汽車節能技術研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 臺渦輪機和一臺壓氣機組成的或幾臺渦輪增壓器并聯的渦輪增壓叫單級渦輪增壓，多用于中、小型柴油機。小型柴油機、汽油機一般用徑流式渦輪、離心式壓氣機；二級渦輪增壓：空氣經兩臺串聯的渦輪增壓器壓縮后進入發動機，這類增壓系統稱為二級渦輪增壓。 （ 2） 增壓器 渦輪增壓器主要由渦輪和壓氣機組成。發動機排氣經排氣管進入渦輪，對渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至發動機進氣管。 （ 3） 中冷器 在增壓柴油機為降低進入汽缸的空氣溫度、增加空氣密度、減少排放 ，使增壓后的空氣先在中間冷卻器中冷卻，再進入氣缸，稱為增壓中冷。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低以及機械負荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機功率，還可提高發動機的經濟性、降低排放、節省能源。 為了反映中間冷卻程度，通常用中冷度來表示，即中冷器前后空氣溫度差與中冷器前空氣溫度的比值。 目前采用的中冷器都屬錯流外冷間壁式冷卻方式，根據冷卻介質的不同，有水冷式和風冷式兩大類。 水冷式冷卻根據冷卻水系的不同又分以下兩種方式： 1）用柴油機冷卻系的冷卻水冷卻。這種冷卻方式不需另設水路，結構簡單柴油機冷 卻水的溫度較高，在低負荷時可對增壓空氣進行加熱，有利于提高低負荷時的燃燒性能；但在高負荷時對增壓空氣的冷卻效果較差因此，這種方式只能用于增壓度不大的增壓中冷柴油機中。 2）用獨立的冷卻水系冷卻。柴油機有兩套獨立的冷卻水系，高溫冷卻水系用來冷卻發動機，低溫冷卻水系主要用于機油冷卻器和中冷器。這種冷卻方式冷汽車 節能技術研究 第 12 頁 共 28 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 卻效果最好，在船用和固定用途柴油機中普遍應用。 風冷式冷卻根據驅動冷卻風扇的動力不同，可分為以下兩種方式： 1）用柴油機曲軸驅動風扇。這種方式適用于車用柴油機，把中冷器設置在冷卻水箱前面，用柴油機曲軸驅動冷卻 風扇與汽車行駛時的迎風同時冷卻中冷器和水箱。車用柴油機普遍采用這種冷卻方式，但在低負荷時易出現充氣過冷現象。 2）用壓縮空氣渦輪驅動風扇。由壓氣機分出一小股氣流驅動一個渦輪，用渦輪帶動風扇冷卻中冷器。由于驅動渦輪的氣流流量有限，渦輪作功較少，風扇提供的冷卻風量較少，顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負荷變化，因此這種冷卻方式的冷卻風量也隨負荷變化，低負荷時風量小，高負荷時風量大，有利于兼顧不同負荷時的燃燒性能。且其尺寸小，在車上安裝方便，在運用車輛上也有應用。 （ 4） 排氣能量的利用 目前生產的車用增壓柴油機 中，幾乎都采用排氣渦輪增壓系統，通過排氣來驅動渦輪增壓器工作，從而吸收排氣能量來實現增壓的目的。 排氣的最大可用能 E 由三部分組成： ① 排氣門打開時，氣缸內氣體等熵膨脹到大氣壓力所作上午功 Eb； ② 活塞推出排氣，排氣得到的能量 Ec； ③ 掃氣空氣所具有的能量 Es。排氣門前排氣具有的能量，在流經排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失 ΔE包括如下幾個方面： ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔEd+ΔEm+ΔEf+ΔEh （ 24） 式中 Δ Ev—流經排氣門出的節流損失； ΔEc—流經各種縮口處的節流損失 ； ΔEd—管道面積突擴時的流動損失 ； ΔEm—不同參數氣流 摻混和撞擊形成的損失 ； ΔEf—由于氣體的粘性而形成的摩擦損失； ΔEh—氣流向外界散熱所形成的能量損失。 