浅析汽车发动机涡轮增压技术

摘 要：涡轮增压发动机相比其他自然吸气的发动机有较多的优点，不仅在功率和扭矩输出性能上具有较大的提升，同时，在燃油消耗率和排放方面也有很大的改善。

关键词：涡轮增压；动力；燃油消耗

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）22-341-02

一、涡轮增压发动机的工作原理

涡轮增压最早用在跑车或方程式赛车上，因为涡轮增压在发动机排量受到限制的情况下仍然能够使发动机获得更大的功率和扭矩，以满足赛车的需求。发动机是靠汽油和空气的混合气在气缸内燃烧做功产生动力的，由进入气缸的空气质量决定喷油器的喷油量，进入发动机参与燃烧的空气质量主要和发动机排量有关，因此在排量一定的前提下发动机产生的功率也会受到限制，如果想增强发动机的做功能力，只能通过压缩更多的空气进入气缸进而增加喷油量来实现。因此在目前的技术条件下，涡轮增压系统是唯一能使发动机增加输出功率的机械装置。涡轮增压的主要作用就是通过涡轮增压器增加发动机进气量，从而提高发动机的输出功率和扭矩。相同排量的发动机带涡轮增压比普通自然吸气的功率可以增加40%甚至更高。

涡轮增压器和空气压缩机的原理相同，通过压缩空气来增加进气质量。废气涡轮增压系统是利用发动机排出废气的惯性冲力推动涡轮工作的，涡轮又带动同轴的叶轮，流经空气滤清器管道的空气受到叶轮压缩，使之增压进入气缸。发动机转速越快，废气排出速度也就越快，涡轮转速也就越高，就会有更多的空气被叶轮压缩进入气缸，增大空气的压力和密度，有更多的燃料参与燃烧，使汽油机增压后动力性能得到较大的提高，对高原地区工作的适应性、CO和HC的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。

二、汽油机增压技术面临的主要问题

1、汽油发动机涡轮增压爆燃倾向增大

爆燃是气缸内未燃部分混合气在火焰前锋到来之前自行燃烧，在气缸内形成无方向的爆炸燃烧。爆燃发生时，缸内的压力急剧上升，严重时发动机会发出敲缸声。增压发动机混合气的温度和压力在压缩终了会趋于升高，爆燃的倾向随之增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比较低，会造成燃烧后气体膨胀不充分，最终导致排气管排气温度过高。

2、汽油发动机增压热负荷大

汽油机混合气的空燃比始终在14.7附近，浓度范围窄，燃烧时的过量空气少，单位体积的混合气发热量就会增大，普通自然吸气的发动机由于进入气缸的是汽油和空气的混合气，不能增大气门重叠角加大扫气来冷却受热部件，造成汽油机在增压后的热负荷偏高。

3、汽油机与增压器匹配困难

车用汽油机转速和功率范围广，工况变化频繁，从低速到高速混合气质量流量变化大，致使涡轮增压器与汽油机的匹配相当困难。当急加速节气门开度突然增大时，增压器响应滞后造成动力响应的滞后。涡轮增压发动机由于排气温度较高，恶劣的工作环境容易造成增压器机械部件的损坏，降低寿命。增压发动机低速时由于排气速度慢会使增压压力不足，高速时由于排气速度过快会使增压压力过大。

三、针对汽油机涡轮增压问题的措施

1、汽油机涡轮增压爆燃的措施

要解决汽油机增压存在的障碍，首先要在不能影响汽油机的其它性能的条件下防止爆燃和控制增压压力。

（1）降低压缩比。压缩终了混合气的温度越高，就越容易发生爆燃，降低压缩终了混合气温度可以通过降低压缩比来实现，这种方法还能有效控制爆燃，这是增压后解决爆燃的常用方法。对于增压汽油机适当降低压缩比，并利用爆震传感器来监测发动机的爆震情况，由ECU适时地根据爆燃强度推迟点火提前角，使爆震和点火提前角形成一种闭环控制，可以使燃烧最高压力相对降低，及时消除爆震。

（2）增压中冷。增压后增压器出口温度即进入气缸的进气温度与自然吸气式进气温度相比要高很多。增压中冷就是在增压器叶轮出口与进气管之间加装中间冷却器，冷却进入气缸的空气。增加中间冷却器可以有效地降低叶轮后增压气体的温度，提高气体密度，增加参与燃烧的燃油量，提升发动机的功率。增压空气经过中间冷却后，若使进气温度冷却至60℃，即使压缩比为8.1，发动机仍然不会发生爆燃。

