油泵；16—变速器空档位；17—车速 传感器；18—点火正时控制信号；19—曲轴转角传感器