這些損失直接影響著排氣能量可被渦輪回收的程度，是排氣渦輪增壓柴油機排氣管設計和改進時所必須關注的重要方面。 ΔEv 是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的 60%—70%。尤其是在初期汽車 節能技術研究 第 13 頁 共 28 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 排氣，氣缸中高壓高溫氣體流出時，因排 氣管中壓力低而形成超臨界流動，所以減少這部分節流損失對提高排氣中能量的利用率是很重要的。在設計中，應使排氣門后的通流面積盡可能大（一般采用四氣門結構）、開啟速度盡可能快，以使排氣很快流出，排氣門后的壓力 Pr 很快升高，從而減少節流損失。另外，排氣管容積不應太大，排氣管要細而短。當在結構上受限制時做得 “細而長 ”比 “粗而短 ”要好。在排氣初期，大量排氣涌入較細長的歧管中，形成 “堵塞 ”，很快在排氣門后建立起較高的壓力波峰，減小排氣門前后壓差，從而大大減少節流損失，并把氣體所具有的較大速度在歧管中保持下來并傳送到渦輪 ，提高了對排氣動能的利用率。由于歧管中流速高而使摩擦損失加大，但其他損失減小，所以總起來說，它的能量傳遞效率較高。細而長的排氣管不僅能夠使排氣門后的壓力 Pr 在排氣初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排擠功減少，并有利于掃氣。 （ 5） 增壓器和發動機的匹配 以單級渦輪增壓系統為例，根據質量守恒定律，在這個增壓系統中，壓氣機所提供的空氣正好等于柴油機所需的空氣量。因此，在穩定工況下，壓氣機提供的增壓壓力等于柴油機所需的增壓壓力。因此，可在壓氣機特性曲線圖上，將該工況下以增壓比 ∏b 和空氣流量 qmb 為表征的增壓器好柴油機聯合運行點確定下來。這樣，當柴油機按某一特性運行時的所有工況點都可在壓氣機特性曲線上確定下來。 如果高增壓柴油機主要是在高速、高負荷下運轉，則必須把增壓器的高效率運轉區域設計得廣一些。車用柴油機低轉速工況要求較苛刻，不僅以外特性運轉，而且轉矩的適應性系數高，所以增壓器的高效率區域選在柴油機轉速較低的地方，這樣做即使在標定工況時性能稍差一些也是值得的。對于超高增壓柴油機，低工況性能更為突出。因此，在選配渦輪增壓器時，除了要進行變工況運行的配合性能計算外，還必須進行樣機的配合調整實驗，以滿 足各方面的要求。 （ 6） 可變渦輪增壓 在柴油機進行正常設計和經過估算及性能模擬計算來選配渦輪增壓器后，一般在配合性能上不會出現太大偏差。但對于車用柴油機，如果增壓系統滿足高速時增壓適量的要求，則在低速時供氣就會不足；如果滿足低速時的供氣量，汽車 節能技術研究 第 14 頁 共 28 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 則在高速時就可能增壓過量。因此，必須采取一些措施，才能彌補其高低工況不能同時滿足較佳匹配的矛盾。 對于車用高速柴油機及某些超高增壓中速柴油機，為了改進低工況性能，可采用高速時放氣的措施，但高工況經濟性不好。近年來，發展了一種可變渦輪噴嘴環出口截面的渦輪增壓器，簡稱變截面渦 輪增壓器。在發動機低速時，讓噴嘴環出口截面積自動減小，使得流出速度相應提高，增壓器轉速上升，壓氣機出口壓力增大，供氣量加大；在高速時，讓噴嘴環出口截面積增大，增壓器轉速相對減小，增壓壓力降低，增壓不過量。 