目前，有效的措施是采用爆震传感器反馈控制的电子控制汽油喷射系统来自动控制发动机的点火提前角，实现点火正时的最优化，有效地防止爆燃。

2、汽油机增压热负荷高的措施

汽油机增压后温度要比自然吸式的高出几十度甚至上百度，这就意味着发动机热负荷高，爆燃倾向增加，使进气密度下降，每循环进气量减少，造成发动机功率下降。增压后热负荷高就要求提高增压器涡轮材料性能，即具有耐高温性，并且热膨胀系数要小。

（1）涡轮转子和叶轮采用耐热材料。涡轮转子的陶瓷化材料具有良好的高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数和低密度等特点。目前，应用陶瓷材料代替Ni基耐热合金制造涡轮增压器的转子，利用碳纤维强化树脂PKU制造压气机叶轮，以代替以往使用的铝合金材料，它具有良好的耐腐蚀性、耐磨损性和热伸缩性小等优点，适合于压气机叶轮的使用环境，并且取得了良好的效果。（2）采用汽油直接喷射技术。采用缸内直喷技术后可以增大气门重叠角，利用新鲜气体对高温机件进行吹洗冷却，降低发动机的热负荷。

汽油机爆燃和热负荷高彼此之间相互联系，又相互影响，最常用最可靠的措施是安装中冷器。安装中冷器，既可以降低涡轮增压器出口温度，使压缩终了温度降低，降低爆燃倾向，还可以降低发动机的热负荷，提高增压器使用寿命，同时，压缩终了温度的降低，有利于降低燃烧最高温度，减少NOx的排放。

3、汽油机与增压器匹配的措施

目前涡轮增压发动机主要是增压压力控制，电控单元里面有预存的增压压力脉谱图，脉谱图可以根据发动机的工况确定目标压力，当增压压力传感器检测到实际增压压力大于目标压力时，控制单元就会控制排气旁通阀打开，让一部分废气不经涡轮直接排出，降低增压压力以限制发动机的热负荷。

四、涡轮增压发动机的使用注意事项

1、发动机起动后，应先使其怠速运转3～5分钟，目的是让机油升温，流动性变好，使涡轮增压器得到充分的润滑后才可以起步加速。2、高速运转的发动机不能突然熄火，否则机油压力会由于机油泵停止工作而消失，造成涡轮增压器转轴与轴套之间因润滑不良而磨损严重。此外，发动机突然熄火后，通往涡轮增压器的机油停止流动，如果此时排气歧管的温度很高，其热量就会被吸收到涡轮增压器壳体上，将停留在增压器内部的机油熬成积炭。当这种积炭越积越多时就会阻塞进油口，导致轴套缺油，加速涡轮转轴与轴套之间的磨损，甚至产生卡死的严重后果。因此，发动机熄火前应怠速运转3 分钟左右，以使涡轮增压器转子转速下降。但涡轮增压发动机也不可长时间怠速运转，否则增压器也会因机油压力过低而导致润滑不良，一般怠速时间不应超过10分钟。3、涡轮增压器是精密部件，为了保证良好的润滑，发动机机油和机油滤清器必须保持清洁，否则会因为杂质的进入造成涡轮增压器的寿命降低。4、涡轮增压器的叶轮是高速旋转的部件，所以要求及时清洁空气滤清器滤芯，防止灰尘进入高速旋转的叶轮造成转速不稳或者加剧机械部件之间的磨损。5、如果出现机油变脏、曲轴箱压力过高或者发动机机油过度消耗时，可能涡轮增压器存在故障，应拆下检修。6、涡轮增压器正常工作时不得有异响和渗漏，否则应检修机械部件。

目前随着电子控制技术和电子控制汽油喷射技术不断更新，使汽油机增压技术已得到了飞速发展，并在一些轿车如帕萨特、奥迪A6等轿车上得到良好的匹配和运用，动力性得到很大的提高，使涡轮增压汽油发动机成为汽油机未来的发展趋势。

参考文献：

[1] 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992年

[2] 苏茂辉.废气涡轮增压技术应用与展望[J].城市车辆，2005年

[3] 陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京：机械工业出版社

推荐访问:浅析 汽车发动机 涡轮增压 技术