采用變截面渦輪的優點是： ① 在不損害高轉速經濟性的條件下，增大低速轉矩； ② 擴大了低油耗率的運行區； ③ 使柴油機的加速性能提高； ④ 可以滿足要求越來越高的排放和噪聲規范等。但要使可變截面渦輪達到實用化，必須滿足： ① 從渦輪調節結構往外漏氣應盡可能少，且當噴嘴面積改變、使氣流流向偏離時，不致使渦輪效率降低過多； ② 結構 及操作系統簡單，操作方便； ③ 所有結構操作系統具有較高的可靠性等。 車用發動機大多用徑流渦輪增壓器，這給采用可變截面渦輪增壓器帶來方便。在有葉徑流渦輪的情況下，可以采用改變噴嘴葉片安裝角度的方法來改變噴嘴環出口截面積。 如 圖 為一變截面多葉片可變噴嘴增壓器三維示意圖。 圖 變截面多葉片可變噴油嘴增壓器 噴嘴環截面積大小及檔數是由實際運轉要求確定的，在最大轉矩時，增壓壓力最高。控制器（ ECU）根據發動機轉速、噴油泵齒條位移（相當于負荷）、水溫和增壓壓力等信號對壓力控制調節閥的開啟和關閉時間比（負荷比 ）進行調節，從而控制真空泵產生的負壓。可以根據發動機工況的最佳負荷比圖譜預汽車 節能技術研究 第 15 頁 共 28 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 先輸入到控制器中。控制器與電控柴油噴射系統的控制器也可互相通訊。由于采用可變噴嘴渦輪增壓器，在低速時可變噴嘴渦輪增壓器處于小噴嘴開度，增壓壓力可提高，因此大大改善了低速工況性能。 由于采用了可變截面渦輪增壓器，使柴油機加速、負荷特性都得到改善。整機穩態及瞬態性能改進，低油耗區域擴大，轉矩儲備系數加大。 （ 7） 增壓器的瞬態性能 柴油機瞬態特性是在變速或負荷情況下柴油機的性能。渦輪增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和轉速的突然變化 。在加速、加負荷過程中，空氣流量與加油量變化速率之間的差異導致了燃燒空氣系數低于極限值。因此，渦輪增壓柴油機瞬態響應特性較差的決定因素是供氣量。 供氣量比供油量的時間滯后，其原因是多方面的。燃油入氣缸燃燒后，氣體能量增加，而渦輪得到的能量增加顯然要滯后一些，因為在排氣門開啟之間氣體的能量不可能影響渦輪；在排氣門開啟以后，由于排氣管中氣體的可壓縮性，也得經過幾個工作循環，排氣管中的氣體壓力才能逐步上升，渦輪得到的能量才能不斷增加。另外，由于渦輪的功率比壓氣機的功率大而使渦輪增壓器的轉速增加，但渦輪增壓器轉子具 有一定的轉動慣量，要加速轉子的旋轉速度也需消耗一部分能量，這也是其瞬態響應滯后的另一個重要原因。再者，增壓器的旋轉速度不斷上升才能使增壓壓力不斷提高，但由于進氣管具有一定的容積，這就使增壓壓力只能逐步提高。只有當增壓壓力提高后，才能增大進入氣缸的供氣量。這些因素都將使供氣量滯后。當然，發動機響應快慢還與發動機運動件的轉動慣量有關，若希望加速性能好，則希望發動機轉動慣量盡可能小。 改善增壓柴油機瞬態特性的根本措施是使增壓壓力更快地提高，沖入氣缸的空氣量更快增加。盡量減小進氣管和排氣管的容積，在加速或加負荷過程 中，使其中氣體壓力較快增大，響應速度加快，因此變壓系統比定壓系統響應速度快；在低工況運行時減小渦輪通流面積，若從低工況到高工況時渦輪通流面積小，則將使排氣管中的壓力更快上升，渦輪功率增加較快，使增壓壓力更快上升，從而改善瞬態特性。 可變進氣技術 （ 1） 可變進氣渦流系統 通常，進氣道是根據發動機在標定工況或最大轉矩工況下的性能要求進行汽車 節能技術研究 第 16 頁 共 28 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 設計的，并制成樹脂氣道模型后在穩流氣道試驗臺上測量渦流強度和流量系數，經過多次試驗修改后定型，投入生產。這樣的氣道，其性能只在某個轉速附近能達到最佳，而進氣渦